寒區公路泡沫混凝土抗凍融性能試驗研究★

陳海洋

(黑龍江省龍建路橋第二工程有限公司,黑龍江 哈爾濱 150027)

與普通混凝土相比,泡沫混凝土具有質輕、隔熱、環保、成本低等優點,已用于橋涵臺背回填、軟土地基加固等工程。目前對于泡沫混凝土路用性能的研究,已經取得了一定的成果。宋強等[1]研究揭示出,抗壓強度和導熱系數是泡沫混凝土最主要的性能參數,泡沫混凝土密度是影響其強度的主要因素。Osman Gencel等[2]通過在泡沫混凝土中添加玄武巖纖維與硅灰來提高泡沫混凝土的結構完整性,增強其抗凍耐久性。汪迎紅[3]發現與堆載預壓法相比,采用泡沫混凝土進行路堤填筑沉降量降低近50%。吳雨明[4]研究寒冷地區低溫環境對泡沫混凝土的強度影響,通過交叉對比試驗對不同配合比的泡沫混凝土進行25次凍融循環的試驗,發現摻加19 mm聚丙烯纖維和聚羧酸高效減水劑后,在經過凍融循環后,強度最低損失幅度為4.4%。劉軍等[5]、魏向明等[6]利用正交實驗分析泡沫混凝土的最優方案和顯著因素的影響關系。王蕾[7]針對凍土地區的路基填料開展凍融循環試驗,發現粉黏粒摻量高對回彈模量的影響較大,在-5 ℃～0 ℃區間范圍,土樣的回彈模量快速下降,當粉黏粒摻量大于12%時,凍融循環和含水率對回彈模量折減系數影響較大。綜上所述,盡管眾多文獻報道了不同配合比摻料及添加劑對泡沫混凝土的抗壓強度、導熱系數及抗凍耐久性的影響規律,但對于東北嚴寒地區的泡沫混凝土路用性能及凍融循環條件下泡沫混凝土的強度特性研究依然鮮見報道。

規劃建設中的黑龍江省安達市農村公路改造工程項目SGI標段,該地區冬季嚴寒,持續時間長。根據中國氣象網數據,近50年以來,安達地區最低氣溫為-41.8 ℃,其1月、2月、12月平均氣溫為-20.9 ℃,-15.9 ℃和-17.4 ℃。當地的路基土長期處于凍融循環條件下,出現凍脹、翻漿等路基病害,威脅道路的運營。因此,對該地區橋涵臺背回填、軟土地基加固工程中采用的泡沫混凝土開展凍融循環作用下的抗凍耐久性能的研究就顯得十分必要[8]。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

選用哈爾濱天鵝牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥,水泥基本物理力學性能指標見表1;選用哈爾濱市依蘭地區粉煤灰廠生產的一級粉煤灰,粉煤灰的化學成分見表2。泡沫選用物理發泡劑,制備泡沫應符合泡沫的指標參數。

表1 水泥的基本物理力學性能指標

表2 粉煤灰化學成分組成

1.2 試驗方法

按水膠比確定用水量,用注射器量取泡沫劑放入水中,高速攪拌2 min起泡,攪拌同時均勻加入膠凝材料,然后注入100 mm×100 mm×100 mm模內成型,制作好的試件放入恒溫箱中標準養護28 d。一共制備9組,每組6個,共計54個試件。

采用DP CDR-2快速凍融系統,凍融方式為水凍-水融法,設定4 h凍融循環一次,受凍和融化溫度設置范圍取為-20 ℃～+20 ℃,控制精度±0.5 ℃,凍融循環介質為-45 ℃防凍液。

依JG/T 266—2011泡沫混凝土,在室溫下(20 ℃±1 ℃)應用YAW-2000型微機控制電液伺服壓力試驗機對試件進行施壓,加荷速度為0.25 MPa/s,加載數據和破壞荷載由數據記錄儀器自動記錄。

2 試驗結果及試驗內容

2.1 有機硅烷對泡沫混凝土抗凍性影響

平均將9個配合比的試件分成兩批,第一批試件不做任何處理,第二批試件在放入快速凍融箱之前涂刷2遍有機硅烷防水涂料。采用L9(34)的正交試驗,將不同水膠比、粉煤灰摻量、硅灰摻量及礦粉摻量作為4個影響因素,并分別標記為因素A,B,C,D,以進行15次凍融循環后試件的抗壓強度為例,得到表3和圖1結果。

