含鹽陶?；炷恋柠}分釋放特性及路用性能

侯子義, 李虹橙, 鄭少鵬, 李思李, 王宗康

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401； 2.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，昆明 650041；3.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074； 4.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

蓄鹽路面技術(shù)作為一種環(huán)境友好型除冰雪技術(shù)[1-4]，通過在路面鋪筑材料中摻入具有抑制雨雪凍結(jié)效果的鹽化物，利用車輛對路面的磨耗、滲透壓力和毛細(xì)管現(xiàn)象的共同作用，使融冰鹽成分逐漸析出，從而路面具有融雪和抑制凍結(jié)的功能[5]. 針對技術(shù)所需的蓄鹽集料，筆者在水泥固化型[6-7]蓄鹽集料制備方法的基礎(chǔ)上，參考聚合物乳液在改性水泥砂漿中的應(yīng)用[8-9]，以頁巖陶粒為鹽分載體，經(jīng)浸鹽吸附處理后[10-12]，用聚合物改性水泥凈漿對陶粒表面進(jìn)行覆裹. 采用等體積替代骨料碎石的方法，將含鹽陶粒摻入到水泥混凝土中.

由于融冰鹽屬于強電解質(zhì)，遇水會出現(xiàn)溶解使得鹽分大量流失，影響蓄鹽路面除冰雪性能的長效性. 因此，覆裹處理后的含鹽陶粒具有良好的鹽分緩釋能力，并且不同摻量的含鹽陶?；炷辆哂辛己玫穆酚眯阅埽枪こ掏茝V應(yīng)用的關(guān)鍵. 試驗采用累計磨耗處理后的電導(dǎo)率分析法對混凝土的鹽分釋放特性進(jìn)行分析，并通過相關(guān)試驗對含鹽陶粒混凝土的路用性能進(jìn)行了分析，其結(jié)果對工程實踐具有指導(dǎo)意義.

1 試驗材料及方法

1.1 原材料

1) 試驗采用盾石牌P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示.

表1 水泥的物理力學(xué)性質(zhì)

2) 細(xì)骨料為秦皇島產(chǎn)天然中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，表觀密度為2.621×103kg/m3，級配符合Ⅱ區(qū)要求.

3) 粗集料為連續(xù)級配碎石，最大粒徑為25 mm，表觀密度為2.760×103kg/m3.

4) 粉煤灰為唐山某電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰.

5) 含鹽陶粒經(jīng)聚合物改性水泥凈漿覆裹處理后，養(yǎng)生至28 d，水泥凈漿的水膠比為0.4，聚合物乳液(羧基丁苯膠乳)摻量為14%. 其表觀狀態(tài)如圖1所示，各項性能指標(biāo)如表2所示.

表2 含鹽陶粒的物理力學(xué)性能

1.2 試驗方法

試驗參照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)[13]采用絕對體積法進(jìn)行配合比設(shè)計，并通過材料試配對各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，確定各試驗組的水膠比為0.41，砂率為36%，粉煤灰對水泥的取代率為20%，材料配合比如表3所示.

表3 含鹽陶粒混凝土配合比

試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，以3塊試件為1組，成型后放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)生至28 d. 取出在室溫下晾干12 h，模擬車輛及環(huán)境作用對含鹽陶粒表面緩釋覆裹層的磨損和鹽分的流失，將試件在相同負(fù)荷下累積磨耗處理后進(jìn)行浸泡溶析試驗.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 含鹽陶粒混凝土的鹽分釋放特性分析

2.1.1 溶液電導(dǎo)率與質(zhì)量濃度的關(guān)系

根據(jù)水分析化學(xué)理論，溶液的電導(dǎo)率與其所含的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，則溶液的電導(dǎo)率越大[14]. 試驗所用的DDS- 307數(shù)顯電導(dǎo)率儀，電極為DJS- 1C(鉑黑)，電極常數(shù)1.0，為了確定溶液電導(dǎo)率與含鹽陶?；炷聋}分析出量的關(guān)系，測得不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl溶液電導(dǎo)率γ，如圖2所示.

由圖2的曲線可知，NaCl溶液的電導(dǎo)率與質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有良好的相關(guān)性，可以將其作為含鹽陶粒混凝土鹽分釋放的標(biāo)準(zhǔn)線，通過將測得的浸泡溶液的電導(dǎo)率數(shù)值帶入擬合方程得到溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而分析試件表面的鹽分析出量，確定聚合物改性水泥凈漿的鹽分緩釋性能.

