自養(yǎng)護(hù)路面混凝土抗鹽凍性能及疲勞特性

覃 瀟，許婕婷，申愛(ài)琴，呂政樺，謝政專

(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院交通與土木建筑學(xué)院，佛山市智慧型陸地與海洋土木工程材料工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，佛山 528225；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064；3.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530007)

0 引 言

在北方寒冷地區(qū)，為防止道路冰雪致滑引起交通事故，常在路面撒除冰鹽。除冰鹽與凍融共同作用產(chǎn)生的鹽凍融循環(huán)常使水泥混凝土路面過(guò)早出現(xiàn)開(kāi)裂、松散、剝蝕等病害[1]，并在行車(chē)荷載的反復(fù)彎拉作用下產(chǎn)生荷載疲勞裂縫，危及道路行駛安全[2]。水泥混凝土自養(yǎng)護(hù)(self-curing)技術(shù)能夠通過(guò)早期自養(yǎng)護(hù)水分的釋放提升膠凝材料水化程度，增強(qiáng)材料密實(shí)度，并有效抑制早期收縮微裂紋等原始損傷，降低水泥混凝土服役期耐久性劣化風(fēng)險(xiǎn)。目前作用效果較好的自養(yǎng)護(hù)劑為高吸水性聚合物(super absorbent polymer, SAP)[3-4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在SAP自養(yǎng)護(hù)水泥混凝土抗凍性能及力學(xué)性能方面進(jìn)行了大量研究。國(guó)外Lura等[5]及國(guó)內(nèi)田園[6]、胡玉慶等[7]發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)混凝土內(nèi)SAP釋水后的原位殘留孔大多為封閉小孔，改變了混凝土原始孔結(jié)構(gòu)，起到引氣作用，從而改善抗凍性能。王德志等[8]研究表明，經(jīng)歷250次凍融循環(huán)后自養(yǎng)護(hù)水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度損失率相比基準(zhǔn)組降低了4%～8%。Espinoza-Hijazin和Lopez[9]提出，在干燥條件下，SAP自養(yǎng)護(hù)混凝土與不采取養(yǎng)護(hù)措施的水泥混凝土相比，水化程度提升了16%，同時(shí)抗壓強(qiáng)度增大了19%。張國(guó)防等[10]得出,摻加少量SAP可提高水泥混凝土強(qiáng)度，其中以抗彎拉強(qiáng)度最為明顯，最大可提高20%。

目前對(duì)于自養(yǎng)護(hù)水泥混凝土抗凍性能及力學(xué)性能的研究主要集中于大體積高強(qiáng)、超強(qiáng)結(jié)構(gòu)混凝土，尚未針對(duì)路面混凝土開(kāi)展研究。路面混凝土與結(jié)構(gòu)混凝土雖在材料上具有共性，但二者結(jié)構(gòu)體態(tài)、受力狀態(tài)及功能性存在差異，進(jìn)而自養(yǎng)護(hù)需求也存在差異[11]。水泥混凝土路面為大面積薄板結(jié)構(gòu)，在冬季經(jīng)受除冰鹽環(huán)境下的凍融循環(huán)侵蝕，并長(zhǎng)期承受車(chē)輛荷載疲勞彎拉作用，其開(kāi)裂敏感性遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)混凝土[12]。因此，在充分考慮路面混凝土固有特性的基礎(chǔ)上開(kāi)展研究，探索自養(yǎng)護(hù)參數(shù)對(duì)路面混凝土抗鹽凍性能、力學(xué)性能的影響機(jī)理，才能夠從根本上提升自養(yǎng)護(hù)效果。

綜上，本文針對(duì)路面混凝土受凍及服役特征，采用鹽凍試驗(yàn)及鹽凍前后斷裂性能試驗(yàn)，綜合評(píng)價(jià)了自養(yǎng)護(hù)路面混凝土抗鹽凍性能；基于彎拉荷載疲勞試驗(yàn)，深入探索了SAP粒徑、摻量對(duì)路面混凝土疲勞特性的影響規(guī)律；結(jié)合自養(yǎng)護(hù)水泥漿體孔隙參數(shù)、微觀形貌及骨料-水泥石界面過(guò)渡區(qū)(interfacial transition zone, ITZ)特征，揭示了SAP自養(yǎng)護(hù)對(duì)路面混凝土抗鹽凍及疲勞特性的影響機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

