礫石混凝土抗凍性能研究

于曉坤，王銳，王者

(1.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱，150040；2.黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，哈爾濱，150050)

礫石混凝土抗凍性能研究

于曉坤1，王銳1，王者2

(1.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱，150040；2.黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，哈爾濱，150050)

黑龍江省河流分布較廣，河流水系沿線有較為豐富的礫石資源，可作為粗骨料充分運(yùn)用到水泥混凝土路面中，以達(dá)到減少工程成本的目的，由于黑龍江省特殊的地理氣候環(huán)境，凍融循環(huán)是影響混凝土路面耐久性的重要因素之一，在設(shè)計(jì)路面時(shí)必須考慮礫石混凝土路面的抗凍性能。本文以黑龍江烏斯渾河流域平山段礫石為原材，通過混凝土快速凍融循環(huán)機(jī)對(duì)礫石混凝土抗凍性能進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，礫石混凝土動(dòng)彈模量降低，質(zhì)量損失率增加，混凝土的抗凍性能減低；級(jí)配在5～26.5mm范圍內(nèi)的礫石混凝土抗凍性能最佳；在凍融循環(huán)達(dá)到200次后，摻引氣劑礫石混凝土的抗凍性能明顯好于未摻引氣劑。研究結(jié)果為黑龍江省縣鄉(xiāng)村公路的建設(shè)提供理論參考，對(duì)工程實(shí)際具有一定的經(jīng)濟(jì)意義。

級(jí)配；礫石混凝土；抗凍性；破壞

0 引言

隨著公路交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，高等級(jí)和主干線交通網(wǎng)已經(jīng)基本完善，為了完善我國(guó)縣鄉(xiāng)村公路交通運(yùn)輸網(wǎng)，進(jìn)而提高地區(qū)間政治、文化和經(jīng)濟(jì)等往來，國(guó)家開始大力建設(shè)縣鄉(xiāng)村道路[1]?？h鄉(xiāng)村公路具有交通流量低，交通復(fù)雜，養(yǎng)護(hù)時(shí)間間隔較大，破損時(shí)無法及時(shí)補(bǔ)修等特點(diǎn)，因此就需要一種承載力、剛度、穩(wěn)定性及抗破壞能力好的路面，已達(dá)到縣鄉(xiāng)村公路的使用特點(diǎn)。水泥混凝土路面由于其混凝土自身的特點(diǎn)，具有剛度大，承載力大，穩(wěn)定性好、施工工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是通縣鄉(xiāng)村公路的首選[2-7]。黑龍江省河流分布較廣，河流水系沿線有較為豐富的礫石資源，可將其作為粗骨料充分運(yùn)用到水泥混凝土路面當(dāng)中，以達(dá)到減少工程成本的目的。由于黑龍江省其特殊的地理氣候環(huán)境，且凍融循環(huán)是影響混凝土路面耐久性的重要因素之一，在設(shè)計(jì)路面時(shí)必須考慮混凝土路面的抗凍性能[8]。因此本文以黑龍江烏斯渾河流域平山段礫石為原材，通過混凝土快速凍融循環(huán)機(jī)對(duì)礫石混凝土抗凍性能進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果為黑龍江省縣鄉(xiāng)村公路的建設(shè)提供理論參考，對(duì)工程實(shí)際具有一定的經(jīng)濟(jì)意義。

1 試驗(yàn)的原材料

礫石混凝土是由水泥作為膠結(jié)材料，水泥膠結(jié)作用將松散集料的結(jié)構(gòu)膠凝在一起，因此礫石混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)主要取決于各種原材料的選擇。

1.1 水泥

水泥采用內(nèi)蒙古蒙西水泥股份有限公司生產(chǎn)的蒙西牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical indexes of cement

1.2 礫石

粗集料選用黑龍江烏斯渾河流域平山段天然礫石，礫石的常規(guī)指標(biāo)見表2。

表2 礫石常規(guī)指標(biāo)Tab.2 Routine Indexes of gravel

不同的河流流域，其天然礫石都有其自身的特點(diǎn)，且未經(jīng)人為篩分，現(xiàn)場(chǎng)所取礫石的最大粒徑為53 mm，且其級(jí)配不均勻，因此需要室內(nèi)人為的對(duì)天然礫石進(jìn)行篩分，保證礫石混凝土的質(zhì)量要求，結(jié)合姜利[9]等對(duì)路用礫石混凝土級(jí)配探討，將天然礫石級(jí)配劃分3種不同的級(jí)配，其分別為5～31.5、5～26.5和5～19 mm，即為a、b和c。各級(jí)配粒徑的通過百分率見表3。

