水泥混凝土路面抗鹽凍性能試驗(yàn)研究

張志強(qiáng)

(中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

0 引言

鹽凍病害是水泥混凝土路面經(jīng)常面臨的問(wèn)題。由于地理環(huán)境的特殊性，我國(guó)東北地區(qū)公路路面都會(huì)受到鹽凍的危害，給道路交通安全帶來(lái)較大影響。因此，有必要對(duì)水泥混凝土路面抗鹽凍性能進(jìn)行研究。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水泥混凝土受化學(xué)溶液腐蝕及凍融循環(huán)影響進(jìn)行了大量研究，成果較為豐富。南雪麗等對(duì)氯鹽侵蝕作用下聚合物快硬混凝土的抗凍性及耐腐蝕性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了其與普通硅酸鹽水泥的差異[1]。馬好霞等為分析醋酸鈣鎂除冰液對(duì)混凝土建筑物的破壞影響，采用不同濃度的醋酸鈣鎂對(duì)標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)研究[2]。劉芳等通過(guò)查閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，總結(jié)分析了混凝土受外部環(huán)境及荷載作用下的破壞機(jī)理，提出了未來(lái)混凝土的研究方向[3]?；唇ǚ逋ㄟ^(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)粉煤灰、陶粒影響混凝土的抗?jié)B及抗凍性進(jìn)行了研究，分析了二者提升混凝土抗?jié)B性及抗凍性的作用機(jī)理[4]。吳鵬程等針對(duì)除冰鹽影響水泥混凝土路面耐久性問(wèn)題，對(duì)除冰鹽溶液浸泡后的混凝土的物理性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究[5]。曹瑞實(shí)等同樣對(duì)除冰鹽影響水泥混凝土耐久性問(wèn)題進(jìn)行了研究，分析了不同種類、不同濃度的除冰鹽對(duì)混凝土的作用機(jī)制[6]。侯海元等通過(guò)Image-Pro Plus圖像處理方法，對(duì)冰凍影響下水泥混凝土的細(xì)觀力學(xué)特性進(jìn)行了研究，基于灰度分析法對(duì)水泥混凝土的細(xì)觀參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行了分析[7]。李偉等為提升季凍區(qū)水泥混凝土路面的抗凍性，在水泥混凝土中摻加不同種類的纖維，并對(duì)其進(jìn)行彎拉強(qiáng)度和凍融循環(huán)試驗(yàn)[8]。覃瀟等為提升混凝土路面的耐久性，對(duì)鹽凍前后的混凝土進(jìn)行了斷裂試驗(yàn)、彎拉試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)研究，分析了高吸水聚合物(SAP)對(duì)混凝土路面抗鹽凍性的作用機(jī)理[9]。謝宇晨等通過(guò)抗壓試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)，對(duì)刷抗凍材料的混凝土及素混凝土進(jìn)行了對(duì)比分析，揭示了抗凍材料的作用機(jī)理[10]。

綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)水泥混凝土受化學(xué)溶液腐蝕及凍融循環(huán)影響方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，但對(duì)不同種類鈉鹽溶液的研究相對(duì)較少。鑒于此，筆者結(jié)合遼寧某在建公路項(xiàng)目，對(duì)不同種類鈉鹽溶液、不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的物理性質(zhì)進(jìn)行研究，為工程實(shí)際提供可靠的技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)介紹

本文采用阜新鷹牌水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，密度為2.874 g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)稠度為0.65%，燒失量為2.7%，細(xì)度為5.2%，初凝時(shí)間為65 min，終凝時(shí)間為286 min，28 d抗壓強(qiáng)度為45 MPa。細(xì)集料采用市面售賣的天然河砂，表觀密度為1.512 g/cm3，壓碎值為35.71%，粗集料采用石灰?guī)r，表觀密度為2.747 g/cm3，壓碎值為12.34%，粒徑范圍為5～10 mm。減水劑采用市面售賣的普通混凝土減水劑。根據(jù)混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范，型號(hào)C52.5的混凝土配合比見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比

