寒冷地區硅粉增強玄武巖纖維路面混凝土抗凍性能研究

申愛琴，崔洪旭，郭寅川，周康平

(長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室，西安 710064)

0 引 言

路面混凝土在澆筑成型、凝結硬化以及養護等過程中會產生早期收縮裂縫，而早期收縮裂縫是造成混凝土耐久性下降的重要原因[1-2]。玄武巖纖維摻入混凝土可以起到良好的增韌阻裂效果，顯著地提升混凝土抗彎拉強度及收縮抗裂性能[3-5]，但在經歷較為嚴重的凍融破壞后，玄武巖纖維與水泥石界面區的粘結性下降，影響了寒冷地區混凝土抗滲抗凍等耐久性能[6-8]。

研究表明，混凝土中摻入不同粒徑的硅粉均能有效提高其抗彎拉強度、疲勞性能以及抗凍性能[9-11]，同時硅粉的摻入可以改善混凝土的孔隙缺陷，細化孔徑，降低孔隙率，優化界面結構[12-14]。根據硅粉的改性效果，學者們開展了硅粉復合改性玄武巖纖維混凝土的研究。研究發現，摻入硅灰可以提高玄武巖纖維砂漿的剪切黏結強度和抗折強度，對纖維基體過渡區有積極的影響[15-18]，通過混摻硅粉與玄武巖纖維得到的復合改性混凝土，其強度和抗裂性明顯要優于纖維混凝土[19]。

綜上所述，玄武巖纖維混凝土抗凍性能影響了其在寒冷地區的推廣程度。硅粉復合改性玄武巖纖維混凝土可以有效提高抗彎拉強度，但目前國內外針對硅粉增強玄武巖纖維混凝土的研究主要集中于水泥砂漿層面[15-16]，并未對路面混凝土展開針對性研究,且目前研究針對硅粉對玄武巖纖維路面混凝土抗凍性能的增強效果以及硅粉增強玄武巖纖維混凝土的微觀機理研究尚淺。本文基于上述不足，研究了寒冷地區不同摻量硅粉對玄武巖纖維路面混凝土抗凍性能的增強效果，借助壓汞法(mercury intrusion porosimetry, MIP)和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)討論了摻加硅粉對玄武巖纖維路面混凝土的孔結構以及界面過渡區的影響，探討硅粉增強玄武巖纖維路面混凝土的微觀機理，推動玄武巖纖維在寒冷地區的路用進程。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥選用禮泉海螺水泥公司生產的“海螺牌”P·O 42.5；粗集料選用富平創奇公司生產的石灰巖碎石，級配范圍為4.75～19 mm，分為4.75～9.5 mm和9.5 mm～19 mm兩檔，摻比為m(4.75～9.5 mm) ∶m(9.5～19 mm)=2 ∶8，表觀密度為2.715 g/cm3；細集料選用西安和英建材有限公司生產的機制砂，表觀密度為2.652 g/cm3，細度模數為2.8，屬于中砂；減水劑選用廈門市華星化工實業有限公司生產的聚羧酸高性能減水劑；玄武巖纖維選用浙江石金玄武巖纖維公司生產的纖維，直徑20 μm，長度12 mm，其相關技術指標如表1所示；硅粉選用靈壽縣怡然礦產品加工廠生產的二氧化硅含量為97%(質量分數)的硅粉，硅粉中值粒徑D50=2 μm，D90=7 μm，其相關技術指標如表2所示。

表1 玄武巖纖維各項技術指標Table 1 Various technical indicators of basalt fiber

表2 硅粉各項技術指標Table 2 Various technical indicators of silica powder

1.2 配合比設計

本研究參考《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG 3420—2020)進行配合比設計，同時依據《礦物摻合料應用技術規范》(GB/T 51003—2014)要求，硅粉摻量最大不超過10%(質量分數，下同)。設計3%、6%、9%摻量的硅粉增強玄武巖纖維路面混凝土，分別編號為SF-3%、SF-6%、SF-9%，與編號為JZ的不摻加硅粉的基準玄武巖纖維路面混凝土形成對照試驗。每組制備4根件，共16個件。當硅粉摻量為9%時，玄武巖纖維摻量為0.04%，水膠比為0.36，減水劑摻量為1.4%。硅粉采用內摻的方式加入混凝土，替代部分水泥用量，不同摻量的硅粉增強玄武巖纖維路面混凝土配合比如表3所示。

