疲勞荷載作用下納米SiO2改性路面混凝土抗凍性及孔結(jié)構(gòu)研究

周學(xué)翔，鄭文詩，吳聰

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530000）

0 引言

中國(guó)地域遼闊，寒冷地區(qū)分布廣泛，主要集中在東北、西北一帶，寒區(qū)氣候環(huán)境特殊，凍融循環(huán)是其主要特點(diǎn)。常年凍融循環(huán)對(duì)分布在寒區(qū)的道路、橋梁混凝土耐久性造成了極大損傷，影響其美觀性及使用壽命［1-2］。特別是針對(duì)路面混凝土，其斷面較厚，導(dǎo)熱性差，寒區(qū)溫差大，混凝土板上下溫度不均，易產(chǎn)生裂縫，在冬末初春時(shí)分，路面融化的雨水沿著裂縫進(jìn)入混凝土板內(nèi)，隨著溫度的降低、升高，繼而加劇凍融循環(huán)破壞［3-5］。由此可見，改善寒區(qū)路面混凝土抗凍性是提高其耐久性的關(guān)鍵。

關(guān)于提高混凝土耐久性的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作。郭寅川等［6］研究采用水性環(huán)氧樹脂改善橋面板混凝土的耐久性，研究發(fā)現(xiàn)：水性環(huán)氧樹脂與水泥石結(jié)合形成致密的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于增強(qiáng)混凝土抗彎拉性和疲勞性能。針對(duì)抗凍性，Liu 等［7］向混凝土中摻入硅灰提高其抗凍性，通過掃描電鏡等手段，發(fā)現(xiàn)硅粉顯著改善了混凝土孔結(jié)構(gòu)，空隙率減小，對(duì)比基準(zhǔn)組，相對(duì)動(dòng)彈模量及質(zhì)量損失率有了較好改善；董玉文等［8］對(duì)比研究不同凍融次數(shù)及橡膠粉摻量對(duì)混凝土抗凍性的影響，結(jié)果表明：在凍融次數(shù)較小時(shí)，橡膠粉對(duì)其抗凍性影響不大，當(dāng)凍融次數(shù)增大到150 次時(shí)，隨著橡膠粉摻量增加，混凝土質(zhì)量損失率先減小后增大，橡膠粉摻量為15 kg/m3的試件質(zhì)量損失率比基準(zhǔn)組下降3.23%。除了硅灰、橡膠粉，也有學(xué)者研究不同石墨烯摻量下混凝土抗凍性的變化規(guī)律，從試驗(yàn)結(jié)果得出0.1%摻量的石墨烯抗壓強(qiáng)度和抗凍性最好，主要是由于其在水泥漿中形成的相互交叉的微晶體結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了混凝土結(jié)構(gòu)疏散的弊端，從而減少了凍融循環(huán)對(duì)其破壞［9-11］。高國(guó)華等［12］指出納米SiO2能夠有效增強(qiáng)石料裹漿能力，在電子顯微鏡觀察下，納米SiO2明顯改善了混凝土界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，使其更加致密，孔隙明顯降低，從宏觀上表現(xiàn)出其抗凍性極大提高；Puentes 等［13］、Said 等［14］同樣認(rèn)為，納米SiO2可降低混凝土空隙率，增強(qiáng)混凝土密實(shí)性、強(qiáng)度及抗凍性。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土抗凍性的研究較單一，未考慮路面荷載因素?；诖?，本文將納米材料摻入混凝土中，納米材料種類較多，但大多價(jià)格昂貴且稀少，考慮到納米SiO2價(jià)格低廉、易獲取，且具有表面能等優(yōu)點(diǎn)，選取納米SiO2用于改性混凝土抗凍性，通過采集質(zhì)量損失率、動(dòng)彈模量以及剩余抗拉強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，研究納米SiO2對(duì)混凝土抗凍性的改善效果，同時(shí)對(duì)其施加疲勞荷載，模擬車輛荷載作用下納米SiO2對(duì)路面混凝土抗凍性的改善效果。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

選用秦嶺牌P.O42.5 普通硅酸鹽水泥；粗集料采用石灰?guī)r；細(xì)集料選用0～5 mm 機(jī)制砂；減水劑采用聚羧酸高性能減水劑；水為普通飲用水；納米SiO2采用親水型氣相納米SiO2，其外觀呈白色粉末狀，具體技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 納米SiO2化學(xué)組成及主要技術(shù)參數(shù)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