2.1.2 混凝土表層的鹽分釋放規(guī)律

試件表面浸泡深度為5 mm，浸泡溶劑的電導(dǎo)率為0.164 mS/cm. 為消除溫度對溶液電導(dǎo)率的影響，使得各組試件測得的電導(dǎo)率具有可比性，設(shè)定溫度補償為25 ℃. 每隔10 min測量一次溶液的電導(dǎo)率，將試件在200 N的負(fù)荷下磨耗30圈以去除試件表面成型浮漿，縮短水分對試件的浸潤所需時間，同時觀察試件表面含鹽陶粒集料的磨損情況，如圖3所示. 磨耗處理后各組試件的浸泡溶液1 h的電導(dǎo)率如圖4所示.

觀察圖3中試件表面，可以發(fā)現(xiàn)磨耗處理使得試件表面的集料充分外露且未對含鹽陶粒形成大面積磨損，保證了試件表層含鹽陶粒覆裹結(jié)構(gòu)層的完整性. 同時根據(jù)圖4可知，經(jīng)過一定時間的浸泡，各組試件浸泡溶液的電導(dǎo)率均出現(xiàn)不同程度的增長. 相較于普通混凝土試件的浸泡溶液，含鹽陶粒混凝土試件浸泡溶液的電導(dǎo)率顯著提高且替代率越高，浸泡溶液的電導(dǎo)率變化越明顯. 觀察圖中電導(dǎo)率的變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，溶液電導(dǎo)率的變化均較為平緩，并未出現(xiàn)短期內(nèi)大幅增加. 分析認(rèn)為，上述現(xiàn)象是由于聚合物改性水泥凈漿對含鹽陶粒的覆裹緩釋，使得鹽分需要在水分的滲透作用下逐漸向外滲析.

將替代率為100%的試驗組浸泡1 h后的電導(dǎo)率1.653 mS/cm，帶入標(biāo)準(zhǔn)線的擬合方程，得到溶液的NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.052%，浸泡溶劑為275 mL，計算得試件表面的鹽分析出量為0.143 g，由浸泡面積0.022 5 m2轉(zhuǎn)化為單位面積鹽分析出量，則為6.36 g/m2. 其他各實驗組浸泡1 h的鹽分析出量如表4所示.

表4 試件磨耗30圈后浸泡1 h后的鹽分析出量

2.1.3 磨損后的混凝土鹽分釋放規(guī)律

由于路面在車輛的作用下會逐漸磨損，含鹽陶?；炷羶?nèi)部含鹽陶粒的覆裹緩釋層也會被損耗，其對鹽分的緩釋作用在一定程度上受到影響. 為探究覆裹緩釋層在大面積磨損后的鹽分釋放規(guī)律，將第1次浸泡試驗的試件烘干，然后在200 N的負(fù)荷下再次磨耗60圈，以加深對含鹽陶粒表面覆裹層的磨損，如圖5所示. 取等量溶劑再次進(jìn)行浸泡溶析試驗，測得試件表面累計磨耗圈數(shù)達(dá)到90圈后的浸泡溶液1 h的電導(dǎo)率如圖6所示.

由圖6可知，再次磨耗處理后，浸泡時間為10 min時含鹽陶粒替代率為100%的試驗組溶液電導(dǎo)率較初次浸泡試驗提高了1.202 mS/cm，增長率達(dá)73%，替代率為70%的試驗組電導(dǎo)率提高了0.548 mS/cm，增長率達(dá)39%. 針對浸泡溶液電導(dǎo)率的變化，觀察圖5發(fā)現(xiàn)，經(jīng)再次磨耗處理陶粒表面的緩釋覆裹層材料大面積破損，陶粒內(nèi)部的孔系結(jié)構(gòu)大面積露出，使得鹽分遇水后大量析出，各組浸泡溶液的電導(dǎo)率較初次浸泡試驗均出現(xiàn)不同程度的增長，而且通過各組電導(dǎo)率數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，混凝土中含鹽陶粒的替代率越高，則試件表層的鹽分析出量越多. 將圖6試驗測得的溶液電導(dǎo)率，帶入標(biāo)準(zhǔn)線的擬合方程計算，可得各組試件1 h的鹽分析出量，如表5所示.