1.1.1 自養(yǎng)護(hù)材料

自養(yǎng)護(hù)材料選用聚丙烯酸鈉鹽SAP，分子式為(C3H3NaO2)n。選取的SAP包括20～40目(380～830 μm，簡(jiǎn)稱SAP-1)、40～80目(180～380 μm，簡(jiǎn)稱SAP-2)和100～120目(120～150 μm，簡(jiǎn)稱SAP-3)三種粒徑，其密度為0.70～0.75 g/cm3，pH值為5.5～6.8。SAP在干燥狀態(tài)下為白色粉末狀顆粒，其微觀形貌見(jiàn)圖1，在純水、水泥漿液中的吸液狀態(tài)見(jiàn)圖2。SAP-1、SAP-2和SAP-3在水膠比為0.37的水泥漿液中靜置30 min時(shí)基本達(dá)到吸液穩(wěn)定，吸液倍率分別為42.753倍、34.559倍和29.576倍，在240 min內(nèi)的保水率變化曲線見(jiàn)圖3。

圖1 干燥SAP顆粒微觀形貌Fig.1 Microscopic morphology of dried SAP particles

圖2 純水及水泥漿液中吸液飽和狀態(tài)下的SAP凝膠Fig.2 SAP gel in the saturated state of absorbentin pure water and cement slurry

圖3 SAP保水率隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線Fig.3 Variation curves of water holding ratioof SAP with curing age

1.1.2 膠凝材料及粗、細(xì)集料

水泥選用“海螺牌”P(pán)·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其組成和技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。礦物摻合料選用汕頭某公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，其化學(xué)成分和技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 水泥組成和技術(shù)指標(biāo)Table 1 Composition and technical indicators of cement

表2 粉煤灰化學(xué)成分和技術(shù)指標(biāo)Table 2 Chemical composition and technical indicators of fly ash

粗集料選用廣東省清遠(yuǎn)市某石場(chǎng)生產(chǎn)的4.75～9.50 mm和9.50～19.00 mm兩種規(guī)格的石灰?guī)r碎石，兩檔料的質(zhì)量比為1 ∶4。細(xì)集料為廣東省清遠(yuǎn)市北江河砂，中砂，細(xì)度模數(shù)為2.71。粗、細(xì)集料的表觀密度分別為2.710 g/cm3和2.625 g/cm3，含泥量分別為0.3%和0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

1.1.3 減水劑及水

減水劑采用JB-ZSC型聚羧酸高性能減水劑，減水率為26%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，含氣量為3.1%(體積分?jǐn)?shù))。水為市政自來(lái)水，符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》JGJ 63—2006中的要求。

1.1.4 試驗(yàn)配合比

路面混凝土設(shè)計(jì)抗彎拉強(qiáng)度為5.5 MPa，在前期優(yōu)化所得基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上設(shè)定試驗(yàn)方案(見(jiàn)表3)，方案中選用的SAP包括三種粒徑，對(duì)于SAP-3選取0.125%、0.145%、0.165%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)三種摻量開(kāi)展試驗(yàn)，其中S-1、S-2與S-3-0.145%組的自養(yǎng)護(hù)水引入量相同。Non-S代表基準(zhǔn)試驗(yàn)組，S-3-0.125%代表采用SAP-3且其摻量為0.125%的試驗(yàn)組。自養(yǎng)護(hù)水引入量(WIC)、SAP摻量根據(jù)SAP在30 min時(shí)的吸液倍率和公式(1)設(shè)定。

0.36≤RW/B≤0.42，R(W/B)IC=0.42-RW/B

(1)

式中：IC代表自養(yǎng)護(hù)；RW/B代表水膠比；R(W/B)IC代表自養(yǎng)護(hù)所需額外水膠比。

表3 自養(yǎng)護(hù)路面混凝土配合比Table 3 Mix proportion of self-curing pavement concrete

1.2 鹽凍試驗(yàn)及鹽凍前后斷裂性能試驗(yàn)

