季凍地區(qū)路用水泥混凝土抗鹽凍性能試驗(yàn)研究

曹沈陽(yáng)， 包得祥

(1.甘肅省蘭州公路管理局， 甘肅 蘭州 730000; 2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司)

1 引言

水泥混凝土路面具有耐久性好、強(qiáng)度高、水穩(wěn)定性及高溫穩(wěn)定性良等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于道路路面建設(shè)中，尤其是鄉(xiāng)村道路。目前，中國(guó)水泥混凝土路面以普通水泥混凝土路面為主，該路面設(shè)置了大量的縱、橫向接縫，是整個(gè)路面的薄弱部位，在季節(jié)性冰凍地區(qū)接縫位置常出現(xiàn)唧泥、脫空、錯(cuò)臺(tái)、開裂等病害，大大影響了行車舒適性，縮短了路面使用壽命。與此同時(shí)，接縫的存在使水分更易進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在春融、秋凍時(shí)節(jié)，路面混凝土材料將經(jīng)受凍-融循環(huán)作用，若抗凍性能較差，其強(qiáng)度、耐久性將經(jīng)受嚴(yán)峻的考驗(yàn)，易產(chǎn)生脫空、剝落等病害，大大影響行車舒適性，明顯縮短了路面使用壽命，可見混凝土材料的抗凍性能對(duì)路面十分重要。尤其是下雪天氣路面結(jié)冰時(shí)，為保證行車安全，需要在路面上撒布除冰鹽，更加速了路面破壞速度。

凍融條件下，水泥混凝土的破壞速度主要受兩大因素的影響，一是凍融環(huán)境；二是水泥混凝土的抗鹽凍性能。大量研究證明：鹽凍條件下混凝土的破壞速度遠(yuǎn)大于一般水凍條件下混凝土的破壞速度。對(duì)破壞機(jī)理進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：① 鹽具有除濕作用，可明顯縮短混凝土的飽水時(shí)間，加大混凝土的飽水程度；② 鹽溶液在加速凝結(jié)冰融化的過程中，將從混凝土中吸收大量的熱量，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成溫度梯度，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，大大加速了混凝土的凍融破壞。

為提高混凝土抗鹽凍性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，研究水泥摻量、鹽溶液濃度、外加劑、環(huán)氧樹脂、礦物摻合料、納米材料等對(duì)混凝土抗鹽凍性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)鹽溶液濃度為2%～4%時(shí)，凍融循環(huán)作用下混凝土破壞速度最大；在水泥混凝土中，摻入引氣劑、減水劑、纖維、礦物摻合料(粉煤灰、硅灰、超細(xì)化電爐礦渣等)、納米材料(CaCO3、SiO2、Fe2O3等)等材料后均可改善混凝土的抗鹽凍性能，但均會(huì)影響到混凝土的施工質(zhì)量和強(qiáng)度等。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞路用水泥混凝土抗鹽凍性能研究，取得了豐碩的成果。研究多基于水泥混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)，測(cè)得不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量和質(zhì)量損失，進(jìn)而評(píng)價(jià)其抗凍性能。對(duì)于普通水泥混凝土路面而言，彎拉強(qiáng)度是其設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，但是對(duì)于凍融循環(huán)作用下其彎拉強(qiáng)度衰減機(jī)理缺乏研究。而且，摻入減水劑、引氣劑、粉煤灰、纖維、納米材料等材料時(shí)，均可一定程度上改善水泥混凝土的抗鹽凍性能，但是哪種材料對(duì)混凝土抗鹽凍性能改善效果較好，缺乏橫向?qū)Ρ??；诖?，該文在水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研究水灰比、減水劑、引氣劑、粉煤灰、鋼纖維、納米CaCO3等材料對(duì)混凝土抗鹽凍性能的影響，選用的鹽溶液為濃度3%的NaCl溶液，進(jìn)行的室內(nèi)試驗(yàn)包括凍融循環(huán)試驗(yàn)和彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)，擬通過混凝土抗鹽凍性能研究，優(yōu)化水泥混凝土材料組成，延長(zhǎng)路面設(shè)計(jì)使用壽命。

2 原材料及配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

試驗(yàn)中用到的原材料包括水泥、水、粗集料、細(xì)集料、引氣劑、減水劑、粉煤灰、鋼纖維、納米CaCO3，現(xiàn)分別對(duì)其性能及指標(biāo)進(jìn)行論述：

(1) 水泥。普通硅酸鹽水泥，試驗(yàn)測(cè)得抗折強(qiáng)度為8.0 MPa，密度為3 150 kg/m3。

(2) 水。要求采用潔凈無(wú)雜質(zhì)的水，試驗(yàn)采用市政供水。

(3) 粗集料。粗集料為碎石，由試驗(yàn)可得：碎石含泥量為1.1%，含水率為0.3%，堆積密度為2 428 kg/m3，表觀密度為2 706 kg/m3，粒徑范圍為9.5～26.5、9.5～19、4.75～9.5 mm共3檔，篩分后摻配比例為4∶3∶3，級(jí)配上限、下限及合成級(jí)配見表1。

