一项关于使用千枚岩作为粗骨料的混凝土性能的研究.docx
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一项关于使用千枚岩作为粗骨料的混凝土性能的研究
一项关于使用千枚岩作为粗骨料的混凝土性能的研究
MarkAdom-Asamoah，RussellOwusuAfifa
夸梅恩克鲁玛科技大学土木工程系，工程学院，库马西，加纳
摘要
如今，工业活动产生了巨大的浪费。
这类活动之一的就是地下采矿，其产生的废料千枚岩作为粗骨料被用在混凝土生产中。
混凝土中骨料的使用取决于其可用性。
本文是千枚岩骨料混凝土与常规的花岗岩骨料混凝土在某些物理力学性能相比较的实验研究报告。
所获得的这两种骨料的物理和机械性能在比重，吸水率（%），干密度，骨料的影响值（%），骨料的压碎值（%），10%细集料，伸长率指数（%），片状指数（%），和洛杉矶磨耗值都满足适用于生产混凝土的骨料的最低要求。
用千枚岩和花岗岩作为骨料按不同的混凝土配合比浇筑成指定标号M1,M2,M3,M4,M5的五种试件。
一共浇筑加工了400个混凝土立方体试件和210个破坏梁试件，并且将它们在进行压缩、弯曲试验前完全浸没在水中分别达到龄期3、7、14、28、56、90、180天。
实验结果表明，千枚岩素混凝土的抗压强度和抗弯强度的发展趋势与那些以花岗岩为骨料的混凝土类似。
然而，千枚岩混凝土混合料的抗压强度和抗弯强度比相应的所有龄期的花岗岩混凝土混合料平均低15-20%。
除了最低的等级外，相同混凝土配合比的千枚岩混凝土比花岗岩混凝土标定较小的混凝土强度等级。
这可能是因为它的针片状含量和伸长率再加上千枚岩骨料中的反应类材料影响其吸收和结合混凝土的特性。
1．简介
混凝土是最主要使用的建筑材料，以可持续发展的角度看，使用其它来源的混凝土成分在土木建筑中受到特别的青睐。
粗骨料是混凝土的一个重要组成部分，它的可用性可控制混凝土的使用。
在最近的一段时间里，许多研究人员以多样化的思想【1-5】专注于研究各种不同的材料作为粗骨料和某些材料是如何可以被改良用于混凝土生产中。
用来生产混凝土的骨料必须符合一定的标准以适宜和优化工程使用。
一般说来，粗骨料具有较高的强度，良好的耐久性和耐候性是很重要的，这样其表面不会有像肥土、淤泥和有机质的杂质，耐久颗粒不会吸收过多的化学物质，这样就不会影响混凝土和水的水合作用以及水泥浆的结合。
骨料可以根据它们的重量、岩石类型和形状分类。
混凝土工程骨料选择的首要问题是可用性。
通常现场工程师不得不选择接近施工场地的、可用的骨料生产混凝土。
当可用性没问题的时候，骨料的选择标准延伸到那些可能影响这些骨料混凝土的性能的因素。
在加纳，混凝土是最流行的基础建筑工程材料，因为其产品有可用的技术知识，经济合理，有良好的耐久性和易用性，用它还可以现场制造。
由于混凝土的可塑性，它可以浇铸成任意的形状大小，并且随后逐渐变硬达到使用强度。
粗骨料是混凝土的一个重要组成部分，无论按质量还是按体积，在符合规范要求的混凝土配合比设计中，它占据了最高的比例70~75%。
在加纳的Ashanti地区，千枚岩是在Obuasi矿山作为AngloGoldAshanti的地下开采活动的副产品生产的一种天然生成的骨料。
Obuasi矿山的地理位置是北纬6.1°和西经1.4°。
千枚岩是在板岩与片岩之间形成的中间岩石产物。
在高压力强压缩的作用下，一种页理状的变质岩生产了。
这种低强度可以分成薄片的岩石被称为板岩。
当在高温度和压强下经历更重的压实之后，板岩就进而形成千枚岩。
千枚岩属于由板状和条状矿物组成的板片状组。
它的层状结构和叶状结构使它沿着平面破裂成薄片状。