為比較納米SiO2摻量對(duì)路面混凝土抗凍性的影響，本文設(shè)計(jì)了基準(zhǔn)組與納米組混凝土配合比，如表2 所示?；谘芯空咔捌诖罅康纳皾{試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)納米SiO2摻量范圍進(jìn)行了優(yōu)選，最終確定納米SiO2摻量為1%、2%、3%。

表2 納米SiO2改性路面混凝土配合比

2 試驗(yàn)方法及方案

2.1 疲勞加載模擬試驗(yàn)

為了更真實(shí)地反映車輪荷載在水泥混凝土路面的受力狀況，本文采用MTS 萬能試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示，鑒于車輛在路面行駛是一個(gè)動(dòng)態(tài)疲勞加載過程，試驗(yàn)選取10 Hz 加載頻率，控制加載應(yīng)力，選擇正弦波加載形式，采用100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件進(jìn)行疲勞加載。同時(shí)考慮到納米SiO2改性混凝土試件在疲勞荷載作用下的階段性破壞，本文設(shè)計(jì)了分階段疲勞加載方案，基于路面軸載分布狀況，選擇0.7 荷載應(yīng)力水平，將疲勞加載分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（疲勞加載次數(shù)為0、4 萬次、8 萬次）3 個(gè)作用階段，每個(gè)階段都在前一步驟結(jié)束后進(jìn)行，同時(shí)設(shè)計(jì)了基準(zhǔn)組和不同納米SiO2摻量混凝土，研究納米SiO2摻量對(duì)混凝土疲勞加載的影響。

圖1 MTS 萬能試驗(yàn)機(jī)

2.2 疲勞荷載作用下混凝土凍融測(cè)試方法

研究表明：疲勞荷載和凍融循環(huán)共同作用下，混凝土質(zhì)量損失、彎拉強(qiáng)度下降更加明顯，微觀上則表現(xiàn)出混凝土裂縫延長(zhǎng)加寬、孔結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展貫通等［15-17］。因此，本節(jié)將開展在疲勞荷載作用下混凝土抗凍性測(cè)試。同時(shí)為了研究納米SiO2改性混凝土在最不利條件下的凍融損壞情況，試驗(yàn)將凍融循環(huán)溫度范圍設(shè)置為-20～5 ℃。基于前文的疲勞加載試驗(yàn)，對(duì)于每一組混凝土試件，在每個(gè)疲勞加載階段結(jié)束后，采用快凍法對(duì)混凝土試件進(jìn)行凍融，試驗(yàn)凍融次數(shù)初定為300 次，直到滿足規(guī)范規(guī)定的試驗(yàn)停止標(biāo)準(zhǔn)，所用凍融機(jī)如圖2 所示。凍融結(jié)束后，對(duì)凍融后試件測(cè)試剩余彎拉強(qiáng)度，基于以上試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)基準(zhǔn)組混凝土及一組最優(yōu)的納米摻量混凝土，采用壓汞儀測(cè)試兩組試件孔結(jié)構(gòu)參數(shù)及孔徑分布，同時(shí)借助光學(xué)電子顯微鏡觀察混凝土試件孔隙結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)設(shè)備如圖3 所示，具體試驗(yàn)方案見表3。

圖2 混凝土凍融試驗(yàn)機(jī)及凍融試件

圖3 混凝土孔隙測(cè)試設(shè)備

表3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3 結(jié)果及討論

3.1 納米SiO2改性混凝土抗凍性隨荷載作用階段的變化規(guī)律

對(duì)納米SiO2改性混凝土試件分階段疲勞加載后，對(duì)應(yīng)不同加載階段，分別進(jìn)行凍融循環(huán)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4～6 所示。

圖4 作用階段Ⅰ下納米SiO2改性混凝土抗凍性變化規(guī)律

圖5 作用階段Ⅱ下納米SiO2改性混凝土抗凍性變化規(guī)律

圖6 作用階段Ⅲ下納米SiO2改性混凝土抗凍性變化規(guī)律

從圖4～6 可知：在0.7 應(yīng)力水平作用下，不論是在哪種疲勞荷載作用階段，對(duì)于基準(zhǔn)組混凝土和摻納米SiO2組混凝土，都表現(xiàn)出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土質(zhì)量損失率逐漸增大，相對(duì)動(dòng)彈模量逐漸減小。對(duì)比未加載的凍融組試件，當(dāng)疲勞荷載次數(shù)增加到4 萬、8 萬次時(shí)，其混凝土的凍融損傷現(xiàn)象更嚴(yán)重。同時(shí)也可以看出：納米SiO2對(duì)混凝土抗凍性具有明顯改善效果，其中2%納米SiO2摻量的混凝土質(zhì)量損失最少、相對(duì)動(dòng)彈模量最大、抗凍性最好，且隨著納米SiO2摻量從1% 增加到3%，混凝土質(zhì)量損失率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，說明納米SiO2摻量并不是越多越好，這與詹培敏等［18］的研究結(jié)論相一致。

