高寒地区道面混凝土抗冻性能研究

龚 英, 闫 涛

(中国水利水电第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

我国某些高寒地区因受冻融影响其道面仅使用了3～5 a就陆续开始出现冻坏现象,进而降低了道面的使用年限,明显影响到其使用安全[1]。因此,在高寒地区提高混凝土的抗冻能力是延长道面混凝土寿命的关键,也是目前高寒地区道面混凝土亟需解决的问题之一。

目前关于如何改善混凝土抗冻性的研究对象多集中于常态混凝土,其主要技术手段表现在:(1)适量增加水泥用量,如肖巍等人[2]研究了不同水泥用量对常态混凝土抗冻性能的影响,研究结果表明当水泥用量低于350 kg/m3,水泥用量的增加会提高混凝土的抗冻性能;当水泥用量高于350 kg/m3,水泥用量的增加对其抗冻性能影响不大。(2)适量提高砂率,如翁兴中等人[3]研究了不同砂率对道面混凝土抗冻性能的影响,当混凝土砂率低于30%,随着砂率的增长混凝土的抗冻性能亦增加;当砂率高于30%,随着砂率的增加,其混凝土的抗冻性能降低。(3)降低水胶比,如曹秀丽等人[4]对不同强度混凝土(不同水胶比)的抗冻性能进行了研究,研究结果表明强度高的混凝土抗冻性能更好。(4)适量提高含气量,如王庆石等人[5]对混凝土含气量与抗冻性能的关系进行了研究,研究结果表明混凝土含气量增加可以使混凝土孔隙率、总孔体积、总孔面积增大,使平均孔径、孔间距系数减小,孔径均匀分布,能够显著改善混凝土的内部孔隙结构,从而提高混凝土的抗冻性,但需兼顾混凝土强度的降低。

但目前对道面混凝土这类干硬性混凝土抗冻性能的研究相对较少。笔者认为:对于道面混凝土这类干硬性混凝土可以借鉴常态混凝土的技术思路,试验研究水胶比、砂率、胶材用量和含气量等因素,对冻融过程中道面混凝土试块质量损失率和相对动弹模的变化规律,从而为道面混凝土的高抗冻性设计提供有力的数据支撑。本文阐述了具体的研究思路和方法。

2 试验材料及方法

2.1 研究思路

为考察高寒地区道面混凝土的抗冻性,设计出不同含气量、水胶比、砂率及胶材用量(编号分别为A、W、S和C)的混凝土,在历经冻融300次后测试其混凝土表面剥落质量和相对动弹模并探究上述参数对混凝土抗冻性的影响。

2.2 原材料

水泥:祁连山P·O42.5低碱水泥。祁连山P·O42.5低碱水泥的物理性能指标见表1。

表1 祁连山P·O42.5低碱水泥物理性能指标表

细骨料:天然砂,细度模数为3,含泥量为1.5%,属中砂。

粗骨料:花岗质初糜棱岩,其分三种粒径:大石为16～31.5 mm、中石为10～20 mm、小石为5～10 mm;且其大石∶中石∶小石=7∶2∶1,压碎值为6%。

外加剂:使用北京安建世纪科技发展有限公司出品的高效减水剂,掺量为1.5%;引气剂掺量为0.15‰。

2.3 试验方法

抗折试验:试件尺寸为150 mm×150 mm×550 mm,按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2019[6]的相关规定执行。

快速冻融试验:试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm,按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082[7]的相关规定执行。

3 试验成果及分析

3.1 抗折强度

抗折强度是道面混凝土设计的重要指标之一,根据《军用场道工程施工及验收规范》GJB 1112A-2004[8]要求所配制的混凝土抗折强度需达到6.0 MPa。道面混凝土抗折强度见表2。

表2 道面混凝土抗折强度表

试验结果表明:水胶比为0.37、0.38和0.39的混凝土(W1、W2、W3)28 d抗折强度分别为6.6 MPa、6.4 MPa、6.1 MPa;与水胶比为0.39的混凝土相比,其水胶比降低至0.38和0.37,混凝土抗折强度分别增长4.9%和8.2%。

砂率为30%的道面混凝土(S2)7 d、28 d抗折强度分别为5.2 MPa、6.5 MPa;砂率降低至28%时,道面混凝土(S1)7 d、28 d抗折强度分别降低至5.0 MPa、6.4 MPa。由此可见:砂率降低能够增加混凝土的抗折强度。因此,在满足混凝土和易性时宜适量降低混凝土砂率。

当含气量分别为3.0%、4.0%和5.0%时,其道面混凝土(A1、A2、A3)28 d抗折强度分别为6.6 MPa、6.4 MPa和5.9 MPa;含气量为3%～4%时其混凝土抗折强度差异不大;当含气量增加至5%时,混凝土抗折强度明显降低。