綜合考慮水泥混凝土路面實(shí)際冬季鹽凍環(huán)境及服役受力特征，借鑒美國(guó)ASTM C672—2003規(guī)范[13]中的凍融循環(huán)升降溫制度(慢凍法)開(kāi)展鹽凍試驗(yàn)。與該規(guī)范的不同之處在于：本試驗(yàn)選用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的長(zhǎng)方體試件，采用整體受凍模式，基于單位面積剝蝕量、相對(duì)動(dòng)彈模量及鹽凍前后的斷裂特征參數(shù)損失率來(lái)全面評(píng)價(jià)路面混凝土的抗鹽凍性能。

試驗(yàn)步驟如下：①試件成型且脫模后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件中養(yǎng)護(hù)24 d；②將試件置于4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaCl溶液中浸泡至28 d；③試驗(yàn)前測(cè)試初始質(zhì)量、動(dòng)彈模量及斷裂特征參數(shù)；④先將試件置于(-17±2.8) ℃的低溫試驗(yàn)箱內(nèi)凍結(jié)16～18 h，再于常溫(23±1.7) ℃中融化6～8 h，以上為一次循環(huán)；⑤每10次凍融循環(huán)后測(cè)試其質(zhì)量、動(dòng)彈模量及斷裂特征參數(shù)；⑥更換NaCl溶液繼續(xù)進(jìn)行凍融循環(huán)。

鹽凍前后的斷裂性能試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試(見(jiàn)圖4)，其中斷裂特征參數(shù)包含斷裂韌度及斷裂能，為保證加載過(guò)程中裂紋朝同一方向擴(kuò)展，測(cè)試前須在試件跨中底部預(yù)制1 cm的裂縫，縫寬1～2 mm。斷裂韌度、斷裂能根據(jù)式(2)～(4)進(jìn)行計(jì)算，斷裂韌度及斷裂能損失率為凍融后參數(shù)損失量占凍融前參數(shù)的比例。

(2)

(3)

式中：KIC為斷裂韌度，MPa·m1/2；Fmax為試驗(yàn)最大荷載，N；S為試件的跨度，mm；h為試件高度，mm；b為試件寬度，mm；a為預(yù)裂縫深度，mm。

(4)

式中：GF為斷裂能，N/m；W為荷載-位移曲線所圍面積與支座間試件所做功之和，N·mm；W0為荷載-位移曲線所圍面積，N·mm；m為支座間試件的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；δ0為跨中最大位移，mm；Alig為韌帶面積，mm2；P為荷載，N；δ為跨中位移，mm。

圖4 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)Fig.4 Three point bending test

1.3 彎拉荷載疲勞試驗(yàn)

彎拉荷載疲勞試驗(yàn)在100 kN的MTS Landmark萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行?？紤]水泥混凝土路面實(shí)際受力狀態(tài)(受荷波形及車(chē)速)，試驗(yàn)選擇正弦波三分點(diǎn)加載，加載頻率為10 Hz，低高應(yīng)力比為0.1，疲勞荷載水平選取0.50、0.65和0.80，加載模式選用控制應(yīng)力模式，疲勞失效判定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為試件斷裂。

1.4 掃描電鏡(SEM)與壓汞(MIP)試驗(yàn)

采用SEM對(duì)水泥混凝土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，同時(shí)使用配套的EDS能譜測(cè)試Ca/Si(摩爾比)值沿骨料-水泥石ITZ的分布規(guī)律，進(jìn)而計(jì)算ITZ寬度。

借助AutoPore IV 9510型全自動(dòng)壓汞儀對(duì)水泥混凝土孔隙參數(shù)(總孔隙面積、平均孔徑等)和孔徑分布參數(shù)(孔級(jí)配)進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算。孔徑測(cè)試范圍為0.003～1 000 μm。

2 結(jié)果與討論

2.1 基于單位面積剝蝕量及相對(duì)動(dòng)彈模量的抗鹽凍性能分析

圖5為各試驗(yàn)組經(jīng)不同次數(shù)鹽凍融后的單位面積剝蝕量與相對(duì)動(dòng)彈模量測(cè)試結(jié)果。

圖5 單位面積剝蝕量與相對(duì)動(dòng)彈模量隨鹽凍次數(shù)的變化規(guī)律Fig.5 Variation of mass loss per unit area and relative dynamic elasticity modulus with the times of salt freeze-thaw cycles