表3 硅粉增強玄武巖纖維路面混凝土配合比Table 3 Mix ratio of silica powder reinforced basalt fiber pavement concrete

1.3 試驗方法

采用快凍法測試路面混凝土的抗凍性能，儀器選用快速凍融試驗機。由寒冷地區最冷月平均溫度可知，最低溫度處于-20 ℃以下。根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG 3420—2020)快凍法測試混凝土抗凍性能對凍融溫度的規定，快凍法測試中路面混凝土下限溫度選為((-20～-25)±2) ℃，上限溫度選為(5±2) ℃。

壓汞儀選用型號為AutoPore IV9500，將10 mm×10 mm×10 mm的樣品放入盛有無水乙醇的容器中浸泡達到終止水化的目的，試驗之前放入60 ℃的烘箱中烘至恒重。利用SEM研究硅粉復合改性玄武巖纖維路面混凝土的界面區結構的演化規律,試件處理如下：對試件進行破碎處理，從中部取樣，由于取的樣品表面不規整，所以需要使用200～2 000目中的粗砂紙進行粗磨，再使用細砂紙進行細磨成尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的樣品。

2 結果與討論

2.1 基于快凍法的硅粉增強玄武巖纖維路面混凝土抗凍性能研究

將質量變化率、相對動彈性模量及抗彎拉強度作為抗凍性能評價指標，質量變化率、相對動彈性模量分別通過式(1)和(2)計算。

(1)

式中：Wn為經n次凍融循環后的試件質量變化率，%；m0為試件凍融試驗前的試件質量，kg；mn為n次凍融循環后的試件質量，kg。

(2)

式中：P為經n次凍融循環后試件的相對動彈性模量，%；fn為凍融n次循環后試件的橫向基頻，Hz；f0為試驗前的試件橫向基頻，Hz。

圖1為不同硅粉摻量下的硅粉增強玄武巖纖維路面混凝土在-20 ℃凍融環境中的質量變化率及相對動彈性模量試驗結果。

由圖1(a)試驗結果可知，隨著凍融次數的增加，四組混凝土質量變化率均呈現增加的趨勢，但質量變化率增長速率各不相同。在凍融320次后，基準組混凝土質量變化率為1.62%，而硅粉摻量為3%、6%、9%的復合改性路面混凝土質量變化率分別為1.23%、0.97%、0.61%，隨著硅粉摻量的增加，玄武巖纖維路面混凝土質量變化率逐漸減小。與基準組相比，硅粉摻量為3%、6%、9%的復合改性路面混凝土質量變化率分別降低了24.07%、40.12%、62.35%，硅粉復合改性玄武巖纖維路面混凝土質量損失速率明顯降低，說明抗凍性能顯著提高。

由圖1(b)試驗結果可知，從凍融0次到320次過程中，各組混凝土相對動彈性模量均呈現減小的趨勢。在凍融循環320次后，基準組、3%、6%、9%硅粉摻量組相對動彈性模量分別為80.77%、85.95%、89.67%、92.63%。與基準組相比，3%、6%、9%硅粉摻量組相對動彈性模量分別提高了6.41%、11.02%、14.68%。相對動彈性模量可以反映混凝土在凍融過程中的損傷程度，所以隨著硅粉摻量的增加，玄武巖纖維路面混凝土相對動彈性模量逐漸增大，內部損傷程度減小。

圖1 不同硅粉摻量下路面混凝土的質量變化率及相對動彈性模量Fig.1 Mass change rate and relative dynamic elastic modulus of pavement concrete under different silica powder content

圖2 凍融前后路面混凝土抗彎拉強度Fig.2 Flexural tensile strength of pavement concrete before and after freeze-thaw cycles

圖2為凍融320次前后不同硅粉摻量復合改性玄武巖纖維路面混凝土抗彎拉強度的試驗結果。

由圖2可知，無論凍融前后，摻加硅粉組抗彎拉強度均比基準組大，且隨著硅粉摻量的增加抗彎拉強度隨之增高。凍融320次后，與基準組相比，3%、6%、9%硅粉摻量組抗彎拉強度分別提高了13.00%，35.16%，43.89%。所以硅粉摻量越高，玄武巖纖維路面混凝土凍融后的抗彎拉強度損失越小，力學性能越好，抵抗凍融破壞能力越強。