花岗岩是岩浆在地表以下已经很好形成的火成岩，向着地表面上升，随着它温度的下降在地表面或者地壳深处结晶形成的坚硬岩石【6】。
1.1、研究的原因
最普遍、最主要用的骨料是花岗岩和砂岩，然而这些材料的来源正面临着枯竭的被取代的问题，因为鉴于保护自然资源在任何现代发展问题中都非常重要，花岗岩作为粗骨料一直面临着挑战。
由于骨料的使用和混凝土的生产成本与可用性和运输距离有关，千枚岩骨料的使用只是取代混凝土生产中使用的花岗岩碎石作为粗骨料的一种尝试。
而且，如果找不到这种废弃材料得不到利用，千枚岩的不断积累将会成为一个环境问题。
建筑行业为保护环境和可持续发展做出的最大贡献就是对工业产生的废弃料的再回收利用。
最近的生产破碎花岗岩骨料的商业采石场距离矿山大约120Km。
因此，手工业者和小规模的承包商在公路和房屋建筑中使用千枚岩骨料。
报告表明，每年用于建设的千枚岩骨料数量在逐渐增长，而且在Obuasi地区使用千枚岩作为粗骨料的混凝土建筑的房屋，在其部分或全部倒塌的结构要素出现了大量的裂缝。
关于使用千枚岩骨料的混凝土的性能上还没有太多的研究报告。
该项研究表示出了千枚岩骨料的物理性能，以此来确定它作为结构混凝土的粗骨料的适用性。
还进行了不同强度等级的混凝土，随着龄期的增长所表现出得抗压强度和抗弯强度的参数研究。
并且用花岗岩骨料和从120Km以外的商业采石场运来的花岗岩骨料制作的混凝土作为对照。
2.实验方案
2.1、材料
符合BS12:
1989【8】的普通硅酸盐水泥被用于混凝土工程。
天然河砂被用作细集料，而两种粗骨料：
标准的花岗岩和千枚岩分别从商业性的采石场和地下采矿活动中得到。
粗细两种骨料的筛分配符合BS812的要求【9】。
从对粗骨料的粒度分析，如图1.a和1.b所示，其中大部分花岗岩和千枚岩没有通过筛子的筛孔孔径是12mm（包含1/2），大部分通过的筛孔孔径是19mm（包含3/4）。
因此这两种骨料的粒度分布范围在20-5mm之间。
这是显而易见的，这两种骨料有相似的分类特性；因此在相同的条件下有望出现相似的混凝土特性。
使用的细骨料分级符合BS882【10】（图1.c）
图1.骨料级配曲线
2.2、实验过程
样本取自在实验室用于测试的千枚岩和花岗岩料堆。
样本在烤箱中烘干，物理特性例如吸水率（%）、干密度、石料冲击试验值（%）、骨料压碎值（%）、10%的细集料、条状指数（%）、片状指数（%）和洛杉矶磨耗值等按照英国标准规范测定。
五种不同的混凝土配合比；M1、M2、M3、M4和M5（表格2）都是根据试验设计【11】的混合料配合比设计方法。
这些混凝土的配合比比例使得立方体试件的28天目标抗压强度在20-40N/mm2之间。
压缩试验使用100×100×100mm的混凝土立方体模具，弯曲梁试验（素混凝土的抗弯强度）采用100×100×500mm的混凝土立方体模具制作试件。
搅拌采用电动搅拌机（桶）。
混凝土放在模具中用电动振动器振实以保证最小的空隙率。
混凝土的坍落度试验根据BS1881:
1983【12】中的规定进行。
总共400个100×100×100的混凝土立方体（花岗岩和千枚岩各200个）被浇铸并完全浸没在水中，在压缩试验之前分别养生3、7、14、28、56、90、180、360天。
对于每种不同的配合比和混凝土类型，在每个龄期对5个标准100mm试件进行测试。
计算出所有400种混凝土立方体的密度。
用与压缩试验的混凝土配合比相同的设计比例的混凝土浇铸准备抗弯试验的弯曲梁。
总共210个弯曲梁，花岗岩和千枚岩各105个被浇铸成型并在水中分别养生7、14、28、56、90、180、360天。
对于每种不同的配合比和混凝土类型，在每个龄期对3个试件进行测试。
