高速公路水泥混凝土抗凍融技術(shù)研究

收稿日期：2024-01-11

作者簡介：吳廷科（1986—），男，本科，工程師，研究方向：試驗檢測。

摘要 為進一步探究高寒地區(qū)高速公路工程建設(shè)中水泥混凝土抗凍融技術(shù)的提升策略，文章結(jié)合該情況下混凝土存在明顯凍融循環(huán)過程的現(xiàn)狀，考慮應(yīng)用續(xù)玄武巖纖維（CBF）為摻雜料以增強混凝土抗凍融性能。并通過多組平行實驗對混凝土配合比進行優(yōu)化設(shè)計，確定當(dāng)CBF摻雜量為0.3%時，所制備的水泥混凝土在保證抗壓強度的同時，具有相對較高的抗凍融能力。從實際測試結(jié)果也可以看出，按照該配方制備的混凝土在綜合性能上較具優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞 高速公路工程；水泥混凝土；抗凍融

中圖分類號 TU528文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0122-03

0 前言

在很多地區(qū)的高速公路工程建設(shè)中，受到季節(jié)變化的影響，工程所用混凝土都存在明顯的凍融循環(huán)過程，長此以往則容易出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，對于混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性較為不利。針對這一問題，其關(guān)鍵在于結(jié)合具體的應(yīng)用環(huán)境，合理調(diào)整混凝土的配合比，以確?；炷敛牧显诳箟簭姸鹊戎笜?biāo)滿足需要的同時，具有更高的抗凍融能力。

1 實驗材料及配合比設(shè)計

該文主要針對某高寒地區(qū)高速公路工程建設(shè)中使用的C30混凝土進行研究。結(jié)合相關(guān)文獻資料，為提升該工程中的混凝土抗凍融性能，以連續(xù)玄武巖纖維（以下簡稱CBF）為摻雜料以增強混凝土抗凍融性能。選取該材料的主要原因是，當(dāng)?shù)刂圃霤BF的原材料天然火山噴出巖較為易得，直接利用鉑銠合金拉絲漏板將原材料在1 450～1 500 ℃高溫下熔融后，快速拉拔即可制得。

因此，以CBF為摻雜料，并結(jié)合實際情況，對混凝土原材料做如下選?。孩倌z凝材料選用P.O42.5水泥。②細(xì)骨料選用石灰?guī)r機制砂（MS）機制砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，石粉含量為6.2%，表觀密度為2 610 kg/m3，堆積密度為1 680 kg/m3；粗骨料為單級配石灰?guī)r碎石（CA，粒徑分別為4.75～9.5 mm、9.5～16 mm、16～19 mm和19～26.5 mm）。③外加劑選用PC-200型粉體聚羧酸高性能減水劑。

在選定原材料后，按照工程特點、原材料的質(zhì)量和施工方法等因素，并參考普通混凝土的配合比設(shè)計方法，根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）進行理論計算和試配確定，設(shè)計普通混凝土（以下簡稱PC）和三種不同的BFRC混凝土（即摻雜了CBF的混凝土），其中三種BFRC混凝土的體積摻量分別為0.1%、0.2%和0.3%，即用密度折合成摻量為2.65 kg/m3、5.3 kg/m3和7.95 kg/m3?；炷僚浜媳染唧w如表1所示：

表1 混凝土配合比（以1 m3混凝土計，單位為 kg）

材料 用量 材料 用量

水泥 460 水 189

砂 543 減水劑 1.38

石子 1209 摻雜CBF 根據(jù)實際情況調(diào)整

2 試件制作與養(yǎng)護

在確定混凝土配合比后，按照已確定的四個實驗組合設(shè)計多個試樣，具體的試樣參數(shù)如表2所示。其中，CBF摻雜量以每1 m3混凝土計。

表2 試樣參數(shù)表

試件類型 試件尺寸/

mm 試件數(shù)量 CBF

體積比/% CBF

摻雜量/kg

PC 100×100×400 3 0 0

BFRC1 100×100×400 3 0.1 2.65

BFRC2 100×100×400 3 0.2 5.30

BFRC3 100×100×400 3 0.3 7.95

同時，為確保試件內(nèi)部在凍融實驗時的溫度仍可達到預(yù)期要求，制作與凍融試件相同規(guī)格的測溫試件，并將溫度傳感器插入測溫試件中心。

確定上述試件規(guī)格后，按照表1中已確定的配合比，分別對不同類型的試件進行制備，待試件制備成型后，把成型后的試件放在室溫為（20±5）℃的室內(nèi)放置一到兩晝夜；然后把試件記錄編號后拆下試模，之后迅速放入室溫為（20±2）℃、相對濕度大于95%的養(yǎng)護室進行養(yǎng)護。當(dāng)試件養(yǎng)護至第24 d時，將試件拿出，然后立刻放入溫度為（20±2）℃的水中浸泡，浸泡完成后進行后續(xù)實驗。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 混凝土試件的抗壓強度分析