表3 各級(jí)配粒徑的通過百分率Tab.3 Percentage of particle size distribution at all levels

1.3 細(xì)集料

細(xì)集料采用湯旺河砂，其材料參數(shù)見表4。

表4 細(xì)集料材料參數(shù)Tab.4 Material parameters of fine aggregate

1.4 水和外加劑

水采用室內(nèi)飲用水，其各項(xiàng)指標(biāo)符合試驗(yàn)要求；外加劑主要選取FDN型減水劑和UNF-5型引氣劑。

結(jié)合姜利[9]等對(duì)路用礫石混凝土級(jí)配探討，并通過室內(nèi)試驗(yàn)研究確定礫石混凝土的配合比，確定配合比為：水泥∶水∶礫石∶砂=320∶150∶1 388∶591，引氣劑的用量為1%，F(xiàn)DN型減水劑用量為0.5%。a、b和c三種不同級(jí)配礫石混凝主要土力學(xué)性能按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30-2005)規(guī)定進(jìn)行，見表5。

表5 不同級(jí)配礫石混凝土力學(xué)指標(biāo)Tab.5 Mechanical indexes of different graded gravel concrete

2 礫石混凝土的抗凍試驗(yàn)方法

水泥混凝土抗凍性試驗(yàn)完全依照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30-2005)規(guī)定進(jìn)行。試驗(yàn)采用快凍法，儀器采用快速凍融試驗(yàn)機(jī)，礫石混凝土尺寸：100 mm×100 mm×400 mm，礫石混凝土養(yǎng)生時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)28 d，在規(guī)定齡期的前4 d將各試件放在20±2 ℃的飽和石灰水中浸泡，水面至少高出試件20 mm。浸泡4 d后進(jìn)行凍融試驗(yàn)，將養(yǎng)生好的的礫石混凝土試件放入水泥混凝土快速凍融循環(huán)機(jī)內(nèi)(圖1)，凍融過程中水面高度不能小于試件20 mm，凍融循環(huán)的溫度在-16～3 ℃，一次凍融循環(huán)時(shí)間在2～4 h之內(nèi)，凍融循環(huán)次數(shù)300次，每25次凍融循環(huán)對(duì)試件進(jìn)行相對(duì)彈性模量P(圖2)和質(zhì)量變化Wn的測(cè)試[6-7]。

圖1 快速凍融試驗(yàn)箱Fig.1 Rapid freezing and thawing test chamber

圖2 混凝土動(dòng)彈性模量測(cè)定儀 Fig.2 Concrete dynamic modulus tester

混凝土的抗凍性能用抗凍標(biāo)號(hào)來表示[10]?；炷猎趦鋈谘h(huán)過程中，其相對(duì)動(dòng)彈模量≤60%或者質(zhì)量減小率≥5%時(shí)，判定為混凝土達(dá)到了最大凍融循環(huán)次數(shù)，抗凍標(biāo)號(hào)表示為：D50、D100、D150、D200、D250和D300等。

3 抗凍試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)人工篩分的a、b和c三種級(jí)配進(jìn)行混凝土的抗凍性試驗(yàn)，為了進(jìn)一步研究引氣劑對(duì)抗凍性能的影響，同時(shí)對(duì)加入引氣劑的a、b和c三種級(jí)配進(jìn)行抗凍性能試驗(yàn)，未摻引氣劑礫石混凝土凍融破壞與摻引氣劑礫石混凝土凍融破壞分別如圖3和圖4，試驗(yàn)結(jié)果見表6和表7。

圖3 未加引氣劑凍融破壞Fig.3 Failure of freezing and thawing without air entraining agent

圖4 摻引氣劑凍融破壞Fig.4 Freezing and thawing of air entraining agent

水泥用量/(kg·m-3)粒徑/mm指標(biāo)/%D50D100D150D200D250D300320aWn0.51.12.03.24.3—P9387796155—320bWn0.20.40.61.73.0—P9893887068—320cWn0.61.22.53.1——P926754———

表7 加引氣劑礫石混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Results of frost resistance test of gravel concrete with air entraining agent

根據(jù)表6和7可知：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，礫石混凝土動(dòng)彈模量降低，質(zhì)量損失率增加。分析原因：在拌制混凝土試塊時(shí)，水泥的水化作用后使得混凝土中形成聯(lián)通且具有一定體積的毛細(xì)孔隙，在凍融循環(huán)過程中，水分在混凝土中發(fā)生遷移集聚的現(xiàn)象，尤其在負(fù)溫狀態(tài)下水的凍結(jié)其體積增加9%，破壞了混凝土中水泥與集料的膠結(jié)作用，混凝土試塊表面發(fā)生松散、破壞、掉渣等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土抗凍性能降低，質(zhì)量損失較明顯增加[11-13]。

