沙漠砂+聚丙烯纤维+锂渣混掺混凝土的抗冻融性试验研究

章 倩

（新疆应用职业技术学院，新疆 奎屯 833200）

0 引言

新疆地区沙漠占据了很大的一部分面积。由于新疆地区符合条件的沙漠砂较多，可以合理地开发利用，从而降低工程施工的成本。本次试验中，将混凝土掺入一定比例的沙漠砂代替施工中普通的中砂。由于只配置单一沙漠砂混凝土的耐久性能较弱，锂渣是工业废料，其掺入对于改善混凝土的抗渗性、抗冻融性、耐久性有着良好的效果。利用聚丙烯纤维抗拉强度好的特性，从而使混凝土内部的整体性有大幅度的提高。本试验主要研究掺入锂渣和具有弹性模量较低的聚丙烯纤维来解决单掺沙漠砂混凝土抗冻融性能差的问题。

1 试验器材及要求

本试验选用建研华测（杭州）科技有限公司HCHDK9混凝土快速冻融试验机。该试验机用于测定混凝土试件在冻融条件下，经受的快速冻融循环次数来表征其抗冻性能。设备由高标号不锈钢箱体、冷却系统、保温系统、循环系统和控制系统等组成。压缩机等关键元器件原装进口，满载运行时箱内温度极差低于0.7℃。

选用洛阳精研机械科技有限公司弹性模量测试仪IET-100，采用动态法中的脉冲激振法是一种无损检测方法，通过试样固有频率、尺寸和质量来获取材料杨氏模量、剪切模量、泊松比的一种方法。弹性模量测试仪IET-100主要用于测试各种固体材料（如陶瓷、金属、石墨、炭素、玻璃、碳纤维复合材料、木材、耐火材料等）的杨氏模量、剪切模量、泊松比及阻尼比。

选用美特斯工业系统有限公司SHT4106微机控制电液伺服万能试验机，DCS-300全数字闭环测控系统量测强度指标。

本试验试块采用100mm×100mm×400mm的尺寸，将其放置盒中，加入高出混凝土试块5mm的水位。将每次冻融循环的时间限制在3～4h之间。融化过程的时间限制在0.75～1h之间。循环过程中的温度控制在-20±2℃和6±2℃，其中每次冻融循环的转换过程控制在10min之内。本试验主要利用快冻法试验机测定质量损失率和动弹性模量的指标。规定当混凝土试块结束循环时停止试验，当混凝土试块质量损失减小超过5%时停止试验，当混凝土试块相对冻弹性模量指标下降到60%时停止试验[1]。三者达到其中任何一个条件即停止。

2 试验方法与结果

由国家现行《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）[2（]以下简称《耐久性能试验方法》）规定抗冻融试验分为快冻法和慢冻法[3]。在本次实验中由于该项目试验周期较短，需要比较高的效率，并且希望提高试件的重复利用率，因此本实验摒弃试验周期长且试件不可再利用的慢冻法，而选择试验周期短，效率较高但是操作比较繁琐的快冻法。

根据国家现行《耐久性能试验方法》中快冻法规定，本试验采用100mm×l00mm×400mm试块，试验试块放在标准的养护室进行养护，养护时间为28d，而后进行抗冻融试验，本次试验取0、25、50、75、100、125、150次等7阶段循环为试验最终数据（表1）。

表1 立方体试件的抗冻融试验

本次试验共取三组试验试块分别为：（1）优选组：30%掺量的沙漠砂，20%掺量的锂渣，1.5kg/m3的聚丙烯纤维。用Y-1来表示。（2）基准组：0%掺量的沙漠砂，0%掺量的锂渣，0含量聚丙烯纤维。用J-1来表示。（3）对照组：30%掺量的沙漠砂，0%掺量的锂渣，0含量聚丙烯纤维。用D-1来表示。

在冻融循环作用下，根据质量、强度及动弹性模量的改变率去判定抗冻融性能的强弱。每25次冻融循环对试块的质量、强度指标、冻弹性模量进行测量。对质量损失率、强度损失率及相对动弹性模量通过数据进行计算和分析[4]。

从图1可知，本试验的三组混凝土试件在质量指标方面随着冻融循环次数的增长均在不同程度地减少，并呈下降的趋势。随着冻融循环次数的增加，混凝土试件的质量损失率在逐渐增高。其中对照组的混凝土试件质量损失率比基准组和优选组质量损失率增长得快。优选组的质量损失率上升得最慢。抗冻融破坏性较大的是D-1、J-1组，抗冻融破坏性较小的为Y-1组。立方体抗压强度及损失率见表2，立方体试件冻融循环后抗压强度损失率见图2。

