龔 英, 閆 濤

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

我國(guó)某些高寒地區(qū)因受凍融影響其道面僅使用了3～5 a就陸續(xù)開始出現(xiàn)凍壞現(xiàn)象,進(jìn)而降低了道面的使用年限,明顯影響到其使用安全[1]。因此,在高寒地區(qū)提高混凝土的抗凍能力是延長(zhǎng)道面混凝土壽命的關(guān)鍵,也是目前高寒地區(qū)道面混凝土亟需解決的問題之一。

目前關(guān)于如何改善混凝土抗凍性的研究對(duì)象多集中于常態(tài)混凝土,其主要技術(shù)手段表現(xiàn)在:(1)適量增加水泥用量,如肖巍等人[2]研究了不同水泥用量對(duì)常態(tài)混凝土抗凍性能的影響,研究結(jié)果表明當(dāng)水泥用量低于350 kg/m3,水泥用量的增加會(huì)提高混凝土的抗凍性能;當(dāng)水泥用量高于350 kg/m3,水泥用量的增加對(duì)其抗凍性能影響不大。(2)適量提高砂率,如翁興中等人[3]研究了不同砂率對(duì)道面混凝土抗凍性能的影響,當(dāng)混凝土砂率低于30%,隨著砂率的增長(zhǎng)混凝土的抗凍性能亦增加;當(dāng)砂率高于30%,隨著砂率的增加,其混凝土的抗凍性能降低。(3)降低水膠比,如曹秀麗等人[4]對(duì)不同強(qiáng)度混凝土(不同水膠比)的抗凍性能進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明強(qiáng)度高的混凝土抗凍性能更好。(4)適量提高含氣量,如王慶石等人[5]對(duì)混凝土含氣量與抗凍性能的關(guān)系進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明混凝土含氣量增加可以使混凝土孔隙率、總孔體積、總孔面積增大,使平均孔徑、孔間距系數(shù)減小,孔徑均勻分布,能夠顯著改善混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),從而提高混凝土的抗凍性,但需兼顧混凝土強(qiáng)度的降低。

但目前對(duì)道面混凝土這類干硬性混凝土抗凍性能的研究相對(duì)較少。筆者認(rèn)為:對(duì)于道面混凝土這類干硬性混凝土可以借鑒常態(tài)混凝土的技術(shù)思路,試驗(yàn)研究水膠比、砂率、膠材用量和含氣量等因素,對(duì)凍融過程中道面混凝土試塊質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模的變化規(guī)律,從而為道面混凝土的高抗凍性設(shè)計(jì)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。本文闡述了具體的研究思路和方法。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 研究思路

為考察高寒地區(qū)道面混凝土的抗凍性,設(shè)計(jì)出不同含氣量、水膠比、砂率及膠材用量(編號(hào)分別為A、W、S和C)的混凝土,在歷經(jīng)凍融300次后測(cè)試其混凝土表面剝落質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈模并探究上述參數(shù)對(duì)混凝土抗凍性的影響。

2.2 原材料

水泥:祁連山P·O42.5低堿水泥。祁連山P·O42.5低堿水泥的物理性能指標(biāo)見表1。

表1 祁連山P·O42.5低堿水泥物理性能指標(biāo)表

細(xì)骨料:天然砂,細(xì)度模數(shù)為3,含泥量為1.5%,屬中砂。

粗骨料:花崗質(zhì)初糜棱巖,其分三種粒徑:大石為16～31.5 mm、中石為10～20 mm、小石為5～10 mm;且其大石∶中石∶小石=7∶2∶1,壓碎值為6%。

外加劑:使用北京安建世紀(jì)科技發(fā)展有限公司出品的高效減水劑,摻量為1.5%;引氣劑摻量為0.15‰。

2.3 試驗(yàn)方法

抗折試驗(yàn):試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm,按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081-2019[6]的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

快速凍融試驗(yàn):試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm,按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50082[7]的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

3 試驗(yàn)成果及分析

3.1 抗折強(qiáng)度

抗折強(qiáng)度是道面混凝土設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一,根據(jù)《軍用場(chǎng)道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GJB 1112A-2004[8]要求所配制的混凝土抗折強(qiáng)度需達(dá)到6.0 MPa。道面混凝土抗折強(qiáng)度見表2。

表2 道面混凝土抗折強(qiáng)度表

試驗(yàn)結(jié)果表明:水膠比為0.37、0.38和0.39的混凝土(W1、W2、W3)28 d抗折強(qiáng)度分別為6.6 MPa、6.4 MPa、6.1 MPa;與水膠比為0.39的混凝土相比,其水膠比降低至0.38和0.37,混凝土抗折強(qiáng)度分別增長(zhǎng)4.9%和8.2%。