混凝土试验按照BS1881:
1983【12】中规定进行得到抗压强度和抗弯强度。
不同龄期的混凝土试件压缩强度是用一个最大压力500KN的通用压缩试验机测得的。
弯曲梁的抗弯强度是使用一个最大载重量20吨的通用弯曲试验机，通过三点测试测得的。
表格2混凝土配合比和坍落度值
混凝土混合物（配比）
28天目标抗压强度（N/mm2）
水灰比
（w/c）
水泥（Kg/m3）
细集料（Kg/m3）
粗集料
（Kg/m3）
坍落度（mm）GC
坍落度
（mm）PC
M1
20
0.56
340
612
1360
15
10
M2
25
0.52
365
560
1310
15
10
M3
30
0.47
405
530
1300
15
10
M4
35
0.44
430
505
1300
15
5
M5
40
0.40
475
490
1270
10
5
M（a：
b：
c）；M-混凝土混合物；a-水泥；b-细集料；c-粗集料。
3.实验结果与讨论
3.1、物理和力学性能
骨料的物理性能对混凝土中集料的反应有重大的影响。
强度越高的骨料生产的混凝土强度越高。
表1显示了被用于此项研究工作的千枚岩和花岗岩骨料的物理力学性能测试的结果。
表格1骨料的试验强度指数
物理性质
千枚岩骨料
花岗岩骨料
比重
2.72
2.64
吸水率（%）
1.80
2.30
石料冲击试验值（%）
9.80
10.50
骨料压碎值（%）
18.64
16.42
10%细集料（KN）
255.75
278.45
片状指数（%）
28.00
15.00
条状指数（%）
25.00
2.00
洛杉矶磨耗值
17.50
16.25
3.3.1、比重
千枚岩和花岗岩的比重分别是2.72和2.64。
它们都在正常轻集料的比重范围2.5-3.0之间。
3.1.2、吸水率和孔隙率
岩石中空隙的存在，使得由天然石料粉碎而成的骨料保留相似的特性成为可能。
有些空隙存在于整个骨料中，而其它的空隙则在颗粒的表面。
水可以渗透毛孔，渗透的数量和速度取决于骨料空隙的连续性和总容量。
大多数岩石的孔隙率占骨料体积的0%到50%，又由于骨料的体积占混凝土的70-75%，显然骨料对混凝土的孔隙率贡献最大。
这个性质的相关性证明了，骨料的孔隙率和吸水率影响到混凝土配比中水的用量，而这是控制混凝土的和易性和强度的重要指标。
砂的湿胀也受到吸水率和含水量的极大影响。
这决定了大量的的骨料占据了固定的体积，这使得在按体积配料时是必要的。
千枚岩和花岗岩的吸水率按照BS812：
1990【9】中规定的通过测定饱和的表面干燥的样本在烤箱中干燥30分钟的质量损失来确定。
将干燥样本质量的减少比例表示成百分比就是吸水率。
花岗岩骨料的吸水率（2.3%）大于千枚岩的吸水率（1.8%），它们都在骨料可用于混凝土生产的可接受范围内。
3.1.3、骨料的形状和纹理
骨料的形状和纹理影响其吸水的能力。
浑圆的砾石由于较少的表面积需要少量的水来保持其和易性，而片状和条状的颗粒具有较大的表面积就需要吸收更多的水。
BS812:
1990【9】中骨料颗粒分类是通过简单的测量仪器进行的。
该方法是基于假定：
如果粒料的厚度（最小尺寸）小于粒料所属粒级筛孔尺寸的0.6倍，该粒料就是片状的。
如果它的长度（最大尺寸）大于粒料所属粒级筛孔尺寸的1.8倍，该粒料就是条状的。
关于这项工作，千枚岩的花岗岩骨料都是在10-14mm粒级之间取样的。
样本采用的千枚岩和花岗岩骨料的片状指数表示为百分数分别是28和15.（见表格1）。
条状指数遵循类似的趋势，其中千枚岩为25而花岗岩只有2.。
这样千枚岩骨料可以被分类为片状和条状。
准则【8】指定了一个界限，50以上为压碎岩小于40的为未压碎岩。