3.2 抗冻性

3.2.1 水胶比

为探究不同水胶比对道面混凝土抗冻性能的影响,此次研究的水胶比为0.37、0.38和0.39的道面混凝土在300次冻融循环过程中其试件的质量损失率和相对动弹模量的变化趋势见图1和图2。

图1 水胶比对试块冻融质量损失率的变化趋势图

图2 水胶比对试块相对动弹模量的变化趋势图

300次冻融后,水胶比为0.39、0.38和0.37的混凝土试件损失率分别为2.8%、1.9%和1.6%。与水胶比为0.37相比,水胶比增加至0.39和0.38,其混凝土质量损失率分别增长了68%和15%。由此可见:混凝土的质量损失率随水胶比的增大而增大。这是因为水胶比越大,混凝土强度越低;混凝土内的孔隙越多,由于冻融循环时混凝土内的水结冰产生的体积增长会在混凝土内部形成膨胀力,因此,试块在冻融过程中其剥落质量会越多,质量损失率越大。

经仔细观察发现:道面混凝土在前75次冻融循环中试块质量不仅没有降低,反而出现了轻微增长,这种现象在75次冻融后也偶尔出现。出现上述现象的原因可能有以下两点:(1)祁连山低碱水泥中的硅酸二钙(C2S)含量为25%,其水化速度较慢,水化28 d时并未完全反应(与表1中水泥28 d到90 d的水泥强度依旧增长的现象吻合);在冻融过程中其水化反应如方程(1)所示,每1 moL的C2S与2 moL水反应,生成1 moL水化硅酸钙(CSH)和1 moL氢氧化钙,C2S的水化过程消耗了外界水,生成含有结晶水的水化产物,此过程会增加试块质量。(2)冻融过程中,正温下的混凝土根据毛细孔效应其水分会从小孔向大孔迁移;负温下毛细孔中的自由水开始结冰,基体中连接毛细管的气孔(引气剂引出的气泡,孔径为0.1～0.2 mm)可提供有效的压力“逃逸边界”,冰晶会挤压毛细管而产生水压,部分毛细孔中的水通过水压进入小气孔中,当温度再次恢复正温时,小气孔中的水不易迁移,因此而增加了试块质量。

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

(1)

当水胶比≥0.38,冻融循环次数超过125次,其混凝土试件的质量损失率曲线随水胶比的增大而陡增,而水胶比为0.37的试件质量损失率则相对较为缓慢的增长,说明水胶比大于0.38的混凝土后期(冻融循环>125次)的质量损失会快速增长,从而不利于混凝土的长期抗冻性。因此,为保证混凝土具有优异的长期抗冻性,其水胶比宜小于0.38。

在冻融次数为前75次时,不同水胶比的混凝土的相对动弹模量呈现出先增加后降低的趋势。这与图1中的现象相吻合,表明冻融前期水泥还在水化、增强混凝土基体的密实性;尽管冻融过程会破坏其基体内部结构,但冻融前期混凝土的整体结构较密实,水泥水化对整体结构的增强程度大于冻融破坏程度,因此,冻融早期其相对动弹模量增加。随着冻融次数的增加,水泥水化速率缓慢,对基体内部结构的增强程度降低,此时,冻融过程对基体破坏的程度较大,混凝土相对动弹模降低。

冻融300次后,水胶比为0.39、0.38和0.37的混凝土相对动弹模量为72.5%、75.9%和78.0%,表现为混凝土水胶比越大,冻融过程相对动弹模量损失越大;300次冻融循环后,水胶比为0.37至0.39的道面混凝土试块质量损失率均小于3%,相对动弹模量均大于70%,满足《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082-2019中要求试块质量损失率不大于5.0%、相对动弹模量不小于60%的要求。说明上述3配比的混凝土具有良好的抗冻性能。

3.2.2 砂率

为探究砂率对混凝土抗冻性的影响,试验研究中采用砂率为28%和30%的道面混凝土在抗冻过程中的质量损失率和相对动弹模量的变化规律见图3和图4。

图3 砂率对试块冻融质量损失率的变化趋势图

图4 砂率对试块冻融相对动弹模量的变化趋势图

由图3可知:砂率为28%和30%的混凝土在冻融循环300次后,其质量损失率分别为1.3%和1.9%,故低砂率有利于混凝土的抗冻性。由于晶面过渡区是混凝土最薄弱的环节,水泥石与骨料接触部位的水灰比会增加而产生较多的空隙、形成有害介质通道,因此,混凝土的砂率越低其晶面过渡区就越少;同时,Ca(OH)2在晶面过渡区的富集各向异性排列也会导致混凝土易受冻害,因此,低砂率(28%)混凝土具有更好的抗冻性能。另外,混凝土基体中骨料表面积越大,其消耗包裹骨料的水泥浆就越多;而未被水泥浆包裹的骨料在其抗冻过程中缺少水泥石的保护、导致其抗冻性能下降,故低砂率(28%)混凝土的抗冻性能更优异。

