陳舒航，張武滿

（北京航空航天大學(xué)交通學(xué)院土木工程系，北京 100191）

碾壓混凝土的抗凍性及微觀機(jī)理分析

陳舒航，張武滿

（北京航空航天大學(xué)交通學(xué)院土木工程系，北京 100191）

本文采用快速凍融的試驗(yàn)方法，研究了碾壓混凝土在水中的抗凍性。測(cè)定凍融后試件質(zhì)量損失、動(dòng)彈性模量、抗壓與抗折強(qiáng)度，并利用掃描電鏡觀察混凝土微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示：凍融次數(shù)不大于 200 次時(shí)，隨著凍融次數(shù)的增加，碾壓混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均有所降低；但 250 次凍融強(qiáng)度略有增長(zhǎng)；掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，凍融過程中混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的微裂紋，同時(shí)水泥水化產(chǎn)物由針狀向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

碾壓混凝土；抗凍性；強(qiáng)度；微觀結(jié)構(gòu)

0 引言

碾壓混凝土（RCC）是由水泥、級(jí)配骨料加水拌和而成的一種混合料，其含水量與含水泥量均較水泥混凝土低，其稠度與坍落度為零的水泥混凝土類似，攤鋪后需由壓路機(jī)壓實(shí)[1]。由于其高強(qiáng)、施工方便、造價(jià)低廉的優(yōu)勢(shì)，近幾十年來RCC 已被廣泛應(yīng)用于道路、大壩等工程中，近幾年甚至開始被應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)道面的建設(shè)。為充分發(fā)揮 RCC 快速、經(jīng)濟(jì)施工的特點(diǎn)，碾壓混凝土開始應(yīng)用于道面面層，而碾壓混凝土壩則趨向采用全斷面碾壓，即外部和內(nèi)部全部采用碾壓混凝土[2]。為此，碾壓混凝土的抗凍性成為工程中最為關(guān)注的問題之一。然而近年來許多數(shù)據(jù)表明 RCC 的抗凍、抗鹽剝蝕性能并不總是令人滿意[3-4]，這是因?yàn)榈退冶取⒌蜕皾{含量以及超干硬性的特點(diǎn)，導(dǎo)致 RCC 引氣效果不佳[5]。本文通過“二次投料法”[6]制備 RCC，并采用快速凍融、掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)方法研究了 RCC 在水中抗凍性能以及凍融對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原料

本次試驗(yàn)采用的材料：①唐山奧城水泥廠生產(chǎn)的 42.5普通硅酸鹽水泥；②細(xì)度模數(shù)為 2.55 的北京產(chǎn)河砂；③5～20mm 級(jí)配良好的碎石；④北京世紀(jì)洪雨科技公司生產(chǎn)的 HY801 聚羧酸高性能減水劑；⑤巴斯夫公司生產(chǎn)的micro air202 引氣劑。

1.2 配合比設(shè)計(jì)、試件的成型與養(yǎng)護(hù)

RCC 的配合比按照 GJB 1578-92《機(jī)場(chǎng)道面水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)抗折強(qiáng)度為 5.0MPa，抗壓強(qiáng)度等級(jí)為 C60，配合比見表 1。

先將水泥、砂及摻入引氣劑的水加入攪拌機(jī)拌和 1min成水泥砂漿，期間均勻加入減水劑，然后再投入粗骨料攪拌2min，30min 時(shí)測(cè)定維勃稠度，然后碾壓、振動(dòng)成型100mm×100mm×400mm 的棱柱體試件，試件成型后帶模養(yǎng)護(hù) 24h，拆模后，移入溫度 (20±2)℃、濕度 95% 的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù) 28d。試件的力學(xué)性能測(cè)試執(zhí)行 JTG-E 30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，28d 強(qiáng)度見表 1。