表1 粗集料級(jí)配組成

(4) 細(xì)集料。細(xì)集料采用河砂，中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，含泥量為0.9%，堆積密度為1 710 kg/m3，表觀密度為2 715 kg/m3。

(5) 減水劑。減水劑摻量為1.5%。

(6) 引氣劑。引氣劑的摻量為0.01%。

(7) 納米材料。目前納米材料種類很多，常用的包括納米SiO2、納米CaCO3、納米Fe2O3、納米TiO2等，其價(jià)格大多數(shù)較高，如納米SiO2價(jià)格為10萬(wàn)元/t以上，而納米CaCO3相對(duì)便宜，為1萬(wàn)元/t左右，考慮經(jīng)濟(jì)因素，該文選用納米CaCO3進(jìn)行試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)：納米CaCO3的摻量為1%左右時(shí)其抗凍、抗?jié)B等耐久性能最佳，因而選用摻量為1%。

(8) 鋼纖維。采用波紋銑削型鋼纖維，其有效直徑為0.8 mm，長(zhǎng)度為50 mm，抗拉強(qiáng)度為800 MPa。研究發(fā)現(xiàn)：纖維摻量大小對(duì)混凝土性能影響較大，當(dāng)摻量較小時(shí)隨著摻量的增加，混凝土抗凍、抗?jié)B、強(qiáng)度均有所提高，但是當(dāng)摻量增加到一定程度，隨著摻量的繼續(xù)增加，混凝土性能將有所降低，最佳摻量一般為1%左右，因而該文選用體積摻量為1%。

(9) 粉煤灰。摻入粉煤灰可有效改善混凝土孔結(jié)構(gòu)，提高其抗凍、抗?jié)B性能，但同時(shí)會(huì)略微降低混泥土的強(qiáng)度，因而應(yīng)合理選擇其摻量。研究發(fā)現(xiàn)：最佳摻量一般為10%～20%。該文選用的摻量為15%，摻量計(jì)算采用超量取代法，超量取代系數(shù)為1.2，選用的粉煤灰質(zhì)量達(dá)到Ⅰ級(jí)要求，其表觀密度為2 250 kg/m3。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

對(duì)基質(zhì)水泥混凝土及改變水灰比、摻入引氣劑、鋼纖維、粉煤灰、納米CaCO3的混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，確定的配合比設(shè)計(jì)如表2所示。其中，確定的基質(zhì)混凝土的砂率為34%，水灰比為0.40，減水劑為1.5%(占水泥質(zhì)量)，引氣劑為0.01%(占水泥質(zhì)量)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)表2配合比制備6種材料的混凝土試件，每種材料制備3組試件，每組3個(gè)，總計(jì)54個(gè)試件。試件尺寸：長(zhǎng)、寬、高分別為40、10和10 cm。試件成型后，將試件放在養(yǎng)生室養(yǎng)生28 d后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)采用鹽溶液濃度為3%的NaCl溶液。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)每種材料的第1組試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，凍融循環(huán)總次數(shù)為200次，測(cè)試每隔25次的質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈模量，200次凍融循環(huán)后測(cè)試其彎拉強(qiáng)度；第2組試件進(jìn)行100次凍融循環(huán)試驗(yàn)后測(cè)試其彎拉強(qiáng)度；第3組試件養(yǎng)生28 d后直接測(cè)試其彎拉強(qiáng)度。最后根據(jù)第3組試件的彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算第1組和第2組試件的彎拉強(qiáng)度損失率。

RT-PCR每反應(yīng)設(shè)置2個(gè)平行，以Ct平均值≤36作為有效數(shù)據(jù)判定依據(jù)；ddPCR每反應(yīng)設(shè)置3個(gè)平行，計(jì)算平均值及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD），以RSD≤25%作為有效數(shù)據(jù)判定依據(jù)。

表2 水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)每種材料的第1組試件進(jìn)行200次凍融循環(huán)試驗(yàn)，每隔25次測(cè)試其質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈模量，試驗(yàn)結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的質(zhì)量損失

由圖1、2可知：

(1) 對(duì)于基準(zhǔn)配合比的水泥混凝土，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈模量變化明顯，經(jīng)受200次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，其質(zhì)量損失為0.29%，相對(duì)動(dòng)彈模量為75.9%，鹽凍條件下水泥混凝土性能退化明顯。

