除冰鹽狀態(tài)下水泥混凝土路面退化性能研究

摘 要：為研究北方冰凍地區(qū)水泥混凝土道路在除冰鹽作用下的路面劣化性能，本文通過快速凍融循環(huán)試驗，利用微觀分析手段，對復(fù)合粉煤灰-礦渣微粉活性礦物改性水泥混凝土路面材料抗凍性能進行了相關(guān)研究。試驗結(jié)果表明：普通水泥混凝土抗凍性能較差，單摻50%礦渣微粉可有效優(yōu)化水泥混凝土抗鹽凍性能，復(fù)摻礦渣微粉-粉煤灰水泥混凝土抗鹽凍特性可顯著提高，質(zhì)量損失率為1.8%，相對動彈模量為73.44%。復(fù)摻適量活性礦物能夠促進混凝土中二次水化反過程，改善混凝土基體微細(xì)觀結(jié)構(gòu)，提高混凝土基體密實性和混凝土抗鹽凍能力。研究結(jié)果為水泥路面抗凍提供參考。

關(guān)鍵詞：復(fù)合礦物混凝土；凍融循環(huán)；質(zhì)量損失；強度損失；微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號：U 416" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著北方寒冷地區(qū)水泥混凝土道路的建設(shè)量增加，以凍融損傷為主要問題的混凝土結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象也逐年增加，導(dǎo)致水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)服役壽命縮短，失去作用，造成了大量社會經(jīng)濟問題。除冰鹽環(huán)境下水泥混凝土路面抗鹽凍性能損傷劣化過程，已經(jīng)成為道路工程界關(guān)注的熱點，凍融環(huán)境下的混凝土路面結(jié)構(gòu)安全問題亟待解決[1]。

水泥混凝土路面抗凍耐久性是混凝土材料方面的重要問題，經(jīng)受凍融損傷破壞后，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)剝蝕及開裂現(xiàn)象。水泥混凝土路面材料抗凍耐久性問題主要集中在分析混凝土質(zhì)量損失及動彈性模量損失方面[2-3]，分析凍融過程中的混凝土力學(xué)變化規(guī)律，提出相應(yīng)的凍融損傷本構(gòu)關(guān)系。

為研究復(fù)合活性礦物對水泥混凝土路面的抗鹽凍性能，本文結(jié)合宏觀試驗及微細(xì)觀分析，探討了復(fù)摻礦渣微粉、粉煤灰等活性礦物對水泥混凝土抗凍性能的影響規(guī)律，分析了凍融循環(huán)過程中混凝土物理力學(xué)變化規(guī)律。采用場發(fā)射掃描電鏡和X射線分析了復(fù)合礦物在混凝土中的作用機理，為降低混凝土氯鹽介質(zhì)的凍融破壞，延長混凝土服役壽命提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗原理

混凝土基體的孔隙中存有大量自由水，隨著環(huán)境溫度的降低，自由水發(fā)生結(jié)冰膨脹，進而引起混凝土孔隙周圍的拉應(yīng)力不足，是造成混凝土凍融破壞的主要因素，目前，國內(nèi)外學(xué)者相繼利用粉煤灰、礦渣微粉、堿礦渣等活性礦物改善混凝土結(jié)構(gòu)耐冰凍侵蝕性能[4-6]。復(fù)摻礦渣微粉、粉煤灰等活性礦物，能夠有效促進水化產(chǎn)物生成，填充混凝土內(nèi)部有害孔隙，優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，能延長混凝土的服役壽命及提高抗凍特性。本文結(jié)合宏觀試驗及微細(xì)觀分析，根據(jù)混凝土配合比和不同復(fù)合礦物材料摻量制作12個100mm×100mm×400mm（寬×高×長）的水泥混凝土試件，試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GBJ 82—85），利用TDR-16型快速凍融試驗機模擬海水環(huán)境下凍融循環(huán)試驗，采用DT-12型動彈模量測定儀測量凍融試驗過程中的混凝土動彈模量。總結(jié)混凝土經(jīng)受不同凍融循環(huán)后，試件表面剝蝕現(xiàn)象、在凍融循環(huán)過程中復(fù)合礦物混凝土試件質(zhì)量變化規(guī)律、礦渣微粉水泥混凝土強度變化過程與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。探討了復(fù)摻礦渣微粉、粉煤灰等活性礦物對水泥混凝土抗凍性能的影響規(guī)律。