表1 混凝土的配合比及 28d 強(qiáng)度

1.3 試驗(yàn)方法

通過在水中 400 次的快速凍融試驗(yàn)測(cè)定 RCC 的質(zhì)量和動(dòng)彈性模量變化規(guī)律。動(dòng)彈模與質(zhì)量損失取三個(gè)試塊的平均值。并在凍融至 100 次、150 次、200 次、250 次時(shí)分別取三個(gè)試塊測(cè)試抗折強(qiáng)度，利用斷塊測(cè)量抗壓強(qiáng)度，測(cè)試執(zhí)行JTG-E 30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》。

強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)束后，從斷塊底面靠近表面 5～10mm 的位置采集水泥砂漿顆粒，將其浸泡于無水乙醇中以阻止樣品在試驗(yàn)之前繼續(xù)水化，隨后鍍金并進(jìn)行掃描電鏡分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 RCC 在水中的抗凍性

表 2 為 RCC 凍融過程中與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下相對(duì)動(dòng)彈性模量。變化規(guī)律見圖 1，由圖可知，引氣后的碾壓混凝土在水中的抗凍性能良好，抗凍耐久系數(shù)為 94.3%，400次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量?jī)H下降了 7.3%。

圖 2 從左往右依次是同一試塊在 100、150、200、250、300、350 和 400 次凍融循環(huán)后的表面狀態(tài)。在 300 次凍融循環(huán)時(shí)，混凝土表面幾乎沒有剝落，此后部分區(qū)域產(chǎn)生剝落并有骨料露出現(xiàn)象。凍融至 400 次時(shí)的質(zhì)量損失率僅為 0.3%。

表2 RCC 相對(duì)動(dòng)彈模的變化

表 3 為 RCC 在 0、100、150、200、250 次凍融后的抗折與抗壓強(qiáng)度。變化趨勢(shì)見圖 3，由圖可知，在前 200 次的凍融循環(huán)中，抗折與抗壓強(qiáng)度逐漸降低，但 250 次凍融循環(huán)時(shí)略有增長(zhǎng)。這種較小的增長(zhǎng)在相對(duì)動(dòng)彈模的變化規(guī)律中也有表現(xiàn)，在 200～250 次凍融期間，動(dòng)彈性模量幾乎沒有下降。

圖1 RCC 相對(duì)動(dòng)彈性模量

圖2 RCC 在水中的凍融破壞形態(tài)

表3 RCC 強(qiáng)度變化

圖3 RCC 凍融過程中強(qiáng)度變化

2.2 掃描電鏡分析

圖 4 是經(jīng)過 100 次凍融循環(huán)的樣品照片，放大倍率為2000?？梢钥闯?，凍融引起了明顯的晶體生長(zhǎng)的現(xiàn)象，在 100次凍融循環(huán)的樣品表面有大量的長(zhǎng)約 5μm、寬約 3μm 的塊狀晶體。能譜分析發(fā)現(xiàn)其主要成分是碳、氧、鈣。這是由于凍融產(chǎn)生的微裂縫使得混凝土內(nèi)部的 Ca(OH)2溶解到了水中，在局部形成飽和的 Ca(OH)2溶液，在溶解過程中 Ca(OH)2的溶解度隨著溫度的升高而降低并導(dǎo)致這些塊狀晶體的析出。