由图4可以看出:冻融300次后,28%砂率的混凝土的相对动弹模量为78%,高于30%砂率的混凝土。低砂率(28%)混凝土晶面过渡区表面积小,抗冻过程中有害介质通道较少,整体结构更致密,故其相对动弹模量较高。

综上所述,尽管高砂率会增加混凝土基体质量的损失率、降低其相对动弹模量,但从整体来看其降低幅度并不大。因此,为了更好地满足拌合物性能、方便施工,对于道面混凝土可适当提高其砂率。上述配比砂率为28%～30%的道面混凝土的抗冻性指标均满足《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082-2019的要求。

3.2.3 胶材用量

为明晰胶材用量对道面混凝土抗冻性的影响,试验研究了300 kg/m3、310 kg/m3和330 kg/m3水泥用量的道面混凝土经300次冻融后对试件性能的影响,其结果见图5和图6。

图5 胶材用量对试块冻融质量损失率的变化趋势图

图6 胶材用量对试块冻融相对动弹模量的变化趋势图

从图5可以看出:随着胶材用量的增加,混凝土抗冻性越好。在前200次冻融循环过程中,不同胶材用量的混凝土质量损失率无明显区别;随着冻融次数的增加,胶材用量越低,混凝土的质量损失率越大。胶材用量低时,混凝土基体骨料间的浆体不足,从而不能有效填充骨料间的空隙,导致基体存在较多连通性大的孔隙率,增加了有害介质的通道;在抗冻过程水饱和状态下,混凝土孔隙率(有害孔)较多导致基体含水率较多,负温时其基体内部的水结冰产生冻胀力,且基体内部凝结与未凝结的水之间产生渗透压,因此而降低了混凝土的抗冻性。

由图6得知:经过300次冻融循环后,胶材用量为300 kg/m3、310 kg/m3和330 kg/m3的试件相对动弹模量分别为61.3%、70.3%和75.9%。由此可见:胶材用量的增加会明显提高混凝土的抗冻性;胶材用量的增加会使混凝土基体内部更加密实,进而减少基体裂缝的数量与长度或宽度。冻融过程中,水在基体裂缝或大孔隙中结冰、再溶解而产生的体积膨胀力和渗透压会增加裂缝长度和宽度,破坏混凝土的整体密实性,降低混凝土的动弹模量;基体中裂缝越少,冻融过程中产生冻胀力和渗透压的位点越少,冻融对混凝土的相对动弹模损害越低。因此,胶材用量越多,经冻融循环后其混凝土的相对动弹模损失越少。

3.2.4 含气量

引气已被证实是减少混凝土冰冻劣化的一个有效方法。此次研究探究了引气剂引入气体(粒径为0.1～0.2 mm)含气量的大小对道面混凝土抗冻性能的影响,经冻融循环300次后,试块的质量损失率和相对动弹模量变化趋势见图7与图8。

图7 含气量对试块冻融质量损失率的变化趋势图

图8 含气量对试块冻融相对动弹模量的变化趋势图

图7表明:冻融300次期间,随着混凝土含气量的增加,试块质量损失率降低;含气量高的混凝土具有更好的抗冻性能。引气剂引入的气体其气泡粒径小且不连续;混凝土内部含气量越多,气泡分布越密集,冻融过程中这些密闭性粒径小的气泡可分散孔隙水压力,从而抵消冻胀力。在进行道面混凝土配合比设计时应注意:含气量的增加会降低混凝土的力学性能。因此,在改善混凝土抗冻性的同时,应首先考虑力学强度设计要求。

由图8得知:冻融过程中混凝土含气量的增加会增加其相对动弹模量,从而使混凝土整体更密实。含气量的增加会分散冻融过程中试块受到的水压力,降低混凝土内部裂缝的数量,减小横向基频。仔细观察发现:随着含气量的增加,试块前期动弹模量亦在增加,这可能是所引入的大量微气体均匀地分布在混凝土内部使其整体更加均匀、规整的缘故。

4 结 语

此次通过不同水胶比、砂率、胶材用量和含气量对高寒地区道面混凝土抗冻性能影响进行研究取得的结果为:

(1)道面混凝土水胶比越低,其冻融过程质量损失率越低;相对动弹模量增加,其抗冻性能越好。相较于高砂率的道面混凝土,低砂率的混凝土抗冻性能更优异。

(2)胶材用量为300 kg/m3、310 kg/m3和330 kg/m3,300次冻融循环后,其试件质量损失率分别为3.2%、2.7%和1.9%,相对动弹模量分别为61.3%、70.3%和75.9%。胶材用量的增加有利于道面混凝土的抗冻性能。

(3)含气量为3.0%、4.0%和5.0%的道面混凝土经300次冻融循环后,混凝土试块的质量损失率为2.5%、1.9%和1.3%,相对动弹模量分别为66.4%、75.9%和79.0%。由此可见:高含气量混凝土具有更优异的抗冻性能。