水泥砼路面抗鹽凍性能研究*

郭敬業(yè), 賈海洋

(1.河南省機(jī)西高速公路建設(shè)有限公司， 河南 鄭州 450000；2.河南中原高速公路股份有限公司， 河南 鄭州 450000)

水泥砼路面在長期凍融循環(huán)作用下會(huì)出現(xiàn)露骨、坑槽等現(xiàn)象，不僅影響其使用性能，也會(huì)弱化道路美觀。特別是雨雪天氣，為保障行車安全，需撒布融雪劑，而融雪劑的主要成分是鈉鹽，會(huì)加速砼路面的凍融破壞。國內(nèi)外針對水泥砼路面抗鹽凍性能作了很多研究，從結(jié)構(gòu)類型及原材料組合方面進(jìn)行了很多改進(jìn)，也取得了大量成果，但砼抗鹽凍問題仍未解決。該文在水泥砼路面礦料級配設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在鹽凍環(huán)境下對水泥砼進(jìn)行凍融循環(huán)及彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究，測定不同凍融循環(huán)作用次數(shù)下水灰比、引氣劑、粉煤灰和鋼纖維對砼質(zhì)量損失、相對動(dòng)彈模量及彎拉強(qiáng)度的影響，通過優(yōu)化原材料構(gòu)成，改善水泥砼路面的抗鹽凍性能，增加砼結(jié)構(gòu)的使用年限。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 水泥

采用C52.5 普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 水泥的主要技術(shù)指標(biāo)要求

1.2 集料

細(xì)集料選用天然河砂，粗集料為石灰?guī)r，粗、細(xì)集料的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表2，均滿足規(guī)范要求。

表2 粗、細(xì)集料的主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 引氣劑、粉煤灰及鋼纖維

選用SJ 系列引氣劑，其主要性能指標(biāo)見表3，能較好地改善砼的彎拉強(qiáng)度。粉煤灰能代替部分水泥，達(dá)到減少工程成本及改善砼和易性的效果，試驗(yàn)所用粉煤灰的主要技術(shù)指標(biāo)見表4。試驗(yàn)所用鋼纖維的抗拉強(qiáng)度不小于800 MPa，長度45 mm，直徑0.75 mm。

1.4 配合比設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)砼、低水灰比砼、無引氣劑砼、粉煤灰砼及鋼纖維砼的設(shè)計(jì)配合比見表5。

2 抗鹽凍性能試驗(yàn)分析

影響砼抗鹽凍能力的因素很多，包括原材料、施工環(huán)境、工藝及養(yǎng)護(hù)質(zhì)量等。進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)和彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)，NaCl鹽溶液濃度為3%，測定不同凍融循環(huán)次數(shù)下砼的相對動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失及彎拉強(qiáng)度。砼標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm。試驗(yàn)前將養(yǎng)生 24 d的標(biāo)準(zhǔn)試件放入濃度為 3%的 NaCl溶液中浸泡 4 d，液體高出試件頂面3 cm 左右，檢測其初始相對動(dòng)彈性模量、質(zhì)量及彎拉強(qiáng)度。試驗(yàn)時(shí)試件凍 2 h、融 2 h為一次凍融循環(huán)，凍結(jié)溫度為-18 ℃，融冰溫度為 15 ℃左右，每25次凍融循環(huán)測定一次相對動(dòng)彈性模量及質(zhì)量損失，每100次測定一次彎拉強(qiáng)度。

表5 5種砼的設(shè)計(jì)配合比

2.1 水灰比的影響

對基準(zhǔn)砼、低水灰比砼分別開展鹽凍環(huán)境下凍融循環(huán)試驗(yàn)及彎拉試驗(yàn)，檢測相對動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失及彎拉強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見圖1～3。

圖1 水灰比對砼相對動(dòng)彈性模量的影響

由圖1可知：低水灰比砼能減緩凍融循環(huán)作用下相對動(dòng)彈性模量的下降，100和200 次凍融循環(huán)作用下相對動(dòng)彈性模量比基質(zhì)砼分別提高9.27%、12.12%。

圖2 水灰比對砼質(zhì)量損失的影響

圖3 水灰比對砼彎拉強(qiáng)度的影響

由圖2可知：低水灰比砼能降低凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失，100 和200 次凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失比基質(zhì)砼分別降低7.69%、10.71%。

由圖3可知：低水灰比能改善砼的彎拉強(qiáng)度，0、100和200 次凍融循環(huán)作用下彎拉強(qiáng)度比基質(zhì)砼分別提高7.81%、6.90%、17.02%。

綜上，低水灰比不僅能改善砼的彎拉強(qiáng)度，還能增強(qiáng)砼的抗鹽凍能力。

2.2 引氣劑的影響

對基準(zhǔn)砼及未摻引氣劑的砼分別開展鹽凍環(huán)境下凍融循環(huán)試驗(yàn)及彎拉試驗(yàn)，檢測相對動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失及彎拉強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見圖4～6。

