季凍區(qū)路面高性能機制砂路面混凝土耐久性能研究

摘 要：為解決季凍區(qū)路面強度下降、凍融破壞等問題，選取高分子吸水樹脂（SAP）、粉煤灰制備路面高性能機制砂混凝土。通過對SAP和粉煤灰復(fù)摻后路面高性能機制砂混凝土的耐久性能進行研究，驗證復(fù)合材料對路面混凝土的耐久性能的提升。試驗表明增加SAP摻量會逐步提升混凝土的抗凍性能，最佳摻量為0.18%;一定含量的SAP能提高混凝土抗氯離子滲透性能;而耐磨性能與SAP摻量的關(guān)系不大。

關(guān)鍵詞：機制砂混凝土;季凍區(qū)路面;耐久性能;SAP;抗凍性能

中圖分類號：TU528 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0068-05

Abstract： In order to solve the problems of road strength reduction and freeze-thaw damage in seasonal frozen areas， SAP and fly ash were selected to prepare high-performance machine-made sand concrete for road surfaces. The durability of pavement high-performance machined sand concrete mixed with SAP and fly ash was studied to verify the improvement of the durability of pavement concrete by composite materials. Tests show that increasing the content of SAP will gradually improve the freezing resistance of concrete， and the optimal content is 0.18%. A certain content of SAP can improve the resistance to chloride ion penetration of concrete; but the wear resistance has little to do with the content of SAP.

Keywords： machine-made sand concrete; seasonal frozen area pavement; durability; SAP; frost resistance

近些年，基礎(chǔ)建設(shè)日益發(fā)展，然而高速公路在受到溫度及濕度等惡劣氣候環(huán)境交替作用下，許多路段在服役期間出現(xiàn)了不同程度的收縮開裂、凍融破壞[1-2]等耐久性病害，從而影響路面混凝土的結(jié)構(gòu)安全和使用壽命。尤其在蘭州地區(qū)，其空氣干燥、濕度極低，使得混凝土中水分子的蒸發(fā)速率急劇增加，導(dǎo)致路面混凝土收縮開裂的現(xiàn)象不斷加重。裂縫的不斷出現(xiàn)給混凝土的耐久性能增加了不小的負荷，進而加速路面混凝土的凍融破壞和性能劣化，且在交通荷載等外力的綜合作用下將危及整個道路的整體穩(wěn)定性及耐久性能。故而，在對蘭州的路面混凝土的耐久性提出更高要求的基礎(chǔ)之上，必須克服混凝土材料的缺陷，制備出性能更加優(yōu)異的高性能路面混凝土，才能從根本上緩解嚴(yán)寒及干燥氣候環(huán)境對路面混凝土的耐久性能的影響。

目前，在材料研究方面，對于混凝土抗凍耐久性問題的解決方法主要如下：①減小水灰比提升混凝土的抗凍性能[3];②摻入引氣劑增強混凝土抗凍性能[4];③摻入礦物摻合料提升混凝土抗凍性能[5-6];④在混凝土表面涂上防護涂層提升混凝土抗凍性能[7]。對于混凝土抗氯離子性能的解決方法一般如下：①在混凝土中加入礦物摻合料[8];②調(diào)整水灰比[9]。以上措施均對混凝土的耐久性能有著顯著性的影響。針對季凍區(qū)路面，提升混凝土抗凍性能往往最為重要，但引氣劑會降低混凝土強度，防護涂層會增大經(jīng)濟成本等問題[10];而SAP擁有獨特的分子結(jié)構(gòu)，具有吸-釋特性且價格低，能夠抑制混凝土的收縮[11]。SAP在釋放水分子之后會使得混凝土內(nèi)部形成孔隙結(jié)構(gòu)，進而對混凝土抗凍性能作出一定的貢獻，但也會降低混凝土結(jié)構(gòu)的密實性，導(dǎo)致混凝土力學(xué)強度變低，而礦物摻料對于混凝土的抗凍性能不僅有提升作用，還能改善混凝土的力學(xué)性能[12]。

針對以上問題，本文以機制砂混凝土作為原材料，通過優(yōu)選礦物摻和料和引入SAP，制備路面高性能機制砂混凝土，以SAP摻量為變量，提出以劈裂抗拉強度、電通量、單位面積磨損量為評價指標(biāo)，研究粉煤灰與SAP復(fù)摻對路面高性能機制砂混凝土的抗凍性能、抗氯離子性能、耐磨性能的影響規(guī)律。

1 材料與試驗方案

1.1 原材料

1.1.1 水泥

水泥選用祁連山牌普通硅酸鹽水泥PO·42.5，根據(jù)JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》檢測其性能指標(biāo)，見表1。

1.1.2 細集料

細集料為玄武巖機制砂，對其技術(shù)指標(biāo)進行測試，其表觀密度為2.795 g/cm3，棱角性為25.96 s，石粉含量為3%，云母含量為0.1%，細度模數(shù)為2.9。機制砂級配見表2。