由于千枚岩的片状和条状所增加的表面积会增大水灰比，而影响混凝土的抗压强度的形成，因此预计千枚岩骨料只能生产较低强度的混凝土。
3.1.4、石料的冲击强度值（AIV）
烘干的石料冲击强度值根据BS812:
1990【9】中的要求确定。
骨料对突然冲击的抗力极大地影响了由这种骨料制作的混凝土的承载能力。
一种测定骨料对冲击荷载的抗力的方法就是用石料的冲击强度值表示。
在冲击荷载过程中，骨料被破碎成颗粒这样又改变了用于制作混凝土的原始配合比。
由于骨料的级配和最大集料粒径影响混凝土的力学性能，用通过2.36mm筛孔尺寸的粒料数量来评价石料的冲击强度值。
石料的冲击强度值和混凝土强度是成正比关系的。
英国规范设定了一个最大限制25%（即冲击荷载后，通过2.36mm的颗粒含量不能超过这个限制）。
10-14mm粒级的花岗岩和千枚岩骨料的冲击强度值分别为10.5和9.8.。
在记录的冲击值范围内，千枚岩骨料有良好的吸收冲击的能力【14】。
3.1.5、集料压碎值和10%细集料含量
骨料对缓慢施加的荷载反应与对突然的冲击荷载反应有所不同。
因此，ACV就是在缓慢的外加荷载作用下骨料的抗压碎性能的一个相对测量，在两种骨料上分别进行试验得到它们各自的抵抗压碎的能力。
严格意义上说，当骨料样本的ACV值超过30%时，结果表现异常，因此要进行10%细集料含量的试验。
ACV值是通过对骨料在四种不同的压缩荷载下进行冲击测试，并绘制荷载—细集料百分比图表得到的。
在450KN的荷载作用下，作为控制组的花岗岩骨料的平均百分比ACV是18.42%，而千枚岩则为16.42%。
结果表明，两种骨料都通过了英国标准规定的不超过35%的指标要求。
千枚岩骨料在破碎后产生了比花岗岩更多的细集料，这可能是千枚岩骨料的片状的结果，但尽管如此差别还没大到不能比较的程度。
10%细集料含量试验也表明：
千枚岩抵抗破碎的抗力小于花岗岩骨料的抗力。
千枚岩和花岗岩各自得到的试验值均在255.75—278.45KN之间。
3.1.6、洛杉矶磨耗值
骨料的耐磨性（硬度）和抗折性（韧性）相应的都是在进行洛杉矶试验中得到的。
结果显示由于骨料和用作研磨荷载的钢筋之间的相对摩擦运动产生的磨耗百分比。
在表格1中千枚岩和花岗岩的磨耗值分别为17.5%和16.25%。
这表明，千枚岩骨料在耐磨方面和花岗岩相差不大。
对于这样一个范围，由这两种骨料（各方面都相同）制成的混凝土具有比较强的抗磨等级，而且作为铺筑地板和路面用的混凝土有望承受较大的人流量。
【7,15】
3.2、混凝土配合比设计及和易性
按照DOE的配合比设计方法【11】设计的28天目标抗压强度的结果在表格2中显示，使用千枚岩和花岗岩骨料按照不同的配合比，分别设计出M1，M2，M3，M4和M5的28天目标立方体抗压强度为20,25,30,35,和40N/mm2.。
在表格2中，每单位体积的混凝土组成成分的配合比（水泥：
细集料：
粗集料：
水灰比）分别为M1（1:
1.8:
4.0:
0.56），M2（1:
1.5:
3.6:
0.52），M3（1:
1.3:
3.2:
0.47），M4（1:
1.17:
3:
0.44）和M5（1:
1:
2.6:
0.4）。
值得注意的是，随着28天目标抗压强度降低水灰比也按预期的减小。
尽管在混凝土配合比设计方法中选择的目标坍落度对于正常和大量加筋的混凝土工程属于中等和易性（10-30mm之间），但是记录的花岗岩混凝土的（表格2）坍落度高于千枚岩混凝土的坍落度。
这是意料之外的，因为表格1中所显示的花岗岩骨料有较高的吸水率，给人们这样的印象：
花岗岩的坍落度应该低于其它条件相同下的千枚岩。