納米SiO2對(duì)混凝土抗凍性的改善，主要與納米SiO2的填充效應(yīng)有關(guān)，納米SiO2分子尺寸小，能夠有效填充混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，增加混凝土結(jié)構(gòu)的均勻性和致密性，從而提高抗凍性。當(dāng)疲勞荷載作用次數(shù)增大時(shí)，會(huì)破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，特別是加大混凝土裂紋的擴(kuò)展延伸，導(dǎo)致在相同凍融次數(shù)下，混凝土凍融破壞更嚴(yán)重。但是當(dāng)納米SiO2摻量過多時(shí)，會(huì)降低水泥漿體的流動(dòng)性，導(dǎo)致納米SiO2在水泥漿中分散不均勻，在混凝土試件成型中，造成大孔增多，孔隙劣化加重，反而會(huì)不利于改善混凝土抗凍性［19］。

3.2 納米SiO2混凝土凍融后剩余彎拉強(qiáng)度

通過對(duì)混凝土試件抗凍性試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出：在凍融循環(huán)和疲勞荷載的共同作用下，納米SiO2改性路面混凝土試件的抗凍性更好，說明摻加適量納米SiO2的確能夠改善混凝土抗凍性。然而對(duì)于路面混凝土，更重要的是其在凍融及荷載作用后，剩余抗彎拉強(qiáng)度能否滿足道路使用要求，這直接關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)的使用安全。圖7 為不同納米SiO2摻量下路面混凝土試件在不同荷載作用階段下，經(jīng)過300 次凍融循環(huán)后的剩余抗彎拉強(qiáng)度。

圖7 納米SiO2改性路面混凝土凍融后剩余抗彎拉強(qiáng)度

由圖7 可知：隨納米SiO2摻量的增加，混凝土凍融后剩余抗彎拉強(qiáng)度變化規(guī)律與抗凍性指標(biāo)一致，均先增加后減小，在納米SiO2摻量為2%時(shí)，剩余抗彎拉強(qiáng)度最大。在疲勞荷載次數(shù)為0、4 萬、8 萬次時(shí)，相比基準(zhǔn)組，2%納米SiO2摻量組混凝土剩余抗彎拉強(qiáng)度分別增加了47.58%、68.79%及160.24%，疲勞荷載作用次數(shù)越大，納米SiO2對(duì)混凝土凍融后剩余抗彎拉強(qiáng)度提升效果越明顯。當(dāng)納米SiO2摻量增加到3%時(shí)，對(duì)混凝土剩余抗彎拉強(qiáng)度增加效果減弱，在疲勞荷載作用8 萬次后，其剩余抗彎拉強(qiáng)度僅比基準(zhǔn)組提高11.16%。分析原因認(rèn)為，這主要與納米SiO2的高化學(xué)活性與火山灰效應(yīng)有關(guān)，在混凝土強(qiáng)度形成過程中，納米SiO2參與了水泥的水化反應(yīng)，與水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)生成C—H—S 凝膠，填充界面過渡區(qū)孔隙，從而增強(qiáng)了水泥漿界面強(qiáng)度，在混凝土后期經(jīng)歷凍融循環(huán)和疲勞荷載交替作用后，剩余抗彎拉強(qiáng)度也更高［20］。