1.1.3 粗集料

試驗粗集料為玄武巖骨料，其粒徑位于5～26.5 mm之間，其表觀密度為2.752 g/cm3，針片狀含量為5%，含泥量為0.2%，壓碎值為8%。粗骨料級配曲線圖如1所示。

1.1.4 粉煤灰

硅灰、粉煤灰的最大摻量均選用9%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），粉煤灰為F類Ⅰ級，其比表面積為445 m2/kg。減水劑采用聚羧酸高性能減水劑，其減水率在15%～25%之間。

1.1.5 SAP

選用SAP目數(shù)為100～120目，其具體性能指標(biāo)見表3。

1.2 試驗方案

1.2.1 抗凍性能試驗方案設(shè)計

根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》及GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，以100 mm×100 mm×100 mm的立方體為試驗試件，測定凍融循環(huán)次數(shù)在0、50、100、150、200、250、300次時混凝土的劈裂抗拉強度。其配合比設(shè)計見表4。

以劈裂抗拉強度為評價指標(biāo)，對84個混凝土試件進行抗凍試驗，其具體操作步驟如下：①路面高性能機制砂混凝土制備成型脫模，送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護。②養(yǎng)護齡期到24 d時放入飽和石灰水中浸泡4 d。③將試件按3個一組放入黑色試件盒，試件盒放入凍融試驗機的冷凍液中，進行抗凍試驗。④當(dāng)混凝土試件達到凍融次數(shù)后，觀察凍融對混凝土試件表觀的影響程度。⑤將立方體試件安裝在劈裂抗拉夾具中，用木制墊條墊在立方體混凝土試件的上下2個表面正中間，使得混凝土試件能夠均勻受力，然后用萬能試驗機進行劈裂抗拉強度試驗。⑥記錄數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行計算分析。

1.2.2 抗氯離子滲透試驗方案設(shè)計

根據(jù)JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》，采用100 mm×50 mm的圓柱體混凝土試件，每組3個平行試塊，其配合比見表5。

1.2.3 耐磨性能試驗方案設(shè)計

根據(jù)JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》，采用150 mm×150 mm×150 mm立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，每組3個平行試件，配合比設(shè)計見表6。

其具體操作步驟如下：試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至28 d時取出，放置在室內(nèi)自然干燥12 h，再放入60 ℃±5 ℃烘箱中烘12 h至恒重，接著將混凝土試件放入TMS-400的水泥膠砂耐磨試驗機進行磨耗。在耐磨試驗機上磨耗30轉(zhuǎn)后相應(yīng)質(zhì)量記為m1，磨耗60轉(zhuǎn)后記剩余質(zhì)量為m2。為得到混凝土表面的磨損情況，采用式（1）計算混凝土單位面積磨損量。

Gc= ， （1）

式中：Gc為單位面積的磨損質(zhì)量（kg/m3）;m1為試件初始質(zhì)量（kg）;m2為試件磨損后的質(zhì)量（kg）;A為試件磨損面積（m2），0.012 5。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗凍性能

不同SAP摻量的混凝土在0、50、100、150、200、250、300次循環(huán)凍融下，劈裂抗拉強度測試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，循環(huán)凍融次數(shù)為0時，混凝土劈裂抗拉強度隨SAP摻量的增加而降低。摻量0.18%的SAP（S4）相較于摻量0.00%的SAP （S1）來說，混凝土的劈裂抗拉強度降低了9.98%，這是由于SAP吸水后體積增大，使得結(jié)構(gòu)中的孔隙增多，進而降低混凝土的密實度，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)強度下降。

循環(huán)凍融次數(shù)為50次時，混凝土劈裂抗拉強度隨SAP摻量的增加先降低后增加。其中，S1、S4 2組的劈裂抗拉強度相差不大，S3的劈裂抗拉強度最低，S4的劈裂抗拉強度最高，二者相差7.04%，該現(xiàn)象表明不同SAP摻量對相同凍融情況下的混凝土劈裂抗拉強度有一定影響。循環(huán)凍融次數(shù)為100次時，混凝土的劈裂抗拉強度隨SAP摻量的增加先降低后增加，由S4相較于S2來說，混凝土的劈裂抗拉強度提升10.71%，由此得出，SAP對混凝土劈裂抗拉強度有提升作用。