在几组类似的测试之后，容易发现，千枚岩的片状特性使得它的表面在洗净的时候随着表面颗粒溶解到清洗的水中，从而减少了饱和千枚岩骨料的重量。
此外，人们注意到在配料和混合的过程中，千枚岩骨料碎裂成细小的颗粒，并且吸收了更多的水分以至于其混凝土的和易性比花岗岩有所降低。
通过观察和检验得出结论，千枚岩骨料在混合中产生更多的细集料这一特性，使得千枚岩混凝土吸收更多的水、具有更低的坍落度。
3.3、混凝土的密度
一共200个由千枚岩骨料制作的混凝土立方体（M1-M5）记录的密度从2300KN/m3到2850KN/m3.。
在标准偏差为0.172%和变异系数为6%的情况下，获得的一个平均密度为2660KN/m3。
相同数量的由花岗岩制作的混凝土立方体（M1-M5），在标准偏差为0.14%和变异系数为5%的情况下，获得的一个平均密度为2710KN/m3。
上述结果表明，千枚岩生产出正常重量的混凝土。
3.4、抗压强度
图2表示了抗压强度随着龄期的发展变化。
早期强度增长的速率，为安排模具拆除时间提供有效的依据。
关于这项研究，在龄期为7天时，所有混凝土配合比的花岗岩混凝土都达到了28天龄期强度的60%，而千枚岩混凝土只达到了45%。
测试结果表明（表格3），在低强度的混凝土配合比设计的M1试件，在28天龄期时花岗岩混凝土达到17N/mm2的抗压强度，而千枚岩达到了15.2N/mm2的抗压强度。
在这种情况下，两种骨料类型的混凝土试件M1基本上是混凝土等级的C15。
表格3进一步表明，花岗岩混凝土名义上的M2和M3试件在28天龄期时达到分别达到了混凝土等级的C25和C30，而千枚岩混凝土只分别达到相应于混凝土等级的C20和C25。
花岗岩混凝土的两种混合类型M4和M5被归为C35，而千枚岩的则被归为C30。
对于花岗岩混凝土来说，其前28天得强度增长速率是最快的（如图2所示）。
这证实了为什么许多行业规范明确声明混凝土设计必须符合28天得抗压强度。
花岗岩混凝土的抗压强度增加的速率高于千枚岩混凝土的，尤其是在比较高的水灰比时。
然而，花岗岩混凝土和千枚岩混凝土的抗压强度增加的趋势是相似的。
这是不同龄期的混凝土有类似的抗压强度关系的结果。
比方说，对于花岗岩混凝土和千枚岩混凝土的M3试件，它们不同龄期7、28、90、180、360天的抗压强度与28天抗压强度关系分别为0.6、1.0、1.06、1.11、1.18倍。
硬化365天（一年）后，花岗岩混凝土的抗压强度比相应的千枚岩混凝土高出15%~30%。
3.5、抗弯强度
抗弯强度（断裂模数）是混凝土结构设计中的一个最重要的性质，因为它会影响混凝土构件的粘结强度，剪切强度，脆性比和弯曲开裂。
图3显示出随着龄期的增长，各个混凝土等级的抗弯强度逐渐增强。
M1和M2类的千枚岩混凝土早期抗弯强度比相应的花岗岩混凝土强度高出17.3%和10.1%。
然而，M3、M4、M5类的花岗岩混凝土早期抗弯强度比相应的千枚岩混凝土高出10.1%、17.8%和19.4%。
这表明含千枚岩的贫混凝土可以得到比较好的早期抗弯强度预测值。
但是在全部龄期内，千枚岩混凝土的抗弯强度比相应的花岗岩混凝土平均低约15-20%。
4.一般讨论
获得的两种骨料的物理力学性质如表1中所示，其比重、吸水率、干密度、石料的冲击强度值、骨料的压碎值、10%的细集料含量、条状指数、片状指数和洛杉矶磨耗值都满足适用于混凝土生产的骨料的最低要求。
尽管千枚岩骨料的性能都满足适用于混凝土生产的骨料的最低要求，但是一般它们都比测量的花岗岩骨料的偏低。
结果表明，千枚岩混凝土的抗弯强度（韧性）平均是其抗压强度的7.82%，而花岗岩混凝土仅为6.76%。
图2和图3还表明，在所有龄期内，千枚岩混凝土的抗压强度和抗弯强度一般比相应的花岗岩混凝土低15%~20%.