2 試驗方法

2.1 原材料

試驗采用普通硅酸鹽水泥，型號為42.5。礦渣粉選用粒徑等級較高的粉末，型號為S95級，礦渣粉細(xì)度為500m2/kg，表觀密度為2.89g/cm3，火山灰活性指標(biāo)為81（7d）、104（28d），粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰。砂子為大河中砂，石子為1～3mm的碎石。測試用混凝土各材料的配比詳見表1，水泥、礦渣微粉、粉煤灰的化學(xué)組成見表2，圖1給為礦渣微粉XRD分析圖譜。

表1 復(fù)合礦物混凝土配合比

水泥/kg 礦渣微粉/kg 粉煤灰/kg 水/kg 砂/kg 石子/kg

345 0 0 160 615 1255

155 155 0 160 615 1255

130 155 35 160 615 1255

100 155 70 160 615 1255

表2 礦物材料化學(xué)成分含量（單位：%）

化學(xué)成分 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO SO3 其他

水泥 58.30 22.82 6.18 3.55 1.56 2.39 4.87

礦渣微粉 24.98 33.57 14.62 15.13 8.56 1.85 0.88

粉煤灰 4.65 56.32 31.85 6.19 1.02 1.52 1.32

2.2 試件制備

根據(jù)混凝土配合比和復(fù)合礦物材料摻量的不同，共制作12個100mm×100mm×400mm（寬×高×長）水泥混凝土試件，分為4組，每組3塊。試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中養(yǎng)護24h，取出后拆模，將試件置于模擬海水溶液中繼續(xù)飽水養(yǎng)護28d，進行凍融測試，具體試件分組見表3。

表3 水泥混凝土試件凍融試驗分組

試件編號 礦渣微粉摻量（質(zhì)量）/% 粉煤灰摻量（質(zhì)量）/% 水膠比 養(yǎng)護齡期/d

S0 0 0 0.5 28

S5 50 0 0.5 28

S5F1 50 10 0.5 28

S5F2 50 20 0.5 28

2.3 試驗方法及過程

試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GBJ 82—85），利用TDR-16型快速凍融試驗機進行模擬海水環(huán)境下凍融循環(huán)試驗，采用DT-12型動彈模量測定儀測量凍融試驗過程中混凝土的動彈模量。

為探討復(fù)合礦物對混凝土抗凍性能作用機理，利用SEM和XRD分析混凝土試件微觀結(jié)構(gòu)和晶體的演變規(guī)律。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 外觀變化

總結(jié)混凝土經(jīng)受不同凍融循環(huán)后，試件表面的剝蝕現(xiàn)象。結(jié)果表明凍融循環(huán)作用可加速混凝土外觀損傷，試件表面剝蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，大量砂漿顆粒脫落，骨料裸露，表面形成大量坑槽。凍融循環(huán)作用可導(dǎo)致混凝土表面形成多條微裂紋，并逐步連通，試件逐漸劣化，最終導(dǎo)致混凝土試件端部嚴(yán)重破損。

通過研究得知，經(jīng)受200次凍融后，復(fù)合粉煤灰-礦渣微粉混凝土表面裂縫開裂情況。結(jié)果表明S0組和S5F2組混凝土端部損傷嚴(yán)重，產(chǎn)生大量宏觀裂縫，骨料剝落現(xiàn)象嚴(yán)重。S5F1組混凝土端部未出現(xiàn)明顯的宏觀裂縫，混凝土表面產(chǎn)生輕微砂漿層剝落現(xiàn)象。由此可見，適量粉煤灰-礦渣微粉復(fù)合混凝土可有效抵抗凍融循環(huán)對外觀的影響。

在凍融過程中，混凝土表面微裂紋延伸擴展是導(dǎo)致混凝土表面剝蝕，骨料剝落的主要原因。通過研究不同復(fù)合礦物混凝土經(jīng)受200次凍融循環(huán)后裂縫擴展情況，結(jié)果表明S0組和S5F2組混凝土表面有明顯的開裂破壞現(xiàn)象，而S5組和S5F1組混凝土表面未觀察到明顯裂縫。由分析可得，復(fù)合摻入50%礦渣微粉與10%粉煤灰減緩了混凝土表面裂縫的產(chǎn)生及擴展過程。