在混凝土試件制作完成后，首先對混凝土試件進行抗壓強度測試，該環(huán)節(jié)使用YES-2000型混凝土壓力試驗機進行測試，將試件放置于下側(cè)承壓板的中央，控制試件中心完全重合于試驗機下側(cè)承壓板后，設(shè)置荷載為0.5 MPa/s進行實驗，待觀察到試件開始急劇變形后停止增加載荷，直至試件發(fā)生破壞為止，記錄試件發(fā)生破壞瞬間的荷載值，而后按照如式（1）計算混凝土試件的抗壓強度：

（1）

式中，F(xiàn)、F0——混凝土試件的抗壓強度、試件的破壞荷載（MPa）；A——試件的承壓面積（m2）?；谑剑?）求出各組試件的抗壓強度后，對每組三個材料參數(shù)相同試件的抗壓強度取平均值，得到最終實驗結(jié)果如圖1所示：

圖1 不同試件28 d時的混凝土抗壓強度與素混凝土比值

由圖1可知，當(dāng)混凝土中摻入CBF后，其抗壓強度的提升相對較為顯著，但不同CBF摻量帶來的效果也不一致。相對而言，當(dāng)CBF體積摻量為0.1%時，混凝土試件的抗壓強度為最高，相較于未摻雜CBF的混凝土提升了4.0%，此后增大CBF摻雜量則導(dǎo)致混凝土抗壓強度開始降低。初步推斷，造成上述現(xiàn)象的主要原因是，在摻入的CBF較少時，CBF纖維能夠?qū)λ鼗炷猎谟不湛s時的微小裂隙進行填補，從而提升抗壓強度；但進一步增加CBF摻量后，更多的纖維結(jié)構(gòu)將混凝土內(nèi)部孔隙割裂為數(shù)段，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)更多細(xì)小裂紋，使得混凝土抗壓強度反而降低[1]。從整體變化趨勢來看，CBF摻量對于混凝土的整體抗壓強度仍然表現(xiàn)出正面影響，因此在混凝土中摻雜CBF較為可行。

3.2 混凝土試件的相對動彈性模量分析

在相對動彈性模量測試環(huán)節(jié)中，使用液氮快速凍融實驗的方式進行，將液氮噴灑到樣品上使其冷凍，隨后在45～50 ℃的溫水中浸泡5 min進行解凍。從溫水中取出試件并用布塊擦拭表面，在距試件底部5 mm處安裝傳感器，并通過透射法測量超聲波的傳播時間，記錄傳感器之間的距離，最后計算超聲波傳播速度。由此，應(yīng)用以下公式對混凝土試件的相對動態(tài)彈性模量E進行計算：

（2）

式中，VLo、VLn——實驗前的超聲波傳輸速度、第n個周期的超聲波傳播速度（km/s）?；谏鲜鰧嶒灢襟E重復(fù)多次進行，直至E值下降至初始值的60%以下或?qū)嶒炑h(huán)次數(shù)達到150次，滿足任意條件之一則停止實驗，記錄此時的相對動態(tài)彈性模量值作為測試結(jié)果。

在得到各組試件的測試結(jié)果后，對數(shù)據(jù)進行匯總整理，得到實驗結(jié)果如圖2所示：

圖2 不同混凝土試件相對動彈性模量與

凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

根據(jù)圖2，在混凝土中摻入CBF后，混凝土試件的相對動彈性模量也相應(yīng)發(fā)生變化。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達到100次時，未摻雜CBF的混凝土相對動彈性模量只有初始值的43.7%左右，但摻雜CBF的三組試件仍然保持著60%以上的相對動彈性模量。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達到終止值（150次）時，摻雜CBF的混凝土相對動彈性模量已經(jīng)不再存在，而此時摻雜CBF的三組試件仍然分別保持著40.5%、45.0%和51.3%的相對動彈性模量。在此基礎(chǔ)上，進一步通過內(nèi)插法，對上述三組摻雜BCF的混凝土試件的凍融破壞標(biāo)準(zhǔn)進行計算，結(jié)果顯示，三組試件的凍融破壞標(biāo)準(zhǔn)分別為102次、126次和134次。因此，可以認(rèn)為CBF的摻入對于改善混凝土的抗凍融性能較為突出，且在CBF摻量為0.3%時，混凝土的抗凍融破壞能力相對較優(yōu)。

3.3 混凝土試件的質(zhì)量損失率分析

在上節(jié)液氮凍融實驗的基礎(chǔ)上，同時對凍融實驗中循環(huán)次數(shù)分別為25次、50次、75次、100次、125次和150次時的混凝土試件質(zhì)量進行測試，并將測試結(jié)果與混凝土試件質(zhì)量的初始值進行對比，以計算質(zhì)量損失率，公式如下：