表5 試件磨耗90圈后浸泡1 h后的鹽分析出量

2.1.4 混凝土內(nèi)部的鹽分釋放規(guī)律

由于試件表層含鹽陶粒經(jīng)過累計磨耗處理和重復(fù)浸泡溶析試驗，其鹽分已基本析出. 為了進(jìn)一步探究混凝土內(nèi)部含鹽陶粒的鹽分釋放特性，將浸泡測試后的試件烘干，根據(jù)含鹽陶粒平均粒徑為15 mm，采用平行于試件成型面進(jìn)行橫向切割，切割厚度為30 mm，使得混凝土中下層含鹽陶粒充分外露，根據(jù)2.1.3試驗方法進(jìn)行浸泡溶析試驗，各組試件結(jié)果如圖7所示.

由圖7的數(shù)據(jù)分析可知，各組混凝土試件深層陶粒的鹽分釋放特點與表層含鹽陶粒的測試結(jié)果基本一致，即隨著含鹽陶粒替代率的增加，浸泡溶液電導(dǎo)率逐漸增大且電導(dǎo)率的增長速率較表層試驗明顯提高，但數(shù)值均小于表層試驗. 分析認(rèn)為：出現(xiàn)上述結(jié)果是由于試件切割過程中刀片冷卻水的沖刷和含鹽陶粒表面覆裹層被破壞，導(dǎo)致陶粒內(nèi)部鹽分大量流失. 同時，觀察剖切面的含鹽陶粒分布密度發(fā)現(xiàn)，試件內(nèi)部的含鹽陶粒分布要少于試件表層，使得試件的鹽分析出量較低，替代率為100%的試驗組，浸泡溶液電導(dǎo)率數(shù)值較相同試驗組表層陶粒二次浸泡后的電導(dǎo)率相差了1.202 mS/cm，降低了48.4%.

根據(jù)上述浸泡溶析試驗和對比不同磨耗圈數(shù)后的各試驗組單位時間內(nèi)的鹽分析出量差異，可以得出：聚合物改性水泥凈漿的覆裹處理對鹽分具有良好的緩釋性能，可以保證含鹽陶?；炷羶?nèi)的鹽分耐久性.

2.2 含鹽陶粒混凝土的路用性能分析

2.2.1 含鹽陶粒摻量對混凝土抑凍性能的影響

在鹽分緩釋的基礎(chǔ)上，含鹽陶?；炷辆哂幸种苾鼋Y(jié)的效果是工程應(yīng)用的關(guān)鍵，需對含鹽陶粒摻量對混凝土抑凍性能的影響進(jìn)行研究. 通過惡劣交通氣象條件模擬試驗箱將環(huán)境溫度控制在-2 ℃±-1 ℃，各組混凝土試件進(jìn)行磨耗處理后，在表面形成的圓形凹槽內(nèi)注入清水，觀察各組試件表面液體凍結(jié)情況. 當(dāng)溶液表面出現(xiàn)薄冰時為開始凍結(jié)，溶液與試件接觸面無液態(tài)水時為完全凍結(jié)，記錄凍結(jié)所需時間，如圖8所示.

由圖8數(shù)據(jù)可知，隨著含鹽陶粒替代率的增加，試件表面溶液完全凍結(jié)所需時間延長，說明含鹽陶粒替代率的增加，使得混凝土抑制凍結(jié)的性能逐漸增強. 替代率為0%的普通混凝土試件，其表面水溶液需15 min即完全凍結(jié)，而含鹽陶粒替代率為30%的試驗組所需時間為45 min，是普通混凝土的3倍，替代率為100%的試驗組，完全結(jié)冰時間延長至70 min，是普通混凝土的4.67倍. 測得各組試件表面溶液電導(dǎo)率(如圖9所示)，結(jié)合溶液電導(dǎo)率與溶液離子質(zhì)量濃度的關(guān)系，可以得出含鹽陶粒的替代率越高，則試件表層釋放的鹽分越多，其抑制凍結(jié)的性能越好.

2.2.2 含鹽陶粒摻量對混凝土力學(xué)性能的影響

通過2.2.1試驗發(fā)現(xiàn)覆裹層的磨損是影響混凝土中鹽分耐久性的主要因素. 同時，耐磨性作為水泥混凝土重要的路用性能之一，路面磨光會導(dǎo)致輪胎與路面的附著力下降，對車輛的行駛安全造成不良影響，磨耗值過大則會影響路面的耐久性要求[15-16]. 為了探究含鹽陶粒摻量對混凝土耐磨性能的影響，對不同替代率的含鹽陶?；炷恋哪湍バ阅苓M(jìn)行研究，對比其與普通混凝土的差異，測得各組試件磨耗值，如圖10所示.