綜合質量變化率和相對動彈模量以及抗彎拉強度在凍融前后的變化規律，可以認為，硅粉的摻入延緩了玄武巖纖維混凝土內部損傷進程，提高了玄武巖纖維混凝土的抗凍性能，且9%硅粉摻量相比于3%、6%摻量的硅粉增強玄武巖纖維混凝土抗凍性能改善效果更加明顯。

2.2 基于MIP的孔結構分析

9%摻量的硅粉增強玄武巖纖維混凝土與基準混凝土的在凍融作用下的孔隙參數如圖3所示。

凍融150次后，9%硅粉摻量的玄武巖纖維路面混凝土和基準混凝土的各孔結構參數均增大。由圖3(a)、(b)可知，與無凍融作用相比，凍融條件下基準混凝土總孔隙面積增加了62.69%，而9%硅粉摻量的復合改性路面混凝土總孔隙面積增加了43.42%，相比基準組減少了19.27%；基準混凝土總孔隙量增加了58.57%， 9%硅粉摻量的復合改性路面混凝土總孔隙量增加了52.94%，相比基準組減少了5.63%。由此可見，凍融作用對混凝土的總孔隙面積和總孔隙量影響顯著，加快了混凝土內部損傷程度，降低了混凝土的耐久性能，而硅粉的摻入在一定程度上可以減緩凍融作用下混凝土的孔隙發展。

由圖3(c)、(d)可知，與無凍融作用相比，凍融條件下基準混凝土孔隙率增加了48.41%，而9%硅粉摻量的復合改性路面混凝土孔隙率增加了41.28%。基準混凝土凍融前后平均孔徑從34.6 nm上升到36.2 nm，而9%硅粉摻量的玄武巖纖維路面混凝土凍融前后平均孔徑從24.2 nm上升到25.5 nm，凍融150次后的硅粉復合改性混凝土相比基準混凝土平均孔徑減小了10.7 nm。硅粉的摻入可以使玄武巖纖維路面混凝土孔隙率增長速率變慢，平均孔徑增加量減小，細化孔隙結構。

表4為凍融作用下硅粉摻量為0%、9%的復合改性路面混凝土孔徑分布。

由表4可知，與無凍融作用相比，凍融150次后基準混凝土無害孔和少害孔比例分別降低了16.56%、10.77%，而9%硅粉摻量的復合改性路面混凝土無害孔和少害孔比例分別降低了4.75%、1.48%，基準混凝土有害孔和多害孔比例分別增加了10.70%、14.37%，而9%硅粉摻量的復合改性路面混凝土有害孔和多害孔比例分別增加了10.01%、4.13%，相比于基準組減少了0.69%、10.24%。可以看出，摻入硅粉明顯減緩了無害孔和少害孔比例的衰減速率以及有害孔和多害孔比例的增加速率，從而有效抵制了外界凍融作用對混凝土的破壞。

圖3 凍融作用下路面混凝土孔隙參數試驗結果Fig.3 Test results of pavement concrete pore parameters under freeze-thaw action

表4 凍融作用下復合改性路面混凝土孔徑分布Table 4 Pore size distribution of composite modified pavement concrete under freeze-thaw action

圖4為凍融作用下硅粉摻量為0%、9%的復合改性路面混凝土臨界孔徑與最可幾孔徑試驗結果。

由圖4可知：基準混凝土凍融前后臨界孔徑增加了14.5 nm，而9%硅粉摻量的玄武巖纖維路面混凝土凍融前后臨界孔徑增加7.9 nm，相比基準混凝土凍融后9%硅粉摻量的混凝土臨界孔徑減小了36.8 nm；基準混凝土凍融前后的最可幾孔徑增加了10.1 nm，而9%硅粉摻量的復合改性路面混凝土凍融前后最可幾孔徑增加了6.1 nm，相比基準混凝土凍融后9%硅粉摻量的混凝土最可幾孔徑減小了18.0 nm；摻入硅粉可以減緩玄武巖纖維路面混凝土的孔隙劣化進程，從而抑制孔隙貫通和孔隙尺寸擴展，對內部孔隙結構起到優化作用。

圖4 凍融作用下復合改性路面混凝土臨界孔徑及最可幾孔徑試驗結果Fig.4 Test results of critical pore size and mean pore-size of pavement concrete under freeze-thaw action