圖4 引氣劑對砼相對動(dòng)彈性模量的影響

圖5 引氣劑對砼質(zhì)量損失的影響

圖6 引氣劑對砼彎拉強(qiáng)度的影響

由圖4可知：未摻引氣劑時(shí)，凍融循環(huán)作用下砼的相對動(dòng)彈性模量降幅較大，100和200 次凍融循環(huán)作用下的相對動(dòng)彈性模量比基質(zhì)砼分別降低10.56%、30.09%。

由圖5可知：未摻引氣劑砼的質(zhì)量損失顯著變大，100和200 次凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失比基質(zhì)砼分別增大53.85%、64.29%。

由圖6可知：未摻引氣劑砼的彎拉強(qiáng)度顯著降低，0、100和200 次凍融循環(huán)作用下彎拉強(qiáng)度比基質(zhì)砼分別降低4.69%、10.34%、21.28%。

綜上，引氣劑的摻入不僅能改善砼的彎拉強(qiáng)度，而且抗鹽凍能力得到增強(qiáng)。

2.3 粉煤灰的影響

對基準(zhǔn)砼及摻粉煤灰的砼分別開展鹽凍環(huán)境下凍融循環(huán)試驗(yàn)及彎拉試驗(yàn)，檢測相對動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失及彎拉強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見圖7～9。

圖7 粉煤灰對砼相對動(dòng)彈性模量的影響

圖8 粉煤灰對砼質(zhì)量損失的影響

圖9 粉煤灰對砼彎拉強(qiáng)度的影響

由圖7可知：粉煤灰的摻入能減緩凍融循環(huán)作用下砼相對動(dòng)彈性模量的降低，100和200 次凍融循環(huán)作用下相對動(dòng)彈性模量比基質(zhì)砼分別提高9.39%、5.99%。

由圖8可知：粉煤灰的摻入能降低凍融循環(huán)作用下砼質(zhì)量損失，100和200 次凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失比基質(zhì)砼分別降低2.31%、25.00%。

由圖9可知：粉煤灰的摻入能降低砼的彎拉強(qiáng)度，0、100和200 次凍融循環(huán)作用下彎拉強(qiáng)度比基質(zhì)砼分別降低10.94%、8.62%、2.13%。

可見，粉煤灰的摻入雖然降低了砼的彎拉強(qiáng)度，但顯著改善了砼的抗鹽凍能力。

2.4 鋼纖維的影響

對基準(zhǔn)砼及摻鋼纖維砼分別開展鹽凍環(huán)境下凍融循環(huán)試驗(yàn)及彎拉試驗(yàn)，檢測相對動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失及彎拉強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見圖10～12。

圖10 鋼纖維對砼相對動(dòng)彈性模量的影響

圖11 鋼纖維對砼質(zhì)量損失的影響

圖12 鋼纖維對砼彎拉強(qiáng)度的影響

由圖10可知：凍融循環(huán)次數(shù)小于100次時(shí)，鋼纖維的摻入能減緩砼相對動(dòng)彈性模量降低的速度；凍融循環(huán)次數(shù)大于100次時(shí)，鋼纖維的摻入可顯著加快砼相對動(dòng)彈性模量降低的速度；100和 200 次凍融循環(huán)作用下?lián)戒摾w維砼的相對動(dòng)彈性模量比基質(zhì)砼分別提高4.11%、降低11.19%。

由圖11可知：鋼纖維的摻入能降低凍融循環(huán)作用下砼的質(zhì)量損失，100和200 次凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失比基質(zhì)砼分別降低6.15%、28.57%。

由圖12可知：鋼纖維的摻入能改善砼的彎拉強(qiáng)度，0、100和200 次凍融循環(huán)作用下彎拉強(qiáng)度比基質(zhì)砼分別增大14.52%、20.00%、29.55%。

可見，鋼纖維的摻入對砼短期抗鹽凍能力不利，但對長期抗鹽凍能力有利，摻入鋼纖維能改善砼的彎拉強(qiáng)度和抗鹽凍能力。

3 結(jié)論

通過鹽凍環(huán)境下凍融循環(huán)及彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)，分析基質(zhì)砼、低灰比砼、無引氣劑砼、粉煤灰砼及鋼纖維砼的彎拉強(qiáng)度及抗鹽凍能力，得到以下結(jié)論：

(1) 低水灰比砼能減緩凍融循環(huán)作用下相對動(dòng)彈性模量及質(zhì)量損失的降低，改善砼的彎拉強(qiáng)度和抗鹽凍能力。

(2) 引氣劑的摻入能增強(qiáng)凍融循環(huán)作用下砼的相對動(dòng)彈性模量，降低質(zhì)量損失，改善砼的彎拉強(qiáng)度和抗鹽凍能力。

(3) 粉煤灰的摻入能減緩凍融循環(huán)作用下砼的相對動(dòng)彈性模量及質(zhì)量損失的降低，雖然彎拉強(qiáng)度有所降低，但能顯著改善砼的抗鹽凍能力。

(4) 鋼纖維的摻入對砼短期抗鹽凍能力不利，但對長期抗鹽凍能力有利，鋼纖維的摻入能改善砼的彎拉強(qiáng)度和抗鹽凍能力。