通過圖10中試驗測得的數(shù)值可以看出，混凝土的磨耗值隨著含鹽陶粒的替代率增大而增大，當(dāng)陶粒對骨料碎石的替代率為100%時，混凝土的磨耗值最大值為3.29 kg/m2，與含鹽陶粒替代率為0的普通混凝土的差值為1.32 kg/m2，增長幅度達(dá)67%. 根據(jù)《公路水泥混凝土路面滑膜施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ/T 037.1—2000)[17]中規(guī)定，水泥混凝土路面的磨耗值不大于3.6 kg/m2,各組的磨耗值均小于規(guī)范要求，證明含鹽陶?；炷聊軡M足路面的耐磨性要求，但含鹽陶粒對骨料碎石的替代使得混凝土耐磨性能有所下降.

對于水泥混凝土路面，混凝土的抗壓強度和抗折強度常作為設(shè)計施工的參考指標(biāo)，其強度的高低與路用性能的好壞密切相關(guān). 由于含鹽陶粒顆粒強度比碎石骨料低，為了確定含鹽陶粒摻量對混凝土力學(xué)性能的影響，測得各組試驗結(jié)果如圖11、12所示.

由圖11的數(shù)據(jù)可知，隨著含鹽陶粒替代率的增大，混凝土7 d和28 d的抗壓強度均逐漸降低. 對比發(fā)現(xiàn)：替代率為30%的試驗組，7 d和28 d的抗壓強度比含鹽陶粒摻量為0%的試驗組分別下降5.8%和9.4%；替代率為100%的試驗組比摻量為0%的試驗組的7 d和28 d的抗壓強度分別下降45.5%和39.3%. 這說明含鹽陶?；炷恋膹姸让黠@低于普通混凝土. 同時，觀察圖中曲線斜率的變化特點，發(fā)現(xiàn)各組試件7 d的抗壓強度較28 d的下降更為明顯. 因此，在相同水膠比條件下，含鹽陶?；炷恋目箟簭姸入S陶粒對骨料的替代率增大而減小.

根據(jù)圖12中各組數(shù)據(jù)分析可知，混凝土的抗折強度變化規(guī)律與抗壓強度基本相似，即抗折強度隨含鹽陶粒對骨料碎石的替代率增大而減小. 根據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D40—2011)[18]中對不同交通量等級的路面設(shè)計抗彎拉強度要求，輕等級為4.0 MPa，中等級為4.5 MPa，重、特重、極重等級為5.0 MPa以上. 當(dāng)含鹽陶粒替代率為70%時，測得的抗折強度為4.08 MPa，替代率為30%的試驗組的抗折強度為5.53 MPa，因此，當(dāng)含鹽陶粒的替代率小于等于70%時，可以滿足各交通量等級的抗彎拉強度要求.

上述研究證實了含鹽陶?；炷辆哂辛己玫囊謨鲂Ч?，但含鹽陶粒的摻量對水泥混凝土抗壓強度、抗彎拉強度和耐磨性能均造成不同程度的衰減影響，在實際工程應(yīng)用時，需綜合考慮混凝土的力學(xué)性能和融冰化雪要求，確定含鹽陶粒對骨料碎石的替代率.

3 結(jié)論

1) 通過磨耗處理后的浸泡溶析試驗測試了覆裹層材料的鹽分緩釋性能，證實了含鹽陶粒混凝土中鹽分具有良好的耐久性，混凝土中含鹽陶粒的替代率越高，則表層的蓄鹽量越高.

2) 根據(jù)重復(fù)浸泡溶析試驗的鹽分溶析量及剖切面的鹽分析出量，可以得出隨著含鹽陶粒的替代率增加，試件表面的鹽分析出量增大，其析出量差異反映出含鹽陶?；炷恋男铥}量受動水沖刷及陶粒覆裹層的磨損影響較大.

3) 含鹽陶粒混凝土具有良好的抑凍性能，含鹽陶粒的替代率越高，則試件表層釋放的鹽分越多，其抑制凍結(jié)的效果越好. 當(dāng)替代率為100%時，試件表面完全凍結(jié)所需時間延長至70 min是普通混凝土的4.67倍.

4) 含鹽陶粒對骨料碎石的替代會對混凝土的力學(xué)性能和耐磨性能造成影響，隨著替代率的增大，其抗壓強度和抗折強度較普通混凝土均會有所下降，耐磨性能低于普通混凝土，工程應(yīng)用需根據(jù)路面除冰雪要求和強度設(shè)計要求綜合確定含鹽陶粒的替代率.