收稿日期：2024-01-11

作者簡(jiǎn)介：吳廷科（1986—），男，本科，工程師，研究方向：試驗(yàn)檢測(cè)。

摘要 為進(jìn)一步探究高寒地區(qū)高速公路工程建設(shè)中水泥混凝土抗凍融技術(shù)的提升策略，文章結(jié)合該情況下混凝土存在明顯凍融循環(huán)過(guò)程的現(xiàn)狀，考慮應(yīng)用續(xù)玄武巖纖維（CBF）為摻雜料以增強(qiáng)混凝土抗凍融性能。并通過(guò)多組平行實(shí)驗(yàn)對(duì)混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定當(dāng)CBF摻雜量為0.3%時(shí)，所制備的水泥混凝土在保證抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，具有相對(duì)較高的抗凍融能力。從實(shí)際測(cè)試結(jié)果也可以看出，按照該配方制備的混凝土在綜合性能上較具優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞 高速公路工程；水泥混凝土；抗凍融

中圖分類號(hào) TU528文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）09-0122-03

0 前言

在很多地區(qū)的高速公路工程建設(shè)中，受到季節(jié)變化的影響，工程所用混凝土都存在明顯的凍融循環(huán)過(guò)程，長(zhǎng)此以往則容易出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性較為不利。針對(duì)這一問(wèn)題，其關(guān)鍵在于結(jié)合具體的應(yīng)用環(huán)境，合理調(diào)整混凝土的配合比，以確?；炷敛牧显诳箟簭?qiáng)度等指標(biāo)滿足需要的同時(shí)，具有更高的抗凍融能力。

1 實(shí)驗(yàn)材料及配合比設(shè)計(jì)

該文主要針對(duì)某高寒地區(qū)高速公路工程建設(shè)中使用的C30混凝土進(jìn)行研究。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，為提升該工程中的混凝土抗凍融性能，以連續(xù)玄武巖纖維（以下簡(jiǎn)稱CBF）為摻雜料以增強(qiáng)混凝土抗凍融性能。選取該材料的主要原因是，當(dāng)?shù)刂圃霤BF的原材料天然火山噴出巖較為易得，直接利用鉑銠合金拉絲漏板將原材料在1 450～1 500 ℃高溫下熔融后，快速拉拔即可制得。

因此，以CBF為摻雜料，并結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)混凝土原材料做如下選?。孩倌z凝材料選用P.O42.5水泥。②細(xì)骨料選用石灰?guī)r機(jī)制砂（MS）機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，石粉含量為6.2%，表觀密度為2 610 kg/m3，堆積密度為1 680 kg/m3；粗骨料為單級(jí)配石灰?guī)r碎石（CA，粒徑分別為4.75～9.5 mm、9.5～16 mm、16～19 mm和19～26.5 mm）。③外加劑選用PC-200型粉體聚羧酸高性能減水劑。

在選定原材料后，按照工程特點(diǎn)、原材料的質(zhì)量和施工方法等因素，并參考普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法，根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55—2011）進(jìn)行理論計(jì)算和試配確定，設(shè)計(jì)普通混凝土（以下簡(jiǎn)稱PC）和三種不同的BFRC混凝土（即摻雜了CBF的混凝土），其中三種BFRC混凝土的體積摻量分別為0.1%、0.2%和0.3%，即用密度折合成摻量為2.65 kg/m3、5.3 kg/m3和7.95 kg/m3?；炷僚浜媳染唧w如表1所示：

表1 混凝土配合比（以1 m3混凝土計(jì)，單位為 kg）

材料 用量 材料 用量

水泥 460 水 189

砂 543 減水劑 1.38

石子 1209 摻雜CBF 根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整

2 試件制作與養(yǎng)護(hù)

在確定混凝土配合比后，按照已確定的四個(gè)實(shí)驗(yàn)組合設(shè)計(jì)多個(gè)試樣，具體的試樣參數(shù)如表2所示。其中，CBF摻雜量以每1 m3混凝土計(jì)。

表2 試樣參數(shù)表

試件類型 試件尺寸/

mm 試件數(shù)量 CBF

體積比/% CBF

摻雜量/kg

PC 100×100×400 3 0 0

BFRC1 100×100×400 3 0.1 2.65

BFRC2 100×100×400 3 0.2 5.30

BFRC3 100×100×400 3 0.3 7.95

同時(shí)，為確保試件內(nèi)部在凍融實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度仍可達(dá)到預(yù)期要求，制作與凍融試件相同規(guī)格的測(cè)溫試件，并將溫度傳感器插入測(cè)溫試件中心。

確定上述試件規(guī)格后，按照表1中已確定的配合比，分別對(duì)不同類型的試件進(jìn)行制備，待試件制備成型后，把成型后的試件放在室溫為（20±5）℃的室內(nèi)放置一到兩晝夜；然后把試件記錄編號(hào)后拆下試模，之后迅速放入室溫為（20±2）℃、相對(duì)濕度大于95%的養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。當(dāng)試件養(yǎng)護(hù)至第24 d時(shí)，將試件拿出，然后立刻放入溫度為（20±2）℃的水中浸泡，浸泡完成后進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 混凝土試件的抗壓強(qiáng)度分析