图1 立方体试件冻融循环后质量损失率

表2 立方体抗压强度

由图2可知，三组试件在6次冻融循环的作用下，混凝土试件J-1、Y-1、D-1三组抗压强度数据均呈现上升减慢的趋势。随着冻融循环次数的逐渐增多，立方体抗压强度损失呈逐步递增趋势，混凝土试件抗压强度损失率在不断地增高，其中J-1组曲线升高的幅度迅速，表明J-1组在冻融循环次数不断增加的情况下其混凝土抗压强度的损失率也在不断增大，同D-1和Y-1组比较而言其损失率最大，意味着该组抗冻融破坏的性质最差。其中Y-1组相对其他两组数据曲线升高的幅度较小，同D-1和J-1组比较而言其损失率最小，意味着该组抗冻融破坏的性质最好。动弹性模量值见表3，立方体试件冻融循环后相对动弹性模量见图3。

图2 立方体试件冻融循环后抗压强度损失率

表3 动弹性模量值

图3 立方体试件冻融循环后相对动弹性模量

由图3可知，三组试件在冻融循环的作用下，随着循环次数的增加其动弹性模量指标呈下降趋势[5]。J-1组曲线的降低幅度最大，表明在冻融循环次数不断增加的情况下，J-1组的动弹性模量的损失是最大的，因此该组的抗冻融破坏性的指标相对于其他两组数据较差。Y-1曲线降低的幅度最小，表明在冻融循环次数不断增加的情况下，J-1组的动弹性模量的损失是最小的，因此该组的抗冻融破坏性的指标相对于其他两组数据较好。

3 结果分析

在此次抗冻融试验过程中，对混凝土试件外形进行观测发现，在冻融循环实验达到第25次时，D-1、J-1、Y-1三组试件表面均较为光滑，没有出现明显的变化，极个别有表面浆皮脱落的情况。其中Y-1组也没有出现聚丙烯纤维外露的情况。在实验达到第50次时，D-1、J-1、Y-1三组试件表面都出现了一些微小的裂缝，大多数试件表面的浆皮出现了脱落的现象，其中Y-1组的聚丙烯纤维有少量外露现象。在实验达到第75次时，D-1、J-1、Y-1三组试件表面粗糙呈多孔状，试件表面的浆皮脱落较多，混凝土试块的细骨料外露，Y-1组的聚丙烯纤维有大量外露的现象。在实验达到第100次时，D-1、J-1、Y-1三组试件出现大量的粉末形状的残渣，浆皮大量地脱落。混凝土试块的粗骨料外露。其中Y-1组的聚丙烯纤维有大量外露，但是对比D-1、J-1组试块形态相对完整。在实验达到第125次时，D-1、J-1、Y-1三组试件均有不同程度的碎块掉落现象。其中Y-1组相对于D-1、J-1组的碎块掉落情况较少，只出现大量的裂缝。在实验达到第150次时，D-1、J-1、Y-1三组试块表面均已无浆皮。其中D-1、J-1、粗骨料结构均已暴露在外，部分骨料已经脱落；Y-1组的骨料也不同程度的脱落；但是加入聚丙烯纤维的部分中有大量存留的碎块。由此可知Y-1组的外观测定要优于D-1、J-1两组。

通过对试验数据的分析可知：对于掺入了沙漠砂、锂渣、聚丙烯纤维的混凝土试件经过冻融循环次数的增加，其混凝土试件的质量损失率、强度指标、动弹性模量损失率相对其他两组数据来说都减少得小。在考虑了各项指标后对试件抗冻融性能破坏指标进行排序为Y-1＞J-1＞D-1[6]。

4 结束语

研究了沙漠砂+聚丙烯纤维+锂渣混掺混凝土的抗冻融性，试验结果表明：当沙漠砂替代率为30%时，试件力学及耐久性能最优异；在试验中将沙漠砂、聚丙烯纤维和锂渣进行混掺，混掺混凝土试块强度损失率比不掺混凝土试块的强度损失率下降得慢；混掺混凝土试块质量损失率比不掺混凝土试块的质量损失率也下降得慢。结论是：在沙漠砂混凝土中掺入聚丙烯纤维与锂渣有利于提高混凝土的抗冻融性。