(2) 水灰比由0.40降為0.38后，200次凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈模量分別為0.26%和83.5%，分別比基準(zhǔn)配合比的水泥混凝土減少10.3%和增加10.0%，混凝土抗鹽凍性能改善明顯。

(3) 當(dāng)不摻入引氣劑時(shí)，200次凍融循環(huán)作用下，混凝土的質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈模量分別為0.47%和56.2%，比基準(zhǔn)配合比的水泥混凝土分別增加62.1%和減少25.6%。由此可見，摻入引氣劑可明顯提高混凝土的抗鹽凍性能。

(4) 摻入粉煤灰時(shí)，200次凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈模量分別為0.27%和79.1%，分別比基準(zhǔn)配合比的水泥混凝土減少6.9%和增加4.2%。由此可見，摻入粉煤灰可一定程度上提高混凝土的抗鹽凍性能，但提高程度有限。

(5) 摻入鋼纖維時(shí)，200次凍融循環(huán)作用下，質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈模量分別為0.21%和66.2%，分別比基準(zhǔn)配合比的水泥混凝土減少27.6%和12.8%。由此可見，鋼纖維的摻入將一定程度上降低混凝土的密度，降低混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量，但同時(shí)可降低混凝土的質(zhì)量損失，減少混凝土的破壞，提高其抗凍性能。

(6) 摻入納米CaCO3時(shí)，200次凍融循環(huán)作用下混凝土的質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈模量分別為0.20%和88.1%，分別比基準(zhǔn)配合比的水泥混凝土減少31.0%和增加16.1%，水泥混凝土抗鹽凍性能改善效果顯著。

3.2 彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、100、200次的6種材料18組混凝土試件分別進(jìn)行彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的彎拉強(qiáng)度

由圖3可知：

(1) 當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0時(shí)，基質(zhì)混凝土、鋼纖維混凝土、納米CaCO3混凝土、變水灰比混凝土、粉煤灰混凝土和未摻引氣劑混凝土彎拉強(qiáng)度分別為6.2、7.0、6.8、6.7、5.6和6.0 MPa。由此可見：加入鋼纖維、納米CaCO3及降低水灰比將一定程度上提高混凝土的彎拉強(qiáng)度，與基質(zhì)混凝土相比分別提高12.9%、9.7%和8.1%；摻入粉煤灰及未加引氣劑時(shí)使混凝土彎拉強(qiáng)度有所降低，分別降低9.7%和3.2%。

(2) 凍融循環(huán)次數(shù)為200次時(shí)，基質(zhì)混凝土、鋼纖維混凝土、納米CaCO3混凝土、降低水灰比混凝土、粉煤灰混凝土和未摻引氣劑混凝土的彎拉強(qiáng)度損失率分別為30.6%、24.3%、26.5%、23.9%、25.0%和45%。由此可見：摻入鋼纖維、納米CaCO3、粉煤灰和引氣劑以及降低水灰比均可有效延緩凍融循環(huán)作用下彎拉強(qiáng)度的衰減，提高其抗鹽凍性能。

從彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果來看，6種材料的抗鹽凍性能優(yōu)劣對(duì)比情況為：降低水灰比混凝土>鋼纖維混凝土>粉煤灰混凝土>納米CaCO3混凝土>基質(zhì)混凝土>無(wú)引氣劑混凝土。

4 結(jié)論

(1) 凍融循環(huán)作用下，摻入引氣劑、粉煤灰、納米CaCO3、鋼纖維及降低水灰比均可減少鹽凍條件下混凝土的質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈模量的降低速度，延緩彎拉強(qiáng)度的衰減，提高季凍區(qū)混凝土的抗鹽凍性能。

(2) 摻入鋼纖維、納米CaCO3、引氣劑及降低水灰比可分別提高混凝土彎拉強(qiáng)度12.9%、9.7%、3.3%和8.1%，摻入粉煤灰使混凝土彎拉強(qiáng)度降低9.7%，因而在交通荷載等級(jí)為極重和特重的路面中不建議使用粉煤灰改善混凝土的抗鹽凍性能。

(3) 為提高季凍區(qū)水泥混凝土路面的抗鹽凍性能，在盡量加入引氣劑、降低水灰比的基礎(chǔ)上，優(yōu)先考慮摻入鋼纖維、納米材料。

通過以上研究可知：鹽凍條件下混凝土性能衰減明顯，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視，摻入減水劑、引氣劑、鋼纖維、粉煤灰、納米CaCO3均可提高水泥混凝土彎拉強(qiáng)度(除粉煤灰外)，改善其抗鹽凍性能?？墒?，任何一種措施對(duì)混凝土抗鹽凍性能的改善程度均有限，在季節(jié)性冰凍比較嚴(yán)重的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)在考慮經(jīng)濟(jì)因素的同時(shí)，采取多種技術(shù)措施，綜合改善混凝土的抗鹽凍性能。