除冰鹽環(huán)境下納米復(fù)合水泥混凝土路面凍脹劣化規(guī)律研究

摘要 為研究冬季除冰鹽環(huán)境下，水泥混凝土路面性能退化過(guò)程，該文研究了除冰鹽環(huán)境下納米復(fù)合水泥混凝土路面的凍脹劣化規(guī)律。探討了除冰鹽對(duì)水泥混凝土路面的影響機(jī)制，設(shè)計(jì)了納米高嶺土復(fù)合水泥混凝土路面，并對(duì)其在不同除冰鹽濃度和凍融循環(huán)次數(shù)下的性能進(jìn)行凍融破壞和電阻率測(cè)試試驗(yàn)。結(jié)果表明：（1）納米復(fù)合材料的引入顯著提高了水泥混凝土路面的抗凍脹性能，隨著除冰鹽濃度的增加和凍融循環(huán)次數(shù)的增多，納米復(fù)合水泥混凝土路面的抗凍脹性能逐漸降低，但仍?xún)?yōu)于普通水泥混凝土路面。（2）普通混凝土和摻加1%納米高嶺土混凝土路面在凍融循環(huán)次數(shù)增加時(shí)質(zhì)量損失為13.9%和8.9%，較納米高嶺土摻量為3%試件的質(zhì)量損失率（3.8%）明顯增大，表明兩種混凝土在凍融環(huán)境下的抗凍性能均較差。（3）混凝土電阻率隨納米高嶺土摻量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，經(jīng)受凍融循環(huán)后，混凝土電阻率逐漸降低。

關(guān)鍵詞 除冰鹽；納米復(fù)合水泥混凝土；凍脹劣化；試驗(yàn)研究

中圖分類(lèi)號(hào) U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）01-0070-03

0 引言

隨著城市交通的發(fā)展，道路冬季除冰工作變得尤為重要，而傳統(tǒng)的除冰方法如使用化學(xué)鹽類(lèi)會(huì)對(duì)水泥混凝土路面造成腐蝕和劣化，導(dǎo)致路面凍脹現(xiàn)象加劇。為給開(kāi)發(fā)更加耐凍耐融的路面材料提供科學(xué)依據(jù)，通過(guò)探索納米復(fù)合技術(shù)在水泥混凝土中的應(yīng)用，有望提高路面的抗凍融性能和耐久性，降低路面維護(hù)成本，延長(zhǎng)路面使用壽命[1]。研究成果還將為城市道路養(yǎng)護(hù)管理部門(mén)提供技術(shù)支持和決策依據(jù)，促進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施的可持續(xù)發(fā)展和提升城市交通運(yùn)行效率。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在除冰鹽環(huán)境下，納米復(fù)合水泥混凝土路面的凍脹劣化領(lǐng)域已取得一定的研究成果，趙越等[2]指出目前研究主要集中在納米材料對(duì)水泥混凝土抗凍性能的影響、除冰鹽對(duì)水泥混凝土路面的侵蝕機(jī)理以及凍融循環(huán)對(duì)水泥混凝土路面性能的劣化規(guī)律等方面。閆思璐等[3]通過(guò)在混凝土中摻加納米SiO2和礦粉，顯著提升了混凝土基體的密實(shí)度，增強(qiáng)了混凝土的抗凍融侵蝕性能。陳彥杰等[4]深入探討了除冰鹽對(duì)水泥混凝土路面的侵蝕機(jī)理，除冰鹽在降低路面冰點(diǎn)的同時(shí)，還會(huì)與水泥混凝土中的Ca（OH）2等組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。

針對(duì)目前除冰鹽環(huán)境下水泥混凝土路面的劣化過(guò)程，該文提出了采用納米高嶺土復(fù)合材料提升混凝土路面的抗鹽凍性能，分析納米偏高嶺土對(duì)水泥混凝土微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響，探討不同種類(lèi)和濃度的除冰鹽對(duì)納米偏高嶺土水泥混凝土的作用機(jī)理，研究納米偏高嶺土水泥混凝土在凍融循環(huán)作用下的性能變化，通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)手段，揭示納米偏高嶺土水泥混凝土在除冰鹽環(huán)境下的凍脹劣化規(guī)律，并提出相應(yīng)的耐久性設(shè)計(jì)和維護(hù)建議。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原材料

試驗(yàn)中混凝土使用的是小野田PO·42.5R型通用硅酸鹽水泥，化學(xué)構(gòu)成詳情如表1所示，而用于測(cè)試的納米級(jí)高嶺土的具體物理特性及其化學(xué)組成如表2與表3所示，同時(shí)如圖1所示，納米級(jí)高嶺土具有SEM顯微鏡下的微觀構(gòu)造。