為分析不同種類鹽對(duì)路面混凝土的影響，本文選取三種典型鈉鹽進(jìn)行分析，分別為3%的NaCl溶液，3%的Na2CO3溶液和3%的Na2SO4溶液。按表中給出的配合比，制備尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，室溫養(yǎng)護(hù)28 d，之后將對(duì)應(yīng)編號(hào)的試件放入三種鈉鹽溶液中完全浸泡7 d。同時(shí)，設(shè)置對(duì)照組，即將養(yǎng)護(hù)28 d的標(biāo)準(zhǔn)試件放入水中完全浸泡7 d。待達(dá)到浸泡時(shí)間后，擦干表面水分，檢測(cè)對(duì)應(yīng)編號(hào)混凝土試件的質(zhì)量、相對(duì)動(dòng)彈模量及彎拉強(qiáng)度。路面混凝土試件的凍融循環(huán)試驗(yàn)在快速凍融試驗(yàn)箱中進(jìn)行，凍6 h、融6 h為一次完整凍融循環(huán)過(guò)程，凍結(jié)溫度設(shè)置為-20 ℃，融化溫度設(shè)置為20 ℃，每25次凍融循環(huán)檢測(cè)相對(duì)動(dòng)彈模量，并稱重。每50次凍融循環(huán)測(cè)一次彎拉強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 質(zhì)量分析

對(duì)不同鈉鹽浸泡下的混凝土試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，檢測(cè)不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件的質(zhì)量，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 質(zhì)量損失率分布曲線

從圖1(a)中可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增大，不同鹽溶液浸泡后的混凝土質(zhì)量損失率逐漸遞增，且質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)之間近似滿足線性函數(shù)關(guān)系。以Na2SO4溶液為例，當(dāng)凍融循環(huán)0次時(shí)，混凝土試件的質(zhì)量損失率為0；當(dāng)凍融循環(huán)100次時(shí)，混凝土試件的質(zhì)量損失率為0.18%；當(dāng)凍融循環(huán)200次時(shí)，混凝土試件的質(zhì)量損失率為0.36%，驗(yàn)證了質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)之間近似呈線性函數(shù)關(guān)系。導(dǎo)致質(zhì)量損失的原因是水泥混凝土中含有易溶于鈉鹽的礦物質(zhì)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件內(nèi)部微裂隙不斷地收縮與膨脹，滲流通道逐漸加寬，試件內(nèi)部礦物質(zhì)進(jìn)一步溶解，如此循環(huán)往復(fù)，致使質(zhì)量損失率逐漸增大。

圖1(b)為凍融循環(huán)150次不同鈉鹽溶液浸泡后混凝土試件質(zhì)量損失率對(duì)比結(jié)果。由圖可知，相同凍融循環(huán)次數(shù)下，不同鈉鹽溶液對(duì)混凝土質(zhì)量損失率的影響具有顯著差異。經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)150次后，混凝土試件在Na2SO4溶液中的質(zhì)量損失率為0.25%，在NaCl溶液中的質(zhì)量損失率為0.23%，在Na2CO3溶液中的質(zhì)量損失率為0.21%，在水中的質(zhì)量損失率為0.09%，可見(jiàn)，不同液體對(duì)混凝土的質(zhì)量損失率的影響依次為：Na2SO4溶液>NaCl溶液>Na2CO3溶液>H2O。

2.2 動(dòng)彈模量分析

對(duì)不同鈉鹽浸泡下的混凝土試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，檢測(cè)不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件的相對(duì)動(dòng)彈模量，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 相對(duì)動(dòng)彈模量分布曲線