由圖5(a)可見(jiàn)，自養(yǎng)護(hù)組的單位面積剝蝕量均小于基準(zhǔn)組，且單位面積剝蝕量隨SAP粒徑增加而增大。經(jīng)60次凍融循環(huán)后，S-1、S-2、S-3-0.145%自養(yǎng)護(hù)組的單位面積剝蝕量分別比基準(zhǔn)組降低了20.13%、30.72%、42.78%。S-1、S-3-0.145%試驗(yàn)組經(jīng)60次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈模量分別比基準(zhǔn)組提升了17.81%和26.47%，能夠大幅提升水泥混凝土抗鹽凍性能。然而，S-1組的相對(duì)動(dòng)彈模量值在凍融循環(huán)10～50次之間均小于基準(zhǔn)組。究其原因，SAP-1粒徑相對(duì)較大，其在基體內(nèi)部形成了較大殘留孔洞，致使該孔洞與周邊細(xì)小毛細(xì)孔相連通?；跐B透壓理論可知，孔徑越大，孔中溶液結(jié)冰點(diǎn)越高。尤其對(duì)于鹽溶液，具有較高的吸濕性和保水性，會(huì)大幅提高孔隙飽水程度，當(dāng)殘留孔中水分因結(jié)冰而造成其蒸汽壓下降時(shí)，小毛細(xì)孔中未結(jié)冰的鹽溶液會(huì)向殘留孔中滲透，進(jìn)一步增大滲透壓，致使結(jié)構(gòu)破壞。

由圖5(b)可看出，SAP摻量對(duì)單位面積剝蝕量及相對(duì)動(dòng)彈模量影響較小。單位面積剝蝕量隨SAP摻量的增大而逐漸減小，相對(duì)動(dòng)彈模量隨SAP摻量的增大而增大。結(jié)合圖6中基準(zhǔn)組、S-2、S-3-0.125%、S-3-0.145%組的孔隙參數(shù)及圖7中大孔、毛細(xì)孔、過(guò)渡孔、凝膠孔的孔徑分布參數(shù)隨鹽凍融循環(huán)次數(shù)的變化開(kāi)展進(jìn)一步分析。

由圖6可見(jiàn)，凍融循環(huán)前自養(yǎng)護(hù)組的總孔隙面積均大于基準(zhǔn)組，相反S-2、S-3-0.125%、S-3-0.145%組平均孔徑僅為基準(zhǔn)組的84.12%、50.0%和39.4%，說(shuō)明SAP-2和SAP-3能夠有效細(xì)化混凝土內(nèi)部孔隙，其所產(chǎn)生的殘留孔可能多以封閉孔的形式存在，進(jìn)而降低結(jié)冰點(diǎn)，且能夠起到引氣作用，從而釋放了孔中拉應(yīng)力。當(dāng)試件經(jīng)歷30次凍融循環(huán)后，S-2、S-3-0.125%、S-3-0.145%組的總孔隙面積分別為基準(zhǔn)組的1.11倍、1.58倍和2.03倍，而平均孔徑為基準(zhǔn)組的90.15%、81.08%和79.2%。即SAP在混凝土凍融30次后起到了優(yōu)良的孔隙細(xì)化作用，其中S-3-0.145%組的細(xì)化效果最佳，其次是S-3-0.125%和S-2組。此外，說(shuō)明SAP摻量越多，自養(yǎng)護(hù)區(qū)域范圍越大，孔隙越密實(shí)，在凍融過(guò)程中SAP吸收的鹽溶液總量越多，滲入混凝土內(nèi)部的阻力相對(duì)更大，促使抗鹽凍性能提高。

圖6 孔隙參數(shù)隨鹽凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律Fig.6 Variation of pore parameters with the times of salt freeze-thaw cycles

