水泥混凝土抗鹽凍性能試驗研究

曾文濤

（中鐵十八局集團房地產(chǎn)開發(fā)有限公司， 天津市 300222）

1 引言

水泥和瀝青是公路路面中兩種主要材料， 但國內(nèi)的水泥產(chǎn)量遠遠高于瀝青產(chǎn)量。 并且， 相比于瀝青混凝土路面， 水泥混凝土路面具有更高的強度以及穩(wěn)定性， 有著較長的使用壽命， 故當前我國的高等級路面中越來越多的應(yīng)用水泥混凝土路面。

2 配合比設(shè)計

2.1 原材料

（1） 水泥

使用P.O52.5 水泥， 試驗確定其有8Mpa 抗折強度、 3000kg/m3密度。

（2） 粗集料

以碎石作為粗集料， 有0.3%含水率、 1.2%含泥量、 1410kg/m3堆積密度、 2723kg/m3表觀密度， 粒徑共有三擋， 分別是 4.75mm-9.5mm、9.5mm-20mm 以及 20mm-27mm， 各粒徑以 4 ∶3 ∶3 的比例摻配。

圖1 混凝土級配曲線

（3） 細集料

使用中砂作為細集料， 具體參數(shù)為： 2.8 的細度模量、 1710kg/m3的堆積密度、 2700kg/m3的表觀密度， 包括含量為0.1%的云母， 1.3%的含泥量， 所含有機質(zhì)占比合格。

（4） 引水劑

所用引水劑為風楊SJ 系列， 在基質(zhì)混凝土中摻入0.01%， 不摻入到對比混凝土試件中。

（5） 減水劑

所用減水劑為福飛建筑材料公司生產(chǎn)， 共摻入1.5%。

（6） 礦物摻合料

以粉煤灰作為摻合料， 所用材質(zhì)滿足I 級質(zhì)量要求， 以2100kg/m3作為其表觀密度， 共摻入15%。

2.2 配合比

抗壓和抗剪等強度指標都是評價混凝土強度的重要指標， 一般情況下， 混凝土的強度等級多以抗壓強度作為評價標準， 控制指標多以彎拉強度作為評價標準， 且彎拉強度和抗壓強度往往呈現(xiàn)正比例關(guān)系［1］。 當前， 抗壓強度是評價混凝土強度的主要指標， 而從混凝土強度的角度進行考慮時， 其所使用的水灰比等均會對其產(chǎn)生一定的影響。 在固定的配合比之下， 水泥強度越高時，其混凝土強度則越大； 若所使用的水泥為同一種時， 越低的水灰比往往代表其強度越高。 當前混凝土的強度控制指標多以28d 彎拉強度來進行表示， 在設(shè)計混凝土時， 應(yīng)以重交通等級的標準來設(shè)計其配合比， 即應(yīng)確保其具有5MPa 以上的設(shè)計彎拉強度。

設(shè)計的高速公路需要滿足抗鹽凍要求， 其水灰比有著0.4 的最大值， 以160kg/m3作為水摻量的最大值［2］； 對于水泥的摻量而言， 當其沒有添加粉煤灰時， 應(yīng)使其大于320kg/m3， 當其添加粉煤灰時， 應(yīng)使其大于 280kg/m3。 在本文中， 所采用的水泥為同一種， 因此在控制混凝土的強度時通過變化其水灰比的方式實現(xiàn)， 并以此對混凝土抗鹽凍性能和混凝土強度之間的關(guān)系進行研究。 分別以0.4 和0.38 的水灰比進行試驗， 砂率占比則為34%， 計算各立方米混凝土配合比可得 ： 360kg 水 泥 ， 140kg 水 ， 1250kg 粗 集 料 、640kg 細集料， 0.01%引氣劑， 1.5%減水劑。 本文所用試驗組各自的配合比如表1 所示。

表1 混凝土配合比設(shè)計

3 路用混凝土抗鹽凍性能試驗研究

對路用混凝土的抗鹽凍性能造成影響的因素主要包括材料和環(huán)境因素兩大類， 因此當前多從兩方面入手對混凝土的抗鹽凍性能進行研究， 特別是對材料因素的研究［3］。 但多數(shù)研究均基于某一種材料進行， 缺少各種材料的綜合對比。 因此， 本文將基于相關(guān)規(guī)范要求， 確定材料類型和摻量， 并開展相關(guān)試驗對其彎拉強度損失等進行檢測， 從而對其所造成的影響進行分析。

以表1 中的混凝土類型， 分別制作三組試驗組， 每組共包括 3 個試件， 即共 3×3×6 個試件。以彎拉強度試驗測試各種混凝土類型的第一組試件的彎拉強度； 以凍融循環(huán)試驗測試各種混凝土類型的第二組試件和第三組試件。 第二組試件在凍融循環(huán)一百次之后即測試其彎拉強度， 并計算其彎拉強度損失， 第三組試件在凍融循環(huán)三百次之后， 在檢測其動彈模量和質(zhì)量時以間隔25 次進行試驗， 再對相對動彈模量以及質(zhì)量的損失進行計算， 此外， 在完成循環(huán)之后還需對其彎拉強度進行測試， 并對其彎拉強度損失進行計算分析。

在鹽凍條件下， 在含有3%Nacl 的溶液中對三組基質(zhì)混凝土試件分別進行凍融循環(huán)試驗、 彎拉強度試驗， 對不同凍融循環(huán)次數(shù)下的相對動彈性模量進行測試。 所得結(jié)果如表2 所示。