表3 正交試驗結果

從表3可知,通過各因素28 d抗壓強度的均值可以得出不管涂刷有機硅烷防水涂料與否,最優配合比組合均為A1B3C3D1;相比未涂防水涂料的泡沫混凝土,外涂有機硅烷防水涂料的泡沫混凝土抗壓強度都有一定程度提高,4個因素抗壓強度均值的最大值分別提高10.4%,8.5%,20.0%,7.1%。

從圖1(a)可知,隨著水膠比的增大,未刷涂防水涂料的泡沫混凝土抗壓強度隨之降低,而外涂防水涂料的泡沫混凝土抗壓強度先減小后增大,外涂防水涂料的抗壓強度都大于未涂的泡沫混凝土抗壓強度;由圖1(b)可知,隨著粉煤灰摻量的增加,未涂和外涂防水涂料的泡沫混凝土抗壓強度都先減小后增大,變化趨勢相似且都在粉煤灰摻量取25%時,抗壓強度取得最大值;由圖1(c)可知,外涂防水涂料的泡沫混凝土抗壓強度始終大于未涂的,且抗壓強度都隨著硅灰摻量的增加而減小,在硅灰摻量為15%時,抗壓強度均取得最大值;由圖1(d)可知,兩種情況下都隨著礦粉摻量的增大而減小,并且當礦粉摻量占料漿的比例為10%時,抗壓強度取得最大值。

2.2 泡沫混凝土的抗凍性研究

對外刷2遍有機硅烷的9組配合比試件進行F200凍融循環試驗,經凍融循環后的質量損失率見表4,強度損失率見圖2。按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》的規定,質量損失率不大于5%,強度損失率不大于20%為合格指標[9]。

表4 凍融試驗質量損失率

第1組凍融循環50次時強度損失率為1.76%,凍融循環100次時質量損失率已大于5%,其抗凍能力為50次。同理,第2組—第9組試件的抗凍能力分別為50次,100次,50次,150次,100次,150次,50次,200次。

上述9組試件的數據結果均符合F50及以上抗凍融評定標準,因此針對泡沫混凝土凍融循環50次時,進一步開展有關泡沫混凝土抗凍性的研究和討論。

由圖3(a)可以看出,泡沫混凝土的凍融質量損失率隨水膠比的上升先減小后增大,當水膠質量比為0.45時,泡沫混凝土的凍融質量損失率最大,為-0.23%。凍融質量損失率為負值說明質量不減反增,由于凍融水礦物質和泡沫混凝土的溶出物反應沉淀所致。凍融強度損失率隨水膠比的增大先減小后趨于平緩,當水膠質量比為0.50時,凍融強度損失率最小,為2.45%。整體上較大的水膠比有利于提高泡沫混凝土的抗凍性。

由圖3(b)可以看出,泡沫混凝土的凍融質量損失率隨粉煤灰摻量的增加而減小,當粉煤灰摻量為15%時,泡沫混凝土的凍融質量損失率最大,為0.84%;凍融強度損失率隨粉煤灰摻量的增大先增大后減小,當粉煤灰摻量為15%時,凍融強度損失率最小,為1.35%。

由圖3(c)可以看出,泡沫混凝土的凍融質量損失率隨硅灰摻量的增加而減小,當硅灰摻量為5%時,泡沫混凝土的凍融質量損失率最大,為-0.12%;凍融強度損失隨硅灰摻量的增大而減小,增加硅灰的摻量,可以降低質量損失率和強度損失率。

由圖3(d)可以看出,泡沫混凝土的凍融強度損失率隨礦粉摻量的增大先增大后減小,當礦粉摻量為10%時,凍融強度損失最小,為1.24%;當礦粉摻量為20%時,凍融強度損失率最大,為3.99%,較小的礦粉摻量有利于泡沫混凝土的抗凍。

3 結論

1)涂刷有機硅烷防水涂料與否,正交試驗得到的最優組合均為A1B3C3D1,確定泡沫混凝土最佳配合比為水膠質量比取0.45,粉煤灰∶硅灰∶礦粉質量比為25∶15∶10。2)經歷凍融循環后外涂有機硅烷防水涂料的泡沫混凝土抗壓強度均高于同配合比的未涂防水涂料的泡沫混凝土的抗壓強度,平均提高10%左右,涂刷有機硅烷等防水涂料可提高其在寒區的使用性能。3)強度損失率并不一定與質量損失率的變化趨勢一致,當凍融循環產生了一定的質量損失,泡沫混凝土內部可通過特定的重組和架構形成了新的穩定結構。