由圖7可知，各自養(yǎng)護(hù)組在凍融20次、30次后的大孔、毛細(xì)孔含量明顯小于基準(zhǔn)組，且過(guò)渡孔、凝膠孔數(shù)量顯著增大，過(guò)渡孔、凝膠孔可起到“引氣抗凍”的作用，其中S-3-0.145%組對(duì)大孔和毛細(xì)孔含量的整體減少程度最大。

圖7 孔徑分布參數(shù)隨鹽凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律Fig.7 Variation of pore size distribution parameterswith the times of salt freeze-thaw cycles

2.2 鹽凍前后斷裂特征參數(shù)損失率變化規(guī)律及抗鹽凍機(jī)理分析

鹽凍融前后路面混凝土的斷裂韌度損失率及斷裂能損失率計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)圖8(a)，SAP粒徑越小，各凍融次數(shù)條件下試件斷裂韌度損失率越小。相比基準(zhǔn)組，SAP-3顯著降低了斷裂韌度損失率，S-3-0.145%組在凍融20次、30次時(shí)的斷裂韌度損失率分別比基準(zhǔn)組降低了23.07%、25.25%；S-1和S-2組在凍融20次時(shí)的斷裂韌度損失率分別比基準(zhǔn)組降低了2.00%和13.01%；在凍融30次后，S-1組的斷裂韌度損失率大于基準(zhǔn)組，而S-2組的斷裂韌度損失率仍小于基準(zhǔn)組。為進(jìn)一步分析出現(xiàn)上述結(jié)果的原因，采用SEM對(duì)路面混凝土28 d微觀形貌及凍融后微觀形貌進(jìn)行表征，如圖9所示。

結(jié)合圖9可分析出，在相同的自養(yǎng)護(hù)引水量下，SAP-3粒徑微小且數(shù)量最多，其殘留孔相比SAP-1、SAP-2更容易被C-S-H凝膠等豐富的水化產(chǎn)物所填充(見(jiàn)圖9(b)～(d))，并促進(jìn)孔周邊區(qū)域水泥石孔隙的細(xì)化，致使孔中液體的結(jié)冰點(diǎn)降低。推斷SAP能夠在混凝土融化過(guò)程中吸收部分鹽溶液，降低水泥石中的Cl-濃度，從而減少因Ca(OH)2與鹽類(lèi)反應(yīng)造成的化學(xué)腐蝕，降低混凝土孔隙飽水程度、滲透壓及鹽溶液的膨脹程度，減少凍融微裂紋的數(shù)量(見(jiàn)圖9(e)、(f))。

圖9 路面混凝土28 d微觀形貌及凍融后微觀形貌Fig.9 Micrographs of self-curing pavement concrete at 28 d and after freeze-thaw cycles

從圖8(b)中可知，采用SAP-3時(shí)混凝土的斷裂能損失率最低，凍融20次和30次條件下分別比基準(zhǔn)組降低了11.86%和10.51%?；谝延醒芯縖14-15]分析，其原因是普通混凝土中的ITZ普遍存在Ca(OH)2板狀晶體富集、定向排列的現(xiàn)象，該區(qū)域材料水膠比較高且孔隙較多，在承受荷載時(shí)裂縫常沿著ITZ區(qū)域迅速擴(kuò)展。當(dāng)摻入SAP后，SAP能夠在拌和初期吸持部分ITZ水分，降低該區(qū)域水膠比，打破Ca(OH)2晶體定向排列的規(guī)律，并在養(yǎng)護(hù)期對(duì)該區(qū)域進(jìn)行釋水養(yǎng)護(hù)，使ITZ結(jié)構(gòu)更加密實(shí)堅(jiān)固，從而減小鹽凍后的斷裂能損失率。

SAP-3摻量越大，斷裂韌度損失率越低，這歸因于SAP-3對(duì)混凝土優(yōu)良的水化填充及引氣效應(yīng)，且隨著SAP-3摻量的增大，凍融后混凝土的斷裂能損失率逐漸降低。

2.3 不同荷載水平下自養(yǎng)護(hù)路面混凝土疲勞特性及機(jī)理研究

2.3.1 SAP粒徑對(duì)疲勞壽命的影響規(guī)律

不同粒徑SAP自養(yǎng)護(hù)路面混凝土的疲勞壽命如表4所示。

表4 不同粒徑SAP自養(yǎng)護(hù)路面混凝土疲勞荷載加載次數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Fatigue load test results of self-curing pavement concrete with SAP of different particle sizes