砂率為30%的道面混凝土(S2)7 d、28 d抗折強(qiáng)度分別為5.2 MPa、6.5 MPa;砂率降低至28%時(shí),道面混凝土(S1)7 d、28 d抗折強(qiáng)度分別降低至5.0 MPa、6.4 MPa。由此可見:砂率降低能夠增加混凝土的抗折強(qiáng)度。因此,在滿足混凝土和易性時(shí)宜適量降低混凝土砂率。

當(dāng)含氣量分別為3.0%、4.0%和5.0%時(shí),其道面混凝土(A1、A2、A3)28 d抗折強(qiáng)度分別為6.6 MPa、6.4 MPa和5.9 MPa;含氣量為3%～4%時(shí)其混凝土抗折強(qiáng)度差異不大;當(dāng)含氣量增加至5%時(shí),混凝土抗折強(qiáng)度明顯降低。

3.2 抗凍性

3.2.1 水膠比

為探究不同水膠比對(duì)道面混凝土抗凍性能的影響,此次研究的水膠比為0.37、0.38和0.39的道面混凝土在300次凍融循環(huán)過程中其試件的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量的變化趨勢(shì)見圖1和圖2。

圖1 水膠比對(duì)試塊凍融質(zhì)量損失率的變化趨勢(shì)圖

圖2 水膠比對(duì)試塊相對(duì)動(dòng)彈模量的變化趨勢(shì)圖

300次凍融后,水膠比為0.39、0.38和0.37的混凝土試件損失率分別為2.8%、1.9%和1.6%。與水膠比為0.37相比,水膠比增加至0.39和0.38,其混凝土質(zhì)量損失率分別增長(zhǎng)了68%和15%。由此可見:混凝土的質(zhì)量損失率隨水膠比的增大而增大。這是因?yàn)樗z比越大,混凝土強(qiáng)度越低;混凝土內(nèi)的孔隙越多,由于凍融循環(huán)時(shí)混凝土內(nèi)的水結(jié)冰產(chǎn)生的體積增長(zhǎng)會(huì)在混凝土內(nèi)部形成膨脹力,因此,試塊在凍融過程中其剝落質(zhì)量會(huì)越多,質(zhì)量損失率越大。

經(jīng)仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn):道面混凝土在前75次凍融循環(huán)中試塊質(zhì)量不僅沒有降低,反而出現(xiàn)了輕微增長(zhǎng),這種現(xiàn)象在75次凍融后也偶爾出現(xiàn)。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能有以下兩點(diǎn):(1)祁連山低堿水泥中的硅酸二鈣(C2S)含量為25%,其水化速度較慢,水化28 d時(shí)并未完全反應(yīng)(與表1中水泥28 d到90 d的水泥強(qiáng)度依舊增長(zhǎng)的現(xiàn)象吻合);在凍融過程中其水化反應(yīng)如方程(1)所示,每1 moL的C2S與2 moL水反應(yīng),生成1 moL水化硅酸鈣(CSH)和1 moL氫氧化鈣,C2S的水化過程消耗了外界水,生成含有結(jié)晶水的水化產(chǎn)物,此過程會(huì)增加試塊質(zhì)量。(2)凍融過程中,正溫下的混凝土根據(jù)毛細(xì)孔效應(yīng)其水分會(huì)從小孔向大孔遷移;負(fù)溫下毛細(xì)孔中的自由水開始結(jié)冰,基體中連接毛細(xì)管的氣孔(引氣劑引出的氣泡,孔徑為0.1～0.2 mm)可提供有效的壓力“逃逸邊界”,冰晶會(huì)擠壓毛細(xì)管而產(chǎn)生水壓,部分毛細(xì)孔中的水通過水壓進(jìn)入小氣孔中,當(dāng)溫度再次恢復(fù)正溫時(shí),小氣孔中的水不易遷移,因此而增加了試塊質(zhì)量。

2(2CaO·SiO2)+4H20=3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

(1)

當(dāng)水膠比≥0.38,凍融循環(huán)次數(shù)超過125次,其混凝土試件的質(zhì)量損失率曲線隨水膠比的增大而陡增,而水膠比為0.37的試件質(zhì)量損失率則相對(duì)較為緩慢的增長(zhǎng),說明水膠比大于0.38的混凝土后期(凍融循環(huán)>125次)的質(zhì)量損失會(huì)快速增長(zhǎng),從而不利于混凝土的長(zhǎng)期抗凍性。因此,為保證混凝土具有優(yōu)異的長(zhǎng)期抗凍性,其水膠比宜小于0.38。