在混凝土試件制作完成后，首先對(duì)混凝土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，該環(huán)節(jié)使用YES-2000型混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，將試件放置于下側(cè)承壓板的中央，控制試件中心完全重合于試驗(yàn)機(jī)下側(cè)承壓板后，設(shè)置荷載為0.5 MPa/s進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，待觀察到試件開(kāi)始急劇變形后停止增加載荷，直至試件發(fā)生破壞為止，記錄試件發(fā)生破壞瞬間的荷載值，而后按照如式（1）計(jì)算混凝土試件的抗壓強(qiáng)度：

（1）

式中，F(xiàn)、F0——混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、試件的破壞荷載（MPa）；A——試件的承壓面積（m2）?；谑剑?）求出各組試件的抗壓強(qiáng)度后，對(duì)每組三個(gè)材料參數(shù)相同試件的抗壓強(qiáng)度取平均值，得到最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示：

圖1 不同試件28 d時(shí)的混凝土抗壓強(qiáng)度與素混凝土比值

由圖1可知，當(dāng)混凝土中摻入CBF后，其抗壓強(qiáng)度的提升相對(duì)較為顯著，但不同CBF摻量帶來(lái)的效果也不一致。相對(duì)而言，當(dāng)CBF體積摻量為0.1%時(shí)，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度為最高，相較于未摻雜CBF的混凝土提升了4.0%，此后增大CBF摻雜量則導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度開(kāi)始降低。初步推斷，造成上述現(xiàn)象的主要原因是，在摻入的CBF較少時(shí)，CBF纖維能夠?qū)λ鼗炷猎谟不湛s時(shí)的微小裂隙進(jìn)行填補(bǔ)，從而提升抗壓強(qiáng)度；但進(jìn)一步增加CBF摻量后，更多的纖維結(jié)構(gòu)將混凝土內(nèi)部孔隙割裂為數(shù)段，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)更多細(xì)小裂紋，使得混凝土抗壓強(qiáng)度反而降低[1]。從整體變化趨勢(shì)來(lái)看，CBF摻量對(duì)于混凝土的整體抗壓強(qiáng)度仍然表現(xiàn)出正面影響，因此在混凝土中摻雜CBF較為可行。

3.2 混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量分析

在相對(duì)動(dòng)彈性模量測(cè)試環(huán)節(jié)中，使用液氮快速凍融實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行，將液氮噴灑到樣品上使其冷凍，隨后在45～50 ℃的溫水中浸泡5 min進(jìn)行解凍。從溫水中取出試件并用布?jí)K擦拭表面，在距試件底部5 mm處安裝傳感器，并通過(guò)透射法測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間，記錄傳感器之間的距離，最后計(jì)算超聲波傳播速度。由此，應(yīng)用以下公式對(duì)混凝土試件的相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量E進(jìn)行計(jì)算：

（2）

式中，VLo、VLn——實(shí)驗(yàn)前的超聲波傳輸速度、第n個(gè)周期的超聲波傳播速度（km/s）?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)步驟重復(fù)多次進(jìn)行，直至E值下降至初始值的60%以下或?qū)嶒?yàn)循環(huán)次數(shù)達(dá)到150次，滿足任意條件之一則停止實(shí)驗(yàn)，記錄此時(shí)的相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量值作為測(cè)試結(jié)果。

在得到各組試件的測(cè)試結(jié)果后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示：

圖2 不同混凝土試件相對(duì)動(dòng)彈性模量與

凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

根據(jù)圖2，在混凝土中摻入CBF后，混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量也相應(yīng)發(fā)生變化。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到100次時(shí)，未摻雜CBF的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量只有初始值的43.7%左右，但摻雜CBF的三組試件仍然保持著60%以上的相對(duì)動(dòng)彈性模量。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到終止值（150次）時(shí)，摻雜CBF的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量已經(jīng)不再存在，而此時(shí)摻雜CBF的三組試件仍然分別保持著40.5%、45.0%和51.3%的相對(duì)動(dòng)彈性模量。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)內(nèi)插法，對(duì)上述三組摻雜BCF的混凝土試件的凍融破壞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示，三組試件的凍融破壞標(biāo)準(zhǔn)分別為102次、126次和134次。因此，可以認(rèn)為CBF的摻入對(duì)于改善混凝土的抗凍融性能較為突出，且在CBF摻量為0.3%時(shí)，混凝土的抗凍融破壞能力相對(duì)較優(yōu)。

3.3 混凝土試件的質(zhì)量損失率分析

在上節(jié)液氮凍融實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，同時(shí)對(duì)凍融實(shí)驗(yàn)中循環(huán)次數(shù)分別為25次、50次、75次、100次、125次和150次時(shí)的混凝土試件質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果與混凝土試件質(zhì)量的初始值進(jìn)行對(duì)比，以計(jì)算質(zhì)量損失率，公式如下：