圖4 凍融 100 次 RCC 樣品的 SEM 照片（2000 倍）

圖5 水中凍融的 SEM 照片（2000倍）

圖6 凍融 250 次 RCC 樣品的 SEM 圖（2000倍）

圖5（a）、（b）分別是經(jīng)過 150 次和 200 次凍融循環(huán)的SEM 圖，圖 6 是 250 次凍融循環(huán)后的試件 SEM 圖，放大倍率均為 2000。由圖可見，隨著凍融次數(shù)的繼續(xù)增加，樣品表面開始出現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)的針狀晶體，而原先較大的塊狀晶體碎裂或溶解，體積有所減小。到 250 次凍融時(shí)，整個(gè)樣品表面已被這些針狀晶體相互接觸和連生形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)覆蓋。能譜分析發(fā)現(xiàn)，這些針狀晶體主要成分為 Ca/Si 較高的水化硅酸鈣，此外還包含較多的鋁、鎂、鐵等元素。由于 C-S-H 的形貌在Ca/Si 由低到高的進(jìn)程中會(huì)出現(xiàn)由“箔狀物”或“片狀物”向“纖維狀物”的變化[7-8]，并最終相互交錯(cuò)連接形成網(wǎng)狀的結(jié)晶網(wǎng)。

圖7 水中凍融的SEM照片（5000倍）

圖 7 是凍融 100、150、200、250 次后 RCC 樣品的 SEM圖。由圖 7 可見凍融循環(huán)引起的微裂紋，同時(shí)也清晰的再現(xiàn)了水泥水化產(chǎn)物由針狀晶體向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程。凍融對(duì)混凝土的損傷主要體現(xiàn)為裂縫發(fā)展和晶體產(chǎn)生。微裂縫的擴(kuò)展導(dǎo)致了混凝土由表及里緩慢的劣化，引起試件動(dòng)彈模及強(qiáng)度的下降，還導(dǎo)致混凝土內(nèi)部 Ca(OH)2的溶解，為晶體的生長(zhǎng)提供了條件。250 次凍融后晶體由針狀轉(zhuǎn)為網(wǎng)狀，而此時(shí)混凝土的強(qiáng)度有所增加，這表明網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成能彌補(bǔ)因裂縫發(fā)展帶來的強(qiáng)度損失，相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化也表明內(nèi)部劣化有所緩和。

3 結(jié)論

（1）RCC 在水中的凍融損傷較小，抗凍耐久系數(shù)為94.3%，凍融 400 次后相對(duì)動(dòng)彈模損失為 7.3%，質(zhì)量損失0.3%，表面有少量粗骨料露出。

（2）凍融次數(shù)不大于 200 次時(shí)，隨著凍融次數(shù)的增加，RCC 的相對(duì)動(dòng)彈模、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均有所降低；但250 次凍融強(qiáng)度略有增長(zhǎng)。

（3）凍融過程中混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的微裂紋，同時(shí)水泥水化產(chǎn)物由針狀晶體向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

[1] State-of-the-art report on roller compacted concrete pavements. ACI 325.10R-95, Manual of concrete practice, vol. 2; 1996. p. 31.

[2] 姜福田．碾壓混凝土的抗凍性[J]．水利水電技術(shù)，1991,09：60-64+43．

[3] Mahmoud Nili，M. Zaheri．Deicer salt-scaling resistance of non-air-entrained roller-compacted concrete pavements [J]. Construction and Building Materials,2010,254：.

[4] Portland cement association．Frost durability of roller compacted concrete pavements. RD 135; 2004.

[5] Marchand, J.，Boisvert, L，Tremblay, S，Maltais, Jand Pigeon, M．“Air Entrainment in Dry Concrete Mixtures,”Concrete International, Vol. 20, No. 4, April, 1998, pages 38–44.

[6] 李世綺，牛開民，夏玲玲．路面碾壓混凝土抗凍性的研究[J]．東北公路，1997,01：72-78．

[7] Grudemo, ?. (1954)．Discussion following the paper by J. D. Bernal on ‘The structure of cement hydration compounds,’ 3rdISCC, 247-53．

[8] 呂林女，趙曉剛，何永佳，等．鈣硅比對(duì)水化硅酸鈣形貌和結(jié)構(gòu)的影響[C]．中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)、中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院．中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)水泥分會(huì)首屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[A]．中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)、中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，2009,8．

［通訊地址］北京市海淀區(qū)知春路北京航天航空大學(xué)（100191）

陳舒航，北京航空航天大學(xué)交通學(xué)院土木工程系碩士研究生。