由于混合料配合比是基于相同的水灰比w/c设计的，而实际上这样的水灰比符合一个混凝土等级的不同组成的数量标准，强度（抗弯强度和抗压强度）方面的差异可能主要归因于骨料的类型。
这种看法与其他研究人员的报告相似。
如前所述，千枚岩的片状和条状特性影响了混凝土的强度。
千枚岩的这些性质提高了骨料的总表面积，同样地就需要更多的水来保证骨料之间的灰浆结合。
片状特性减少了砂浆和骨料之间的内聚力，这就导致在压力和弯曲荷载下的粘结破坏。
在千枚岩中发现二氧化硅的反应可能与水泥中的碱发生作用，在薄弱面或者骨料的空隙处形成一种碱-硅酸凝胶。
这就导致骨料和周围的水化水泥浆之间粘结的破坏，也可以解释为千枚岩混凝土具有较低的抗压和抗弯曲强度的原因。
在高强度等级的混凝土中，水灰比的减少可以保证花岗岩混凝土比千枚岩混凝土有更好的抗弯强度。
这是由于富含水泥的混凝土配合比中，粗糙质感的花岗岩骨料之间的成键作用使它变得更强。
因此，骨料对混凝土强度的影响，不仅仅只依赖于其骨料的力学强度，也在一定程度上取决于其吸水率和连结性能。
为了表征在混凝土构件中，关于在钢筋混凝土设计中使用千枚岩混凝土的强度和耐久性还需要一个更广泛的调查。
5.结论和建议
在这项研究工作中，原料的千枚岩骨料的物理力学性能已经确定。
用千枚岩骨料和花岗岩骨料制作的混凝土被设计成不同的混合比例（M1-M5），并且使得28天得目标立方体抗压强度在20-40N/mm2.之间。
主要结论和建议如下：
1、千枚岩骨料的分级与常规的骨料（花岗岩）类似。
但是由于千枚岩的片状特性，粗的千枚岩骨料中含有较多的细集料，在使用前需要清洗。
2、千枚岩骨料的比重平均为2.72在常用混凝土标准骨料范围内。
3、千枚岩骨料的物理力学性能满足适合生产混凝土的骨料的最低要求。
4、在混合之前，如果粗骨料中的细集料没有恰当地清洗，千枚岩骨料混凝土就不可用。
由于混合时千枚岩骨料的分解出现了更多的细集料，增加了吸水率，降低了水灰比，这样致使混凝土不可用。
5、千枚岩混凝土的抗压、抗折强度随着龄期增长服从常规混凝土的预测趋势。
然而，千枚岩混凝土的变化速率低于花岗岩混凝土。
6、在所有的龄期内，千枚岩混凝土的抗压强度、抗弯强度一般比相应的相同配合比的花岗岩混凝土低15-20%。
除了最低等级以外，相同配合比的千枚岩混凝土比花岗岩混凝土给定了较低的混凝土等级。
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第一部分：
不同的碎石和水泥的影响。
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