1.2 試件制備

考慮采用5種不同比例的納米高嶺土，制備尺寸為100 mm×100 mm×400 mm（寬×高×長(zhǎng)）的立方體混凝土試件，每組3個(gè)試件，共4組，混凝土配合比如表4所示。首先采用超聲分散方法將納米高嶺土分散在水中，然后將水泥均勻攪拌倒入納米高嶺土分散液中，按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3420

—2020）的標(biāo)準(zhǔn)制備試件，分別標(biāo)記摻量為0%、1%、3%、5%的混凝土試件為NC0、NC1、NC3、NC5。試件成型后在靜態(tài)條件下脫模24 h，然后放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，進(jìn)行快速凍融循環(huán)試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法及過(guò)程

依照《混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GB/T

50082—2024）的規(guī)范，使用了TDR-16型的快速凍融試驗(yàn)設(shè)備來(lái)執(zhí)行冷凍與融化循環(huán)測(cè)試。將混凝土樣本置入裝有海水溶劑的橡膠容器中，直到其覆蓋混凝土樣本的頂部為止，然后通過(guò)每25次凍融循環(huán)對(duì)試件的重量和動(dòng)彈模量測(cè)量一次，計(jì)算質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈模量。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 外觀變化

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加（混凝土表層剝離面積變化規(guī)律見(jiàn)圖2所示），混凝土試件的表面逐漸出現(xiàn)剝蝕現(xiàn)象，試件表面的浮漿逐漸剝落，使得骨料暴露在外，同時(shí)表面的孔洞也逐漸增多，剝蝕現(xiàn)象隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變得更加嚴(yán)重。在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土經(jīng)受25次凍融循環(huán)后，普通混凝土表層出現(xiàn)明顯的剝離現(xiàn)象，納米高嶺土摻量為1%時(shí)，剝離面積較普通混凝土增加，隨著納米高嶺土摻量的增加，摻3%和5%混凝土試件，表層未出現(xiàn)顯著的剝離現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)100次凍融循環(huán)后，普通混凝土表面剝蝕情況較25次凍融循環(huán)后顯著增加，納米偏高嶺土摻量為3%和5%混凝土產(chǎn)生的剝蝕面積較少。納米高嶺土的摻入，能夠顯著增加混凝土經(jīng)受凍融循環(huán)后的抗剝蝕能力，當(dāng)納米高嶺土的摻量為1%時(shí)，混凝土試件的表面出現(xiàn)了輕微的剝蝕現(xiàn)象，然而當(dāng)納米高嶺土的摻量增至3%和5%時(shí)，混凝土試件的表面剝蝕現(xiàn)象并不明顯，表明納米高嶺土的摻量對(duì)混凝土試件表面的剝蝕現(xiàn)象具有一定的影響，而且隨著摻量的增加，剝蝕現(xiàn)象的程度呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。研究結(jié)果對(duì)于混凝土的性能和耐久性具有重要的參考價(jià)值，可以指導(dǎo)工程實(shí)踐中對(duì)混凝土材料的選擇和設(shè)計(jì)，以提高其抗凍融性能和延長(zhǎng)其使用壽命。深入研究這些現(xiàn)象背后的機(jī)理和影響因素，有助于更好地理解混凝土在不同環(huán)境條件下的行為，為相關(guān)工程領(lǐng)域的發(fā)展提供有益的啟示。

2.2 質(zhì)量轉(zhuǎn)變

在冷凍和融化的過(guò)程中，混凝土內(nèi)的微小裂縫與孔洞擴(kuò)大并增加，會(huì)導(dǎo)致混凝土樣本表面的磨損情況出現(xiàn)，從而引發(fā)其質(zhì)量上的轉(zhuǎn)變。為方便研究冰雪環(huán)境下混凝土樣品質(zhì)量變遷的模式，設(shè)定公式（1）來(lái)計(jì)算混凝土樣本質(zhì)量減少率：

（1）

式中：Dc——凍融過(guò)程中試件的質(zhì)量變化率（%）；mcn——凍融循環(huán)n次后試件的質(zhì)量（g）；mc0——未凍融試件的質(zhì)量（g），納米高嶺土混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5凍融試驗(yàn)結(jié)果顯示，普通混凝土NC0和NC1在凍融循環(huán)次數(shù)增加時(shí)質(zhì)量損失明顯增大，表明這兩種混凝土在凍融環(huán)境下的抗凍性能較差。相比之下，NC3和NC5的質(zhì)量損失率在凍融循環(huán)次數(shù)增加時(shí)增幅較小，說(shuō)明具有更好的抗凍性能。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，質(zhì)量損失的變化呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)，結(jié)果為混凝土配方設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐提供了重要參考，強(qiáng)調(diào)了在工程建設(shè)中選擇合適的混凝土配方以確保結(jié)構(gòu)物在惡劣環(huán)境下的耐久性和穩(wěn)定性的重要性。