（3）

式中，wo、wn——凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)前的混凝土試件質(zhì)量、在特定循環(huán)次數(shù)下的混凝土試件質(zhì)量（kg）。通過(guò)式（3）計(jì)算出結(jié)果后，對(duì)每組三個(gè)材料參數(shù)相同試件的計(jì)算結(jié)果取平均值，得到質(zhì)量損失率的測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，當(dāng)增加CBF體積摻量后，混凝土的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出逐步下降的趨勢(shì)。這表明隨著CBF含量的增加，混凝土的抗凍性能得到了更為顯著的提升[2-3]。由此也可以推斷出，當(dāng)CBF摻量為0.3%時(shí)，混凝土的抗凍耐久性能相對(duì)更優(yōu)。

圖3 不同類型試件在不同循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量損失率

3.4 混凝土在復(fù)雜條件下的抗凍融性能分析

考慮混凝土在實(shí)際使用過(guò)程中面臨的環(huán)境因素復(fù)雜度顯著高于常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件，因此在該環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)引入5%氯化鎂和5%硫酸鈉混合溶液模擬外界腐蝕條件的情況，以分析混凝土在復(fù)雜條件下的抗凍融性能。對(duì)此，將混凝土中的CBF摻雜量設(shè)置為0.3%，以制作一組新試樣，將其與素混凝土試樣進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)，控制凍融實(shí)驗(yàn)條件和步驟保持不變，以此分析該次制備的混凝土在復(fù)雜條件下的抗凍融性能，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示：

圖4 不同混凝土試件在復(fù)雜條件下的抗凍融性能對(duì)比

根據(jù)圖4，在引入鹽溶液構(gòu)建復(fù)雜條件后，常規(guī)素混凝土（圖4中的PC）的相對(duì)動(dòng)彈性模量進(jìn)一步呈現(xiàn)出快速下降的特點(diǎn)，凍融循環(huán)86次與常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件的約100次相比進(jìn)一步降低。而此時(shí)摻雜了0.3%CBF的混凝土在凍融實(shí)驗(yàn)循環(huán)400次后，仍然具有較高的相對(duì)動(dòng)彈性模量。初步推斷，造成上述現(xiàn)象的主要原因可基于以下內(nèi)容予以解釋：通過(guò)使用氯化鎂和硫酸鈉的組合，實(shí)現(xiàn)了混凝土中氯鹽和硫酸鹽的雙重效益。這一方法不僅有效地降低了混凝土的冰點(diǎn)，還在其凍融過(guò)程中有效地防止了氯離子和鎂離子的遷移。因此，這種處理方式減緩了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的腐蝕速度，使得其動(dòng)彈性模量下降得更為緩慢，從而延長(zhǎng)了其凍融耐久性，能夠抵御超過(guò)400次的凍融周期。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步從質(zhì)量損失率的角度入手，分析兩種試件在不同循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量損失率變化，由此得到分析結(jié)果如圖5所示：

圖5 不同試件的循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)圖5中的質(zhì)量損失率變化情況，由于PC試件中的抗腐蝕能力較差，因此在腐蝕作用下，PC試件表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的剝落現(xiàn)象，導(dǎo)致PC試件的質(zhì)量損失率明顯升高。而在摻雜了CBF的混凝土試件中，其質(zhì)量損失率則出現(xiàn)了負(fù)數(shù)，這并非測(cè)量誤差，而是源于混凝土試件在凍融循環(huán)過(guò)程中，混凝土表面出現(xiàn)的微裂紋對(duì)于測(cè)試環(huán)境中的水分與鹽分產(chǎn)生了較為明顯的吸附作用，且這種作用在初始階段強(qiáng)于混凝土表面的剝落作用，因此表現(xiàn)出質(zhì)量損失率為負(fù)值（即混凝土試件質(zhì)量上升）的情況。初步推斷，造成這種現(xiàn)象的主要原因是，CBF由于其卓越的耐酸堿腐蝕性能，在混凝土中的分布纖維不會(huì)因鹽溶液腐蝕而發(fā)生顯著的質(zhì)量變化。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文結(jié)合某地高速公路水泥混凝土施工中面臨的高寒及環(huán)境腐蝕等不利條件，以提升水泥混凝土抗凍融能力為目標(biāo)，通過(guò)摻雜連續(xù)CFB的方式進(jìn)行水泥混凝土抗凍融技術(shù)的研究，并通過(guò)多組平行實(shí)驗(yàn)確定了較優(yōu)的參數(shù)組合，以此將優(yōu)化參數(shù)的混凝土投入實(shí)際應(yīng)用。從實(shí)際應(yīng)用結(jié)果來(lái)看，該文設(shè)計(jì)的混凝土材料在高寒條件下的高速公路工程施工中表現(xiàn)較優(yōu)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

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