3.1 級(jí)配對(duì)礫石混凝土抗凍性能的影響

依據(jù)圖5級(jí)配對(duì)未摻引氣劑混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量影響和圖6摻引氣劑混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量影響，從圖中可以直觀看出，3種級(jí)配中b級(jí)配表現(xiàn)的抗凍性能最佳，明顯高于a和c級(jí)配。分析原因：a級(jí)配中最大粒徑含有31.5 mm，級(jí)配范圍較大，在制作混凝土試塊時(shí)，無法保證試塊中的空隙完全讓細(xì)集料填充，導(dǎo)致其中吸水率較大，凍融過程中產(chǎn)生膨脹率大于b級(jí)配；而c級(jí)配由于其級(jí)配范圍相對(duì)較小，其形成的混凝土試塊中毛細(xì)空隙較多，在凍融過程中大量的毛細(xì)水遷移集聚，破壞了混凝土原有的膠凝結(jié)構(gòu)導(dǎo)致抗凍性能大大降低。

圖5 級(jí)配對(duì)未摻引氣劑混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量影響Fig.5 Influence of relative modulus of elasticity of concrete without air entraining agent

圖6 級(jí)配對(duì)摻引氣劑混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量影響Fig.6 Influence of relative modulus of elasticity of concrete with air entraining admixture

3.2 引氣劑對(duì)礫石混凝土抗凍性能的影響

對(duì)比表6和表7可以看出加入引氣劑的水泥混凝土的抗凍性能大于未加入引氣劑的混凝土。由圖7b級(jí)配混凝土摻引氣劑與未摻引氣劑質(zhì)量變化率對(duì)比可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，摻引氣劑與未摻引氣劑混凝土的質(zhì)量損失率也隨之增加，在凍融循環(huán)200次前，二者沒有明顯的差異，在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到200次后，未摻引氣劑礫石混凝土質(zhì)量損失率變化明顯大于摻引氣劑的。分析原因主要由于混凝土中摻入引氣劑的原因，使得混凝土內(nèi)部分布著細(xì)小氣體，氣體的存在阻隔了自由水進(jìn)入混凝土中，大大減少了混凝土的吸水率，進(jìn)而減少自由水在混凝土中的膨脹作用[14-20]，同時(shí)混凝土中的氣體也起到了緩沖的作用，大大降低水在凍結(jié)過程中的膨脹作用，動(dòng)彈模量遠(yuǎn)大于未摻引氣劑的混凝土，大大提高了礫石混凝土的抗凍性能。

圖7 b級(jí)配混凝土摻引氣劑與未摻引氣劑質(zhì)量變化率對(duì)比圖Fig.7 Comparison Chart of mass change rate between B graded concrete admixture and air entraining agent

4 結(jié)論

本文以黑龍江烏斯渾河流域平山段礫石為原材，通過混凝土快速凍融循環(huán)機(jī)對(duì)礫石混凝土抗凍性能進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果為黑龍江省縣鄉(xiāng)村公路的建設(shè)提供理論參考，對(duì)工程實(shí)際具有一定的經(jīng)濟(jì)意義。所得結(jié)論如下：

(1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，礫石混凝土動(dòng)彈模量降低，質(zhì)量損失率增加，混凝土的抗凍性能減低。

(2)級(jí)配在5～26.5 mm范圍內(nèi)的礫石混凝土抗凍性能表現(xiàn)良好。

(3)摻引氣劑混凝土抗凍性能表現(xiàn)良好，且在凍融循環(huán)達(dá)到200次后，摻引氣劑礫石混凝土的抗凍性能明顯好于未摻引氣劑。

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StudyonFrostResistanceofGravelConcrete

Yu Xiaokun1，Wang Rui1，Wang Zhe2

(1.College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040； 2.Civil and Architectural engineering College，Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050)

The rivers in Heilongjiang province are widely distributed，and there are abundant gravel resources along the river system，which can be used as course aggregate in cement concrete pavement，in order to reduce the cost of the project.Because of the special geographical and climatic environment in Heilongjiang Province，freeze-thaw cycle is one of the important factors that affect the durability of concrete pavement.The design of pavement must take into account the frost resistance of gravel concrete pavement.Using Pingshan Hunhe River gravel in Heilongjiang as raw material，the frost resistance of gravel concrete was studied by the rapid freezing and thawing machine.Results show that：with the increase of freeze-thaw cycles，the modulus of elasticity of gravel concrete decreases，mass loss rate increases and the frost resistance of concrete decreases.The frost resistance of gravel concrete in 5～26.5 mm range is the best.After freezing and thawing cycles reached 200 times，the frost resistance of gravel concrete with air entraining agent is better than that without air entraining agent.The results provide theoretical reference for the construction of rural roads in Heilongjiang province，which has certain economic significance to engineering practice.

Gradation；gravel concrete；frost resistance；destruction

U 416.213

A

1001-005X(2017)06-0067-04

2017-07-26

于曉坤，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：道路與鐵道工程。

*通信作者：王銳，碩士，助理工程師。研究方向：道路工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)。E-mail：wangrui20075039@126.com

于曉坤，王銳，王者.礫石混凝土抗凍性能研究[J].森林工程，2017，33(6)：67-70.