表2 基質(zhì)混凝土試驗結(jié)果

凍融循環(huán)次數(shù)和混凝土相對動彈模量、 彎拉強度存在反比例關(guān)系［4］。 基質(zhì)混凝土的相對動彈模量在凍融循環(huán)一百次和二百次時分別為86.2%以及76.2%， 并存在0.13%和0.28%的質(zhì)量損失，11%和30%的彎拉強度損失。 從上述分析可知，基質(zhì)混凝土在鹽凍情況下有著較多的彎拉強度損失， 即其性能有著較為顯著的降低。

3.1 水灰比的影響

對0.38 低水灰比的三組試件進行試驗， 并以基質(zhì)混凝土作為對照組。 從圖2 可看出， 降低水灰比會使得混凝土相對動彈模量降低幅度相應(yīng)減小。 即水灰比有延緩相對動彈模量下降的功能。此外， 在一百次和兩百次的凍融循環(huán)之下， 水灰比降低時其質(zhì)量損失分別為0.12%和0.25%， 相比于基質(zhì)混凝土， 兩者分別減小了6.8%和11.0%。

圖2 混凝土水灰比對其彎拉強度的影響

此外， 從其彎拉強度進行考慮有： 水灰比的減小能夠增加其彎拉強度。 對于0.38 水灰比的試驗組， 在凍融循環(huán)之前有著6.8MPa 的彎拉強度， 相比于基質(zhì)混凝土上升了6.8%； 而當凍融循環(huán)次數(shù)為100 次和200 次時， 其有著9.0%和21.5%的彎拉強度損失， 相比于基質(zhì)混凝土分別有 19.0%和 25.0%的降低［5］。 綜上可知， 混凝土的彎拉強度能夠通過降低水灰比的方式來提高，以使其抗鹽凍性能得到改善。

3.2 粉煤灰的影響

對添加粉煤灰的三組試件進行試驗， 并以基質(zhì)混凝土為對照組， 所得結(jié)果如圖3 所示。

圖3 粉煤灰對混凝土彎拉強度的影響

從圖中可知： 對于混凝土的相對動彈模量而言， 因凍融循環(huán)而降低的幅度能夠通過加入粉煤灰的方式使其有所降低。 混凝土的相對動彈性模量在粉煤灰加入之后， 相比于基質(zhì)混凝土有著1.05 和1.03 倍的增加量。 在一百次和兩百次的凍融循環(huán)之下， 其質(zhì)量損失分別為0.11%和0.20%，與基質(zhì)混凝土相比降低了7%和24%。 綜上可知，對于混凝土的長期抗鹽凍性能而言， 加入粉煤灰能使其得到較大的提升。

此外， 從混凝土的彎拉強度出發(fā)， 粉煤灰的加入能使混凝土的彎拉強度在凍融循環(huán)試驗之前有5.3MPa 的值， 相比于基質(zhì)混凝土有著11.%的減??； 當凍融循環(huán)次數(shù)為100 次和200 次時， 其有著9%和20%的彎拉強度損失， 相比于基質(zhì)混凝土有著19%和25%的減少量。 即混凝土的彎拉強度在粉煤灰摻入后雖有所下降， 但其能夠使混凝土的抗鹽凍性能得到有效的改善。

3.3 引氣劑的影響

對無添加引氣劑的三組試件進行試驗， 并以基質(zhì)混凝土作為對照組， 所得結(jié)果如圖4 所示。

圖4 引氣劑對彎拉強度的影響

在引氣劑添加之前， 因凍融循環(huán)而使得混凝土的相對動彈降低速率較為顯著［6］， 相比于基質(zhì)混凝土， 其在一百次和兩百次的凍融循環(huán)下的相對動彈性模量為75%和55%， 降低了約19%和25%。 相比于基質(zhì)混凝土， 混凝土的質(zhì)量損失在引氣劑加入之前， 在一百次和兩百次的凍融循環(huán)下分別為0.20%和0.50%， 增加量分別為53.2%和61.5%。 相比于基質(zhì)混凝土， 在引氣劑摻入之前， 以及開始凍融循環(huán)之前， 混凝土的彎拉強度為 6MPa， 減小量為 4.3%； 綜上可知， 在混凝土中摻入引氣劑能夠使其彎拉強度得到提升， 并相應(yīng)改善其抗鹽凍性能。

4 結(jié)語

通過上述分析， 本文主要得出以下結(jié)論：

（1） 從彎拉強度的角度出發(fā)， 降低水灰比能夠使其得到有效的提高， 并提高其抗鹽凍性能。相比于基質(zhì)混凝土， 在0.38 低水灰比的情況下，其有著6.2%的彎拉強度提升值； 比起基質(zhì)混凝土， 在一百次和兩百次的凍融循環(huán)次數(shù)下， 其分別有著1.06 倍和1.09 倍的相對動彈模量， 質(zhì)量損失則降低了6.5%和11.3%， 彎拉強度損失降低了20%和25%。

（2） 從彎拉強度的角度出發(fā)， 當粉煤灰摻入時， 其相比于基質(zhì)混凝土有著11%的減小值； 同樣， 比起基質(zhì)混凝土， 在一百次和兩百次的凍融循環(huán)次數(shù)下， 其相對動彈模量為其1.03 和1.05倍， 質(zhì)量損失則有著6.8%和25%的減小量， 彎拉強度則有著20%和25%的減小量。 即對于混凝土的彎拉強度而言， 隨著粉煤灰的摻入使其有所減小， 但使其抗鹽凍性能得到了較大的改善。

（3） 混凝土在摻入引氣劑之前， 有著4.4%的彎拉強度降低值， 而在一百次和兩百次的凍融循環(huán)次數(shù)下， 有著19.5%和24.3%的相對動彈模量降低值； 質(zhì)量損失則有57%和62%的增加量，彎拉強度則有著20%和45%的增加量。 即對于混凝土的彎拉強度和抗鹽凍性能而言， 引氣劑的加入能使其兩個指標均得到有效的提高。