由表4可見(jiàn)，應(yīng)力水平越高，SAP對(duì)路面混凝土疲勞壽命提升比例越顯著。S-2及S-3-0.145%組在各應(yīng)力水平下的疲勞壽命均高于基準(zhǔn)組，其中S-2組在應(yīng)力水平為0.50、0.65和0.80時(shí)的疲勞壽命分別比基準(zhǔn)組提高了6.86%、47.86%和2.45倍，S-3-0.145%組在不同應(yīng)力水平下分別比基準(zhǔn)組提高了25.99%、1.05倍和2.65倍，S-3-0.145%組的疲勞壽命最高，而S-1組在應(yīng)力水平為0.50、0.65和0.80時(shí)的疲勞壽命僅為基準(zhǔn)組的50.75%、65.68%和54.15%。

影響自養(yǎng)護(hù)路面混凝土疲勞特性的因素主要包括兩個(gè)方面，一是自養(yǎng)護(hù)水分對(duì)水泥混凝土的水化填充程度，二則為ITZ特征。因此，結(jié)合SAP殘留孔隙水化填充微觀形貌圖(見(jiàn)圖9(b)～(d))和圖10中的ITZ形貌、Ca/Si值沿骨料-ITZ-水泥石路徑的變化圖，對(duì)自養(yǎng)護(hù)路面混凝土疲勞壽命的影響機(jī)理進(jìn)行分析。

圖10 ITZ微觀形貌、掃描路徑及相應(yīng)Ca/Si值Fig.10 Microstructure, scanning path and Ca/Si value of ITZ

由圖9(c)、(d)孔內(nèi)微觀形貌可見(jiàn)，S-2、S-3-0.145%組中的自養(yǎng)護(hù)水化產(chǎn)物能夠均勻填充孔隙，并形成較為密實(shí)的微觀結(jié)構(gòu)；圖9(b)中S-1組殘留孔則較大，且C-S-H、Ca(OH)2等水化產(chǎn)物未密實(shí)填充該孔洞，材料結(jié)構(gòu)較為疏松，導(dǎo)致疲勞壽命降低。

SAP-2、SAP-3在拌和初期保水性能優(yōu)良(見(jiàn)圖3)，在新拌混凝土中會(huì)吸收部分拌和水(包括聚集在ITZ區(qū)域中的水膜)，從而降低ITZ區(qū)域水膠比，同時(shí)破壞Ca(OH)2晶體的擇優(yōu)取向。其次，在硬化后持續(xù)釋放水分，供未水化水泥及粉煤灰顆粒進(jìn)行二次水化，促進(jìn)ITZ區(qū)域C-S-H凝膠的產(chǎn)生，消耗部分Ca(OH)2(Ca(OH)2易產(chǎn)生層狀解理，聯(lián)結(jié)性較弱)，降低孔隙率及裂紋擴(kuò)展速率。而SAP-1保水性能相對(duì)較弱(見(jiàn)圖3)，推測(cè)其早期會(huì)在ITZ區(qū)域釋放部分水分，削弱其優(yōu)化作用。

由圖10發(fā)現(xiàn):基準(zhǔn)組試件在ITZ區(qū)域處存在明顯裂縫，S-2組試件裂紋則較淺，而S-3組試件水泥石與骨料之間的粘結(jié)性優(yōu)良，未見(jiàn)裂紋；再由圖中Ca/Si值計(jì)算得出，S-2(48 μm)和S-3-0.145%(37 μm)組試件的ITZ區(qū)域?qū)挾葍H為Non-S基準(zhǔn)組試件(75 μm)的64.00%和49.33%。以上特征均證明了小粒徑SAP能夠增強(qiáng)ITZ區(qū)域密實(shí)度，并降低其寬度。