3.2 質(zhì)量損失

圖2為凍融循環(huán)過程中復(fù)合礦物混凝土試件質(zhì)量變化規(guī)律。在凍融作用初期，普通混凝土質(zhì)量損失呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，混凝土經(jīng)受少量凍融循環(huán)作用內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，導(dǎo)致混凝土吸收水分，此時混凝土并未產(chǎn)生表面的剝蝕現(xiàn)象，混凝土質(zhì)量輕微增加。對復(fù)合礦物混凝土內(nèi)部密實度增加，孔隙內(nèi)部的自由水結(jié)冰時產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力較小，對混凝土產(chǎn)生的破壞程度不深，混凝土基體表觀的砂漿層剝離較少。孔隙水凍結(jié)融化次數(shù)增加，礦渣粉取代水泥制備的混凝土質(zhì)量損失較少，經(jīng)過200次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失為1%，抗凍效果較好。隨著復(fù)合摻入粉煤灰，質(zhì)量損失與其摻量產(chǎn)生較明顯變化，其中摻入10%粉煤灰，經(jīng)過200次凍融循環(huán)，質(zhì)量損失率僅為1.8%，未達(dá)到破壞狀態(tài)。經(jīng)過175次的孔隙水凍結(jié)融化過程，粉煤灰取代20%的混凝土質(zhì)量損失超過5%，按照測試標(biāo)準(zhǔn)，混凝土性能失效。上述試驗現(xiàn)象表明單摻50%礦渣微粉或復(fù)摻10%粉煤灰有利于混凝土凍融過程的抗剝蝕現(xiàn)象。

3.3 凍融破壞對復(fù)合礦物混凝土強度的影響

過程與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。由圖3試驗結(jié)果可得，混凝土內(nèi)部孔隙溶液的凍結(jié)融化過程可加深混凝土強度的劣化程度，導(dǎo)致抗壓強度逐漸降低。復(fù)摻適量礦渣微粉可有效改善混凝土強度的凍融損傷程度。單摻50%礦渣微粉延緩了凍融破壞過程中的強度損失，經(jīng)過125次凍融循環(huán)，復(fù)摻礦渣微粉混凝土抗壓強度損失率為28%，遠(yuǎn)低于普通混凝土的62%。在凍融循環(huán)過程中，復(fù)合摻加10%粉煤灰與50%礦渣微粉的混凝土試件強度均高于其他兩種混凝土試件，強度損失率最小，說明其抗凍性能優(yōu)于其他兩種混凝土試件。要達(dá)到最優(yōu)的性能，混凝土中粉煤灰-礦渣微粉的最佳摻量可取10%與50%。

4 結(jié)論

本文采用快速凍融循環(huán)試驗，研究了復(fù)合活性礦物在除冰鹽作用下對水泥混凝土路面抗鹽凍損傷的影響。分析了輔助礦物對凍融作用下混凝土的外觀及質(zhì)量變化、相對動彈模量損失，得出以下結(jié)論。1）混凝土中孔隙水的經(jīng)受凍結(jié)-融化過程，可造成水泥混凝土基體的質(zhì)量減少，表面剝損增加。當(dāng)混凝土中礦渣與水泥比值為0.5時，泥混凝土質(zhì)量損失率最小。復(fù)摻50%礦渣微粉和10%粉煤灰水泥混凝土質(zhì)量損失率最小。2）在凍融試驗中，隨著孔隙水凍結(jié)-融化次數(shù)增加，混凝土基體相對動彈模量呈下降趨勢，當(dāng)?shù)V渣含量為50%，粉煤灰含量10%時，經(jīng)200次的孔隙水凍結(jié)-融化過程后，混凝土相對動彈模量為74%、73%。根據(jù)判定標(biāo)準(zhǔn)，混凝土試件未失效。礦渣含量為50%，粉煤灰含量為10%的混凝土相對動彈模量分別提高24%、29%。3）粉煤灰和礦粉同時取代水泥，可有效改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，增加密實性，顯著改善水泥混凝土的抗鹽凍性能。

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