在凍融次數(shù)為前75次時(shí),不同水膠比的混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。這與圖1中的現(xiàn)象相吻合,表明凍融前期水泥還在水化、增強(qiáng)混凝土基體的密實(shí)性;盡管凍融過程會(huì)破壞其基體內(nèi)部結(jié)構(gòu),但凍融前期混凝土的整體結(jié)構(gòu)較密實(shí),水泥水化對(duì)整體結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)程度大于凍融破壞程度,因此,凍融早期其相對(duì)動(dòng)彈模量增加。隨著凍融次數(shù)的增加,水泥水化速率緩慢,對(duì)基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)程度降低,此時(shí),凍融過程對(duì)基體破壞的程度較大,混凝土相對(duì)動(dòng)彈模降低。

凍融300次后,水膠比為0.39、0.38和0.37的混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量為72.5%、75.9%和78.0%,表現(xiàn)為混凝土水膠比越大,凍融過程相對(duì)動(dòng)彈模量損失越大;300次凍融循環(huán)后,水膠比為0.37至0.39的道面混凝土試塊質(zhì)量損失率均小于3%,相對(duì)動(dòng)彈模量均大于70%,滿足《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50082-2019中要求試塊質(zhì)量損失率不大于5.0%、相對(duì)動(dòng)彈模量不小于60%的要求。說明上述3配比的混凝土具有良好的抗凍性能。

3.2.2 砂率

為探究砂率對(duì)混凝土抗凍性的影響,試驗(yàn)研究中采用砂率為28%和30%的道面混凝土在抗凍過程中的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量的變化規(guī)律見圖3和圖4。

圖3 砂率對(duì)試塊凍融質(zhì)量損失率的變化趨勢(shì)圖

圖4 砂率對(duì)試塊凍融相對(duì)動(dòng)彈模量的變化趨勢(shì)圖

由圖3可知:砂率為28%和30%的混凝土在凍融循環(huán)300次后,其質(zhì)量損失率分別為1.3%和1.9%,故低砂率有利于混凝土的抗凍性。由于晶面過渡區(qū)是混凝土最薄弱的環(huán)節(jié),水泥石與骨料接觸部位的水灰比會(huì)增加而產(chǎn)生較多的空隙、形成有害介質(zhì)通道,因此,混凝土的砂率越低其晶面過渡區(qū)就越少;同時(shí),Ca(OH)2在晶面過渡區(qū)的富集各向異性排列也會(huì)導(dǎo)致混凝土易受凍害,因此,低砂率(28%)混凝土具有更好的抗凍性能。另外,混凝土基體中骨料表面積越大,其消耗包裹骨料的水泥漿就越多;而未被水泥漿包裹的骨料在其抗凍過程中缺少水泥石的保護(hù)、導(dǎo)致其抗凍性能下降,故低砂率(28%)混凝土的抗凍性能更優(yōu)異。

由圖4可以看出:凍融300次后,28%砂率的混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量為78%,高于30%砂率的混凝土。低砂率(28%)混凝土晶面過渡區(qū)表面積小,抗凍過程中有害介質(zhì)通道較少,整體結(jié)構(gòu)更致密,故其相對(duì)動(dòng)彈模量較高。

綜上所述,盡管高砂率會(huì)增加混凝土基體質(zhì)量的損失率、降低其相對(duì)動(dòng)彈模量,但從整體來看其降低幅度并不大。因此,為了更好地滿足拌合物性能、方便施工,對(duì)于道面混凝土可適當(dāng)提高其砂率。上述配比砂率為28%～30%的道面混凝土的抗凍性指標(biāo)均滿足《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50082-2019的要求。

3.2.3 膠材用量

為明晰膠材用量對(duì)道面混凝土抗凍性的影響,試驗(yàn)研究了300 kg/m3、310 kg/m3和330 kg/m3水泥用量的道面混凝土經(jīng)300次凍融后對(duì)試件性能的影響,其結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 膠材用量對(duì)試塊凍融質(zhì)量損失率的變化趨勢(shì)圖