當(dāng)循環(huán)凍融次數(shù)從150次增長到300次時，混凝土劈裂強度隨SAP摻量的增加而增加，且凍融循環(huán)次數(shù)越多，SAP對混凝土的抗凍性能影響就越顯著。其主要原因一方面是預(yù)吸水的SAP后表面光滑，能夠提升混凝土和易性及黏聚性，從而促進混凝土中的膠凝材料水化，使得混凝土結(jié)構(gòu)中的氫氧化物增多，進而增強了混凝土結(jié)構(gòu)的強度。另一方面可能是吸水后的SAP類似球狀，在混凝土結(jié)構(gòu)中形成一系列孔隙結(jié)構(gòu)，促進了混凝土微觀結(jié)構(gòu)的增多，進而減緩低溫凍融狀態(tài)下由毛細孔結(jié)構(gòu)中的水分子因結(jié)晶效應(yīng)和物態(tài)轉(zhuǎn)化時形成膨脹壓，減小低溫凍融狀態(tài)下由微觀孔隙結(jié)構(gòu)中的水分子因結(jié)晶產(chǎn)生遷移和重新分布而引起滲管壓，最終減小了混凝土在凍融狀態(tài)下的破壞程度，增大了混凝土的劈裂抗拉強度，提升了混凝土抗凍性能。

隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，不同SAP摻量下凍融后混凝土的劈裂抗拉強度剩余率，測試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，不同SAP摻量的混凝土劈裂抗拉強度剩余隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，相同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土劈裂抗拉強度剩余隨SAP摻量的增加而增加。其中，SAP摻量為0.18%的混凝土強度剩余均高于其他組，在凍融循環(huán)次數(shù)為50次時，S4與S1強度剩余率差距最小，僅有13.95%，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為200次時，S4與S1強度剩余率差距最大，高達45.28%。其次，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)在100次時， S1、S2的劈裂抗拉強度剩余率均在60.00%以上，而當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)上升至150次時，S1、S2的劈裂抗拉強度剩余率均降低到60.00%以下。此外，S3的劈裂抗拉強度剩余率在150次的循環(huán)凍融后依舊保持在60.00%以上，而S4的劈裂抗拉強度剩余率最優(yōu)，在200次的循環(huán)凍融時仍有60.16%。

以60.00%劈裂抗拉強度剩余率衡量混凝土在凍融循環(huán)次數(shù)下的抗凍等級，其不同SAP摻量的混凝土抗凍等級與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，混凝土的抗凍等級與SAP的摻量有關(guān)，不同SAP摻量的混凝土的抗凍等級也大不相同。0.12%摻量的SAP混凝土的抗凍等級比普通路面機制砂混凝土高50次，0.18%摻量的SAP混凝土抗凍等級高達200次。由此可知，在一定范圍內(nèi)，增加SAP摻量能夠提升路面高性能機制砂混凝土的抗凍等級，即提升混凝土的抗凍耐久性。

2.2 抗氯離子性能

通過利用電通量法測試不同混凝土的抗氯離子滲透性能，其結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)SAP摻量由0.00%增加至0.06%時，混凝土試件的電通量增加了13.7%;當(dāng)SAP摻量由0.06%增加至0.18%時，混凝土試件的電通量由2 597 C降低至2 288 C，降幅達13.5%;由此可知，SAP的摻入將降低混凝土的抗氯離子的侵蝕性能。但當(dāng)SAP摻量達到一定量時，混凝土的抗氯離子滲透性能和基準(zhǔn)組相差不大。

2.3 耐磨性能

對M1、M2、M3、M4 4組混凝土試件表面進行旋轉(zhuǎn)磨損試驗，根據(jù)式（1）計算單位面積磨損質(zhì)量，測試結(jié)果如圖6所示。

由圖6中 M1—M4的單位面積磨損量GC試驗結(jié)果可知，隨著SAP摻量的增加，GC先降低后增加，其中M3的單位面積磨損量相較于M1降低23.9%， M4的單位磨損量相較于M1增加了11.0%。由此可知，SAP摻量與路面高性能機制砂混凝土的單位面積磨損量GC沒有顯著的聯(lián)系，而粉煤灰的摻入增大了單位面積磨損量GC。

3 結(jié)論

1）SAP摻量對路面高性能機制砂混凝土抗凍性能提升效果明顯，其摻量在0.18%時最為優(yōu)異，增加SAP摻量能夠提升路面高性能機制砂混凝土的抗凍等級，即提升混凝土的抗凍耐久性。

2）路面高性能機制砂混凝土凍融早期階段的劈裂抗拉強度隨著SAP摻量的逐漸增多呈現(xiàn)出下降趨勢;在凍融中期階段，劈裂抗拉強度隨著SAP摻量的增加呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢;在凍融的后期階段，劈裂抗拉強度隨著SAP摻量的增加而增加，在凍融循環(huán)次數(shù)為250次時，最高劈裂抗拉強度比最低的幅度高出50%。

3）SAP在一定范圍內(nèi)可以提高路面高性能機制砂混凝土的抗氯離子性能，但當(dāng)SAP摻量達到一定量后，混凝土的抗氯離子滲透性能將會降低，SAP摻量對路面高性能機制砂混凝土耐磨性能沒有顯著的影響。

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第一作者簡介：單社（1980-），男，高級工程師、一級注冊建造師、公路試驗檢測工程師、造價工程師、監(jiān)理工程師。研究方向為公路工程施工技術(shù)和建設(shè)管理。