2.3 基于SEM微觀圖像的界面區結構分析

圖5為基準混凝土及9%硅粉摻量的復合改性路面混凝土凍融150次后纖維-水泥石界面區SEM照片。

圖5 凍融循環150次纖維-水泥石界面區SEM照片Fig.5 SEM images of fiber-cement interface zone after 150 times freeze-thaw cycles

從圖5可以看出，凍融150次后玄武巖纖維路面混凝土中玄武巖纖維與水泥石裹附不緊密，水化產物沒有緊緊附著在纖維表面，水化產物與纖維表面存在明顯間隙，玄武巖纖維與水泥石粘結性能變差，而玄武巖纖維對混凝土性能的改善主要是依靠水泥石將應力傳遞給玄武巖纖維，從而發揮玄武巖纖維對混凝土的增強作用，所以凍融作用明顯減小了纖維對混凝土的增強作用。而與基準組相比，9%硅粉摻量的硅粉復合改性混凝土中的玄武巖纖維與水泥石裹附效果有所提高，纖維與水化產物之間間隙明顯小于基準組，粘結性能變好，摻入硅粉減小了凍融作用對纖維-水泥石界面區結構的破壞程度。

圖6為基準混凝土及9%硅粉摻量的復合改性路面混凝土在凍融150次后骨料-水泥石界面區SEM照片。

圖6 凍融循環150次骨料-水泥石界面區SEM照片Fig.6 SEM images of aggregate-cement interface zone after 150 times freeze-thaw cycles

由圖6可知，凍融150次后玄武巖纖維路面混凝土界面區結構發生了明顯的劣化，混凝土界面區孔隙增多，微裂紋進一步擴展、貫通形成裂縫，裂縫長度及寬度均有所增加，而且界面區結構變得疏松，粘結性能變差。這主要是因為骨料和水泥石材料性質不同，在凍融環境下兩種材料對溫度敏感性有所差異，發生不同程度的膨脹收縮，從而產生應力，使孔隙變大、貫通，裂紋擴展為裂縫。而且凍融過程會產生雙重壓力，分別是水分凍結產生的膨脹壓力及水分融化流動產生的滲透壓力，混凝土在這雙重壓力作用下界面區骨料和水泥石應變不同，使界面區結構出現更多的裂縫和孔隙，導致骨料-水泥石界面區結構出現劣化。

與基準組相比，凍融150次后，9%硅粉摻量的玄武巖纖維路面混凝土的孔隙數量、裂紋貫通程度、裂縫寬度及長度均有所減小。主要是因為硅粉尺寸極小，可以填充在集料表面，消耗表面原先富集的水分，降低水膠比，從而改善界面區，減小界面的薄弱性，此外硅粉還可以優化膠凝材料的級配，減小混凝土孔隙。另外硅粉顆粒富含的SiO2成分可以與水泥水化產物C-H反應生成C-S-H凝膠，填補結構孔隙，減少界面區粗大晶體C-H含量，降低定向排列程度，從而顯著降低有害介質對混凝土的侵蝕作用及凍融破壞作用。

3 結 論

(1)與基準組相比，凍融320次后， 9%硅粉摻量的玄武巖纖維路面混凝土質量損失率降低了62.35%，相對動彈性模量提高了14.68%，抗彎拉強度提高了43.89%， 9%硅粉摻量相比于3%、6%摻量的硅粉增強玄武巖纖維混凝土抗凍性能改善效果更為明顯。

(2)硅粉的摻入可以減少凍融后無害孔和少害孔比例的衰減速率以及有害孔和多害孔比例的增長速率，減緩孔隙參數的增長，細化孔隙結構，優化孔結構的分布。

(3)與基準組相比，凍融150次后， 9%硅粉摻量的混凝土臨界孔徑減小了36.8 nm，最可幾孔徑減小了18.0 nm，硅粉的摻入阻抑了玄武巖纖維路面混凝土最可幾孔徑和臨界孔徑的增長，從而減緩孔隙劣化進程，抑制孔隙貫通和孔隙尺寸擴展。

(4)硅粉復合改性玄武巖纖維混凝土，提高了玄武巖纖維與水泥石裹附效果，減小了水泥石與骨料之間間隙，界面粘結性提高，摻入硅粉減小了凍融作用對纖維-水泥石界面區結構的破壞程度。