圖6 膠材用量對(duì)試塊凍融相對(duì)動(dòng)彈模量的變化趨勢(shì)圖

從圖5可以看出:隨著膠材用量的增加,混凝土抗凍性越好。在前200次凍融循環(huán)過程中,不同膠材用量的混凝土質(zhì)量損失率無明顯區(qū)別;隨著凍融次數(shù)的增加,膠材用量越低,混凝土的質(zhì)量損失率越大。膠材用量低時(shí),混凝土基體骨料間的漿體不足,從而不能有效填充骨料間的空隙,導(dǎo)致基體存在較多連通性大的孔隙率,增加了有害介質(zhì)的通道;在抗凍過程水飽和狀態(tài)下,混凝土孔隙率(有害孔)較多導(dǎo)致基體含水率較多,負(fù)溫時(shí)其基體內(nèi)部的水結(jié)冰產(chǎn)生凍脹力,且基體內(nèi)部凝結(jié)與未凝結(jié)的水之間產(chǎn)生滲透壓,因此而降低了混凝土的抗凍性。

由圖6得知:經(jīng)過300次凍融循環(huán)后,膠材用量為300 kg/m3、310 kg/m3和330 kg/m3的試件相對(duì)動(dòng)彈模量分別為61.3%、70.3%和75.9%。由此可見:膠材用量的增加會(huì)明顯提高混凝土的抗凍性;膠材用量的增加會(huì)使混凝土基體內(nèi)部更加密實(shí),進(jìn)而減少基體裂縫的數(shù)量與長(zhǎng)度或?qū)挾?。凍融過程中,水在基體裂縫或大孔隙中結(jié)冰、再溶解而產(chǎn)生的體積膨脹力和滲透壓會(huì)增加裂縫長(zhǎng)度和寬度,破壞混凝土的整體密實(shí)性,降低混凝土的動(dòng)彈模量;基體中裂縫越少,凍融過程中產(chǎn)生凍脹力和滲透壓的位點(diǎn)越少,凍融對(duì)混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模損害越低。因此,膠材用量越多,經(jīng)凍融循環(huán)后其混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模損失越少。

3.2.4 含氣量

引氣已被證實(shí)是減少混凝土冰凍劣化的一個(gè)有效方法。此次研究探究了引氣劑引入氣體(粒徑為0.1～0.2 mm)含氣量的大小對(duì)道面混凝土抗凍性能的影響,經(jīng)凍融循環(huán)300次后,試塊的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量變化趨勢(shì)見圖7與圖8。

圖7 含氣量對(duì)試塊凍融質(zhì)量損失率的變化趨勢(shì)圖

圖8 含氣量對(duì)試塊凍融相對(duì)動(dòng)彈模量的變化趨勢(shì)圖

圖7表明:凍融300次期間,隨著混凝土含氣量的增加,試塊質(zhì)量損失率降低;含氣量高的混凝土具有更好的抗凍性能。引氣劑引入的氣體其氣泡粒徑小且不連續(xù);混凝土內(nèi)部含氣量越多,氣泡分布越密集,凍融過程中這些密閉性粒徑小的氣泡可分散孔隙水壓力,從而抵消凍脹力。在進(jìn)行道面混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意:含氣量的增加會(huì)降低混凝土的力學(xué)性能。因此,在改善混凝土抗凍性的同時(shí),應(yīng)首先考慮力學(xué)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

由圖8得知:凍融過程中混凝土含氣量的增加會(huì)增加其相對(duì)動(dòng)彈模量,從而使混凝土整體更密實(shí)。含氣量的增加會(huì)分散凍融過程中試塊受到的水壓力,降低混凝土內(nèi)部裂縫的數(shù)量,減小橫向基頻。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn):隨著含氣量的增加,試塊前期動(dòng)彈模量亦在增加,這可能是所引入的大量微氣體均勻地分布在混凝土內(nèi)部使其整體更加均勻、規(guī)整的緣故。

4 結(jié) 語

此次通過不同水膠比、砂率、膠材用量和含氣量對(duì)高寒地區(qū)道面混凝土抗凍性能影響進(jìn)行研究取得的結(jié)果為:

(1)道面混凝土水膠比越低,其凍融過程質(zhì)量損失率越低;相對(duì)動(dòng)彈模量增加,其抗凍性能越好。相較于高砂率的道面混凝土,低砂率的混凝土抗凍性能更優(yōu)異。

(2)膠材用量為300 kg/m3、310 kg/m3和330 kg/m3,300次凍融循環(huán)后,其試件質(zhì)量損失率分別為3.2%、2.7%和1.9%,相對(duì)動(dòng)彈模量分別為61.3%、70.3%和75.9%。膠材用量的增加有利于道面混凝土的抗凍性能。

(3)含氣量為3.0%、4.0%和5.0%的道面混凝土經(jīng)300次凍融循環(huán)后,混凝土試塊的質(zhì)量損失率為2.5%、1.9%和1.3%,相對(duì)動(dòng)彈模量分別為66.4%、75.9%和79.0%。由此可見:高含氣量混凝土具有更優(yōu)異的抗凍性能。