2.3 動(dòng)彈性模量

彈性模量作為衡量物質(zhì)彈性性質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)，與其內(nèi)部構(gòu)造有著緊密聯(lián)系，當(dāng)混凝土遭受損害時(shí)，彈性模量將會(huì)根據(jù)受損情況有所調(diào)整。通過(guò)比較剩余動(dòng)彈模量和初始動(dòng)彈模量的差異，可以揭示出混凝土在冷凍－融化過(guò)程中的損壞模式。如：在冷凍－解凍周期中，納米高嶺土的摻入，提升了混凝土的動(dòng)彈性模量，隨著納米高嶺土摻量的增加，混凝土動(dòng)彈性模量逐漸增大，其中納米高嶺土摻量為5%混凝土動(dòng)彈性模量較普通混凝土增加12.3%，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土動(dòng)彈性模量逐漸降低，普通混凝土和摻1%高嶺土混凝土的動(dòng)彈性模量較未經(jīng)受凍融損傷前的混凝土分別降低16.82%和15.46%。摻3%和5%納米高嶺土混凝土動(dòng)彈性模量較未經(jīng)受凍融循環(huán)混凝土降低10.91%和8.79%。因而，由試驗(yàn)結(jié)果可以得出，納米高嶺土可以減緩混凝土的凍融劣化過(guò)程，其中納米高嶺土摻量為5%混凝土試件改善效果最優(yōu)。此外，隨著凍融循環(huán)的增加，混凝土試件相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸降低，在經(jīng)受100次凍融循環(huán)后，普通混凝土和摻1%納米高嶺土混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量為88.21%和86.32%，混凝土則出現(xiàn)了顯著的力學(xué)性能降低趨勢(shì)，而摻3%納米高嶺土混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量為63.35%，體現(xiàn)了混凝土出現(xiàn)輕微損傷，混凝土力學(xué)性能降低趨勢(shì)較小。

2.4 混凝土電阻率

混凝土內(nèi)部摻加高嶺土能有效改善混凝土導(dǎo)電性，提高混凝土電阻率，在不同養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，混凝土電阻率會(huì)隨納米高嶺土摻量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。如：在納米高嶺土摻量為3%時(shí)，混凝土電阻率最大，100次、50次、25次、5次凍融循環(huán)的納米高嶺土混凝土電阻率較普通混凝土分別提高3.74%、6.56%、8.99%、15.93%。當(dāng)納米高嶺土摻量超過(guò)3%時(shí)，納米混凝土電阻率出現(xiàn)降低趨勢(shì)，隨著適量納米顆粒的摻入，納米顆粒填充了水泥顆粒間的縫隙，對(duì)水泥顆粒形成有效的包裹作用，減緩了可溶性離子的溶解，納米顆粒因其具有較高的火山灰效應(yīng)，促進(jìn)了水泥水化過(guò)程的進(jìn)行，進(jìn)而使得水泥基材料電阻率提高。

3 結(jié)論

該研究針對(duì)除冰鹽環(huán)境下納米復(fù)合水泥混凝土路面的凍脹劣化規(guī)律進(jìn)行相關(guān)探究，通過(guò)系統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析等推導(dǎo)，為提升納米復(fù)合水泥混凝土路面的耐久性提供了理論依據(jù)，納米復(fù)合水泥混凝土在除冰鹽環(huán)境下展現(xiàn)出優(yōu)于普通水泥混凝土的抗凍性能。主要?dú)w因于納米材料的加入能夠細(xì)化基體材料的孔結(jié)構(gòu)，減少混凝土內(nèi)部的微裂縫，從而提高其整體抗凍脹能力，同時(shí)納米材料的加入可以顯著提高水泥混凝土的力學(xué)性能和耐久性。納米粒子能夠填充混凝土內(nèi)部的空隙，增強(qiáng)其與基體的結(jié)合力，減少水分子的遷移和積聚，進(jìn)而減少凍融循環(huán)中混凝土路面的損壞。此外，除冰鹽環(huán)境中的氯離子和鈉離子會(huì)加速混凝土的腐蝕和劣化，然而納米復(fù)合水泥混凝土由于其優(yōu)異的抗?jié)B性和抗腐蝕性，能夠在一定程度上減緩這種劣化過(guò)程。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-05-24

作者簡(jiǎn)介：李達(dá)（1990—），男，本科，工程師，研究方向：公路橋梁。