3.3 納米SiO2混凝土孔結(jié)構(gòu)變化規(guī)律

圖8 為基準(zhǔn)組與納米SiO2摻量為2%時(shí)的混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)在凍融循環(huán)和不同荷載交替作用時(shí)的變化規(guī)律。從圖8 可以看出：不論是基準(zhǔn)混凝土還是摻納米SiO2混凝土組，隨著疲勞荷載作用次數(shù)的增加，混凝土各孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)均增大，說明疲勞荷載作用次數(shù)加速了混凝土孔結(jié)構(gòu)的劣化。當(dāng)疲勞荷載作用次數(shù)逐漸增大到8 萬次，基準(zhǔn)混凝土空隙率從13.745% 增加到23.112%，增幅為68.15%，摻納米SiO2混凝土空隙率從12.059%增加到17.526%，增幅為45.33%。對(duì)比基準(zhǔn)混凝土，隨著納米SiO2的摻入，混凝土各孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)增幅均明顯減小，說明納米SiO2能夠有效抑制疲勞荷載引起的混凝土孔隙增多和孔結(jié)構(gòu)劣化，從而能夠降低混凝土在凍融循環(huán)時(shí)孔隙相互貫通的概率。與其余孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的是，納米SiO2混凝土總孔隙面積在各個(gè)荷載作用階段大于基準(zhǔn)混凝土，這是由于在空隙率降低時(shí)，總孔隙面積越大，孔隙尺寸越?。?1］。圖9、10 為基準(zhǔn)組與納米SiO2混凝土孔結(jié)構(gòu)顯微掃描圖。從圖9、10 也可以看出：隨著疲勞荷載的進(jìn)一步增大，納米SiO2能夠有效延緩孔結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大、貫通。從圖9（c）可以看到：當(dāng)疲勞荷載增加到8 萬次時(shí)，混凝土相鄰兩孔隙已經(jīng)互相貫通，這會(huì)明顯加大混凝土凍融破壞。而納米組混凝土在疲勞荷載作用下，孔隙發(fā)展減緩，有利于增強(qiáng)混凝土抗凍性，這也從側(cè)面解釋了混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)隨疲勞荷載的變化規(guī)律。

圖8 疲勞荷載和凍融循環(huán)交替作用下混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)變化規(guī)律

圖9 基準(zhǔn)混凝土孔結(jié)構(gòu)隨疲勞荷載作用階段變化掃描圖

圖10 納米SiO2混凝土孔結(jié)構(gòu)隨疲勞荷載作用階段變化掃描圖

另一方面，根據(jù)孔徑大小將混凝土中孔隙分為：無害孔（<20 nm）、少害孔（20～50 nm）、有害孔（50～200 nm）及多害孔（>200 nm）。研究疲勞荷載及凍融循環(huán)交替作用下混凝土孔徑分布情況，結(jié)果如圖11 所示。

圖11 疲勞荷載與凍融循環(huán)作用下混凝土孔徑分布情況

從圖11 可以看出：隨著疲勞荷載作用次數(shù)的增加，基準(zhǔn)組與納米SiO2混凝土多害孔和有害孔所占比例增加，無害孔及少害孔逐漸減少。但是納米SiO2混凝土多害孔及有害孔的占比明顯小于基準(zhǔn)混凝土，當(dāng)疲勞荷載增加至8 萬次，且經(jīng)過300 次凍融循環(huán)后，基準(zhǔn)混凝土多害孔從42.35% 增加到55.74%，增幅為31.62%，而納米SiO2混凝土多害孔僅從18.97%增加到25.25%，表明納米SiO2的加入改善了混凝土內(nèi)部孔徑分布，降低了多害孔及有害孔的占比，有效抑制孔隙結(jié)構(gòu)的劣化。在混凝土路面經(jīng)歷疲勞荷載及凍融循環(huán)作用時(shí)，納米SiO2能夠減小混凝土孔隙貫穿、劣化程度，改善孔徑分布情況，從而有效提高混凝土路面的抗凍性。

4 結(jié)論

（1）在疲勞荷載與凍融循環(huán)交替作用下，適量的納米SiO2能夠顯著降低混凝土路面的質(zhì)量損失以及改善動(dòng)彈模量，納米SiO2極小的分子尺寸以及在混凝土中起到的晶核作用，增強(qiáng)了混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)性及穩(wěn)定性，從而提高其抵抗荷載及凍融的能力。

（2）納米SiO2改性混凝土試件在經(jīng)歷疲勞荷載及凍融循環(huán)后，其剩余抗彎拉強(qiáng)度仍明顯大于基準(zhǔn)混凝土，且隨著疲勞荷載作用次數(shù)的增加，剩余抗彎拉強(qiáng)度下降的幅度也小于基準(zhǔn)混凝土。

（3）納米SiO2的加入細(xì)化了混凝土孔結(jié)構(gòu)，使得混凝土結(jié)構(gòu)更加緊湊密實(shí)，除此之外，納米SiO2改善了混凝土孔徑分布情況，有效阻斷孔隙間的貫穿連通，減少水分進(jìn)入混凝土內(nèi)部，降低混凝土路面凍融破壞風(fēng)險(xiǎn)。

（4）混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)微觀形貌以及界面區(qū)裂縫等對(duì)掌握混凝土路面的凍融機(jī)理、了解納米SiO2在混凝土中扮演的角色十分重要，但是由于試驗(yàn)條件限制，本文尚未涉及，后續(xù)將對(duì)納米SiO2改性混凝土路面的微觀作用機(jī)理展開研究。