（3）

式中，wo、wn——凍融循環(huán)實驗前的混凝土試件質(zhì)量、在特定循環(huán)次數(shù)下的混凝土試件質(zhì)量（kg）。通過式（3）計算出結(jié)果后，對每組三個材料參數(shù)相同試件的計算結(jié)果取平均值，得到質(zhì)量損失率的測試結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，當(dāng)增加CBF體積摻量后，混凝土的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出逐步下降的趨勢。這表明隨著CBF含量的增加，混凝土的抗凍性能得到了更為顯著的提升[2-3]。由此也可以推斷出，當(dāng)CBF摻量為0.3%時，混凝土的抗凍耐久性能相對更優(yōu)。

圖3 不同類型試件在不同循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量損失率

3.4 混凝土在復(fù)雜條件下的抗凍融性能分析

考慮混凝土在實際使用過程中面臨的環(huán)境因素復(fù)雜度顯著高于常規(guī)實驗條件，因此在該環(huán)節(jié)實驗中，通過引入5%氯化鎂和5%硫酸鈉混合溶液模擬外界腐蝕條件的情況，以分析混凝土在復(fù)雜條件下的抗凍融性能。對此，將混凝土中的CBF摻雜量設(shè)置為0.3%，以制作一組新試樣，將其與素混凝土試樣進行對比。同時，控制凍融實驗條件和步驟保持不變，以此分析該次制備的混凝土在復(fù)雜條件下的抗凍融性能，得到實驗結(jié)果如圖4所示：

圖4 不同混凝土試件在復(fù)雜條件下的抗凍融性能對比

根據(jù)圖4，在引入鹽溶液構(gòu)建復(fù)雜條件后，常規(guī)素混凝土（圖4中的PC）的相對動彈性模量進一步呈現(xiàn)出快速下降的特點，凍融循環(huán)86次與常規(guī)實驗條件的約100次相比進一步降低。而此時摻雜了0.3%CBF的混凝土在凍融實驗循環(huán)400次后，仍然具有較高的相對動彈性模量。初步推斷，造成上述現(xiàn)象的主要原因可基于以下內(nèi)容予以解釋：通過使用氯化鎂和硫酸鈉的組合，實現(xiàn)了混凝土中氯鹽和硫酸鹽的雙重效益。這一方法不僅有效地降低了混凝土的冰點，還在其凍融過程中有效地防止了氯離子和鎂離子的遷移。因此，這種處理方式減緩了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的腐蝕速度，使得其動彈性模量下降得更為緩慢，從而延長了其凍融耐久性，能夠抵御超過400次的凍融周期。

在此基礎(chǔ)上，進一步從質(zhì)量損失率的角度入手，分析兩種試件在不同循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量損失率變化，由此得到分析結(jié)果如圖5所示：

圖5 不同試件的循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失率的對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)圖5中的質(zhì)量損失率變化情況，由于PC試件中的抗腐蝕能力較差，因此在腐蝕作用下，PC試件表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的剝落現(xiàn)象，導(dǎo)致PC試件的質(zhì)量損失率明顯升高。而在摻雜了CBF的混凝土試件中，其質(zhì)量損失率則出現(xiàn)了負(fù)數(shù)，這并非測量誤差，而是源于混凝土試件在凍融循環(huán)過程中，混凝土表面出現(xiàn)的微裂紋對于測試環(huán)境中的水分與鹽分產(chǎn)生了較為明顯的吸附作用，且這種作用在初始階段強于混凝土表面的剝落作用，因此表現(xiàn)出質(zhì)量損失率為負(fù)值（即混凝土試件質(zhì)量上升）的情況。初步推斷，造成這種現(xiàn)象的主要原因是，CBF由于其卓越的耐酸堿腐蝕性能，在混凝土中的分布纖維不會因鹽溶液腐蝕而發(fā)生顯著的質(zhì)量變化。

4 結(jié)束語

該文結(jié)合某地高速公路水泥混凝土施工中面臨的高寒及環(huán)境腐蝕等不利條件，以提升水泥混凝土抗凍融能力為目標(biāo)，通過摻雜連續(xù)CFB的方式進行水泥混凝土抗凍融技術(shù)的研究，并通過多組平行實驗確定了較優(yōu)的參數(shù)組合，以此將優(yōu)化參數(shù)的混凝土投入實際應(yīng)用。從實際應(yīng)用結(jié)果來看，該文設(shè)計的混凝土材料在高寒條件下的高速公路工程施工中表現(xiàn)較優(yōu)，具有一定的現(xiàn)實意義。

參考文獻

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