為證實(shí)小粒徑SAP對(duì)路面混凝土ITZ區(qū)域性能的改善作用，對(duì)應(yīng)力水平為0.65時(shí)不同SAP粒徑試件疲勞破壞時(shí)的斷面圖進(jìn)行觀察，如圖11所示?？梢?jiàn)，基準(zhǔn)組和S-1組試件的疲勞裂紋均沿ITZ區(qū)域擴(kuò)展延伸，而S-2、S-3-0.145%組試件則從骨料中心斷裂，充分證實(shí)了SAP-2、SAP-3對(duì)ITZ區(qū)域物理力學(xué)性能的優(yōu)化作用。

圖11 不同SAP粒徑下自養(yǎng)護(hù)路面混凝土疲勞裂紋斷裂特征圖Fig.11 Fatigue crack fracture characteristics images of self-curing pavement concrete with SAP of different particle sizes

2.3.2 SAP摻量對(duì)疲勞壽命的影響規(guī)律

不同摻量SAP自養(yǎng)護(hù)路面混凝土的疲勞壽命如表5所示。

表5 不同摻量SAP自養(yǎng)護(hù)路面混凝土疲勞荷載加載次數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Fatigue load test results of self-curing pavement concrete with SAP of different dosages

由表5可見(jiàn)，路面混凝土疲勞壽命隨SAP-3摻量的增加而增大，且在各應(yīng)力水平下均優(yōu)于基準(zhǔn)組，其中S-3-0.125%組在應(yīng)力水平為0.50、0.65和0.80時(shí)的疲勞壽命分別比基準(zhǔn)組提高了20.45%、77.77%和2.7倍，S-3-0.145%組分別比基礎(chǔ)組提高了25.99%、1.05倍和2.65倍。提升效果最明顯的是S-3-0.165%組，分別比基準(zhǔn)組提高了49.37%、1.13倍和3.09倍。

由試驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為，在合理的SAP粒徑下，隨著摻量增加，早期在ITZ區(qū)域吸持的水分越多，致使該區(qū)域更加密實(shí)。由應(yīng)力水平為0.65時(shí)各SAP摻量下試件疲勞破壞時(shí)的斷面圖(見(jiàn)圖12)可發(fā)現(xiàn)，SAP摻量越大，試件沿骨料斷裂的面積越大，即ITZ區(qū)域物理力學(xué)性能越好，進(jìn)而提升路面混凝土疲勞壽命。

圖12 不同SAP摻量下自養(yǎng)護(hù)路面混凝土疲勞裂紋斷裂特征圖Fig.12 Fatigue crack fracture characteristics images of self-curing pavement concrete with SAP of different dosages

3 結(jié) 論

(1)SAP-2、SAP-3能夠有效降低自養(yǎng)護(hù)路面混凝土單位面積剝蝕量，提升相對(duì)動(dòng)彈模量；經(jīng)60次鹽凍融循環(huán)后，S-3-0.145%組單位面積剝蝕量比基準(zhǔn)組降低了42.78%，相對(duì)動(dòng)彈模量提升了26.47%；單位面積剝蝕量及相對(duì)動(dòng)彈模量均隨SAP摻量的增大而改善。

(2)SAP粒徑越小，凍融后的斷裂韌度及斷裂能損失率越??；S-3-0.145%組在凍融20次、30次時(shí)的斷裂韌度損失率分別比基準(zhǔn)組降低了23.07%、25.25%，同時(shí)斷裂能損失率分別降低了11.86%和10.51%；自養(yǎng)護(hù)能夠?qū)紫镀鸬絻?yōu)良的細(xì)化作用，同時(shí)SAP殘留封閉孔可起到引氣作用，并通過(guò)融化過(guò)程中的二次吸液作用減少凍融微裂紋數(shù)量，增強(qiáng)抗鹽凍性能。

(3)應(yīng)力水平越高，較小粒徑SAP對(duì)疲勞特性的提升效果越顯著；S-3-0.145%組在應(yīng)力水平為0.50、0.65、0.80時(shí)的疲勞壽命分別比基準(zhǔn)組提升了25.99%、1.05倍和2.65倍；較小粒徑SAP能夠改善ITZ區(qū)域物理力學(xué)性能，降低該區(qū)域水膠比，破壞Ca(OH)2晶體的擇優(yōu)取向，促進(jìn)C-S-H的產(chǎn)生，從而增強(qiáng)水泥石和骨料之間的粘結(jié)性。