從圖2(a)中可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增大，不同鹽溶液浸泡后的混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量逐漸遞減，且相對(duì)動(dòng)彈模量與凍融循環(huán)次數(shù)之間近似滿足線性函數(shù)關(guān)系。以Na2CO3溶液為例，當(dāng)凍融循環(huán)0次時(shí)，混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈模量為100%；當(dāng)凍融循環(huán)100次時(shí)，混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈模量為83.93%；當(dāng)凍融循環(huán)200次時(shí)，混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈模量為71.29%，驗(yàn)證了相對(duì)動(dòng)彈模量與凍融循環(huán)次數(shù)之間近似呈線性函數(shù)關(guān)系。原因是混凝土中的易溶物質(zhì)溶解后，試件表面孔隙逐漸增大，且逐漸向內(nèi)部延伸，凍融循環(huán)作用進(jìn)一步加寬了裂隙通道，使得鹽溶液不斷深入試件內(nèi)部，凍融循環(huán)還導(dǎo)致顆粒骨架疏松，承載能力下降，最終導(dǎo)致相對(duì)動(dòng)彈模量降低。

圖2(b)為凍融循環(huán)150次，不同鈉鹽溶液浸泡后混凝土試件相對(duì)動(dòng)彈模量對(duì)比結(jié)果。由圖可知，相同凍融循環(huán)次數(shù)下，不同鈉鹽溶液對(duì)混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量的影響具有顯著差異。經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)150次后，混凝土試件在Na2SO4溶液中的相對(duì)動(dòng)彈模量為62.81%，在NaCl溶液中的相對(duì)動(dòng)彈模量為70.71%，在Na2CO3溶液中的相對(duì)動(dòng)彈模量為78.75%，在水中的相對(duì)動(dòng)彈模量為93.11%，可見(jiàn)，不同液體對(duì)混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量的影響依次為：Na2SO4溶液>NaCl溶液>Na2CO3溶液>H2O。

2.3 彎拉強(qiáng)度

對(duì)不同鈉鹽浸泡下的混凝土試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，檢測(cè)不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件的彎拉強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3(a)中可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增大，不同鹽溶液浸泡后的混凝土彎拉強(qiáng)度逐漸遞減，且彎拉強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)之間近似滿足線性函數(shù)關(guān)系。以Na2SO4溶液為例，當(dāng)凍融循環(huán)0次時(shí)，混凝土試件的彎拉強(qiáng)度為5.99 MPa；當(dāng)凍融循環(huán)100次時(shí)，混凝土試件的彎拉強(qiáng)度為5.23 MPa；當(dāng)凍融循環(huán)200次時(shí)，混凝土試件的彎拉強(qiáng)度為3.97 MPa，驗(yàn)證了彎拉強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)之間近似呈線性函數(shù)關(guān)系。原因同前。

圖3(b)為凍融循環(huán)150次，不同鈉鹽溶液浸泡后混凝土試件彎拉強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果。由圖可知，相同凍融循環(huán)次數(shù)下，不同鈉鹽溶液對(duì)混凝土彎拉強(qiáng)度的影響具有顯著差異。經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)150次后，混凝土試件在Na2SO4溶液中的彎拉強(qiáng)度為4.49 MPa，在NaCl溶液中的彎拉強(qiáng)度為5.21 MPa，在Na2CO3溶液中的彎拉強(qiáng)度為6.26 MPa，在水中的彎拉強(qiáng)度為7.39 MPa，可見(jiàn)，不同液體對(duì)混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量的影響依次為：Na2SO4溶液>NaCl溶液>Na2CO3溶液>H2O。

圖3 彎拉強(qiáng)度分布曲線

3 結(jié)論

(1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增大，不同鹽溶液浸泡后的混凝土質(zhì)量損失率逐漸遞增，且質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)之間近似滿足線性函數(shù)關(guān)系。

(2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增大，不同鹽溶液浸泡后的混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量逐漸遞減，且相對(duì)動(dòng)彈模量與凍融循環(huán)次數(shù)之間近似滿足線性函數(shù)關(guān)系。

(3)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增大，不同鹽溶液浸泡后的混凝土彎拉強(qiáng)度逐漸遞減，且彎拉強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)之間近似滿足線性函數(shù)關(guān)系。

(4)根據(jù)質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈模量及彎拉強(qiáng)度三項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)，不同液體對(duì)混凝土的影響強(qiáng)弱依次為Na2SO4溶液>NaCl溶液>Na2CO3溶液>H2O。