曹沈陽， 包得祥

(1.甘肅省蘭州公路管理局， 甘肅 蘭州 730000; 2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司)

1 引言

水泥混凝土路面具有耐久性好、強度高、水穩(wěn)定性及高溫穩(wěn)定性良等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于道路路面建設(shè)中，尤其是鄉(xiāng)村道路。目前，中國水泥混凝土路面以普通水泥混凝土路面為主，該路面設(shè)置了大量的縱、橫向接縫，是整個路面的薄弱部位，在季節(jié)性冰凍地區(qū)接縫位置常出現(xiàn)唧泥、脫空、錯臺、開裂等病害，大大影響了行車舒適性，縮短了路面使用壽命。與此同時，接縫的存在使水分更易進入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在春融、秋凍時節(jié)，路面混凝土材料將經(jīng)受凍-融循環(huán)作用，若抗凍性能較差，其強度、耐久性將經(jīng)受嚴峻的考驗，易產(chǎn)生脫空、剝落等病害，大大影響行車舒適性，明顯縮短了路面使用壽命，可見混凝土材料的抗凍性能對路面十分重要。尤其是下雪天氣路面結(jié)冰時，為保證行車安全，需要在路面上撒布除冰鹽，更加速了路面破壞速度。

凍融條件下，水泥混凝土的破壞速度主要受兩大因素的影響，一是凍融環(huán)境；二是水泥混凝土的抗鹽凍性能。大量研究證明：鹽凍條件下混凝土的破壞速度遠大于一般水凍條件下混凝土的破壞速度。對破壞機理進行研究發(fā)現(xiàn)：① 鹽具有除濕作用，可明顯縮短混凝土的飽水時間，加大混凝土的飽水程度；② 鹽溶液在加速凝結(jié)冰融化的過程中，將從混凝土中吸收大量的熱量，導致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成溫度梯度，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，大大加速了混凝土的凍融破壞。

為提高混凝土抗鹽凍性能，國內(nèi)外學者開展了大量研究，研究水泥摻量、鹽溶液濃度、外加劑、環(huán)氧樹脂、礦物摻合料、納米材料等對混凝土抗鹽凍性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：當鹽溶液濃度為2%～4%時，凍融循環(huán)作用下混凝土破壞速度最大；在水泥混凝土中，摻入引氣劑、減水劑、纖維、礦物摻合料(粉煤灰、硅灰、超細化電爐礦渣等)、納米材料(CaCO3、SiO2、Fe2O3等)等材料后均可改善混凝土的抗鹽凍性能，但均會影響到混凝土的施工質(zhì)量和強度等。

目前，國內(nèi)外學者圍繞路用水泥混凝土抗鹽凍性能研究，取得了豐碩的成果。研究多基于水泥混凝土凍融循環(huán)試驗，測得不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的相對動彈模量和質(zhì)量損失，進而評價其抗凍性能。對于普通水泥混凝土路面而言，彎拉強度是其設(shè)計控制指標，但是對于凍融循環(huán)作用下其彎拉強度衰減機理缺乏研究。而且，摻入減水劑、引氣劑、粉煤灰、纖維、納米材料等材料時，均可一定程度上改善水泥混凝土的抗鹽凍性能，但是哪種材料對混凝土抗鹽凍性能改善效果較好，缺乏橫向?qū)Ρ?。基于此，該文在水泥混凝土配合比設(shè)計的基礎(chǔ)上，研究水灰比、減水劑、引氣劑、粉煤灰、鋼纖維、納米CaCO3等材料對混凝土抗鹽凍性能的影響，選用的鹽溶液為濃度3%的NaCl溶液，進行的室內(nèi)試驗包括凍融循環(huán)試驗和彎拉強度試驗，擬通過混凝土抗鹽凍性能研究，優(yōu)化水泥混凝土材料組成，延長路面設(shè)計使用壽命。

2 原材料及配合比設(shè)計

2.1 原材料

試驗中用到的原材料包括水泥、水、粗集料、細集料、引氣劑、減水劑、粉煤灰、鋼纖維、納米CaCO3，現(xiàn)分別對其性能及指標進行論述：

(1) 水泥。普通硅酸鹽水泥，試驗測得抗折強度為8.0 MPa，密度為3 150 kg/m3。

(2) 水。要求采用潔凈無雜質(zhì)的水，試驗采用市政供水。

(3) 粗集料。粗集料為碎石，由試驗可得：碎石含泥量為1.1%，含水率為0.3%，堆積密度為2 428 kg/m3，表觀密度為2 706 kg/m3，粒徑范圍為9.5～26.5、9.5～19、4.75～9.5 mm共3檔，篩分后摻配比例為4∶3∶3，級配上限、下限及合成級配見表1。

表1 粗集料級配組成

(4) 細集料。細集料采用河砂，中砂，細度模數(shù)為2.7，含泥量為0.9%，堆積密度為1 710 kg/m3，表觀密度為2 715 kg/m3。

(5) 減水劑。減水劑摻量為1.5%。

(6) 引氣劑。引氣劑的摻量為0.01%。

(7) 納米材料。目前納米材料種類很多，常用的包括納米SiO2、納米CaCO3、納米Fe2O3、納米TiO2等，其價格大多數(shù)較高，如納米SiO2價格為10萬元/t以上，而納米CaCO3相對便宜，為1萬元/t左右，考慮經(jīng)濟因素，該文選用納米CaCO3進行試驗。研究發(fā)現(xiàn)：納米CaCO3的摻量為1%左右時其抗凍、抗?jié)B等耐久性能最佳，因而選用摻量為1%。

(8) 鋼纖維。采用波紋銑削型鋼纖維，其有效直徑為0.8 mm，長度為50 mm，抗拉強度為800 MPa。研究發(fā)現(xiàn)：纖維摻量大小對混凝土性能影響較大，當摻量較小時隨著摻量的增加，混凝土抗凍、抗?jié)B、強度均有所提高，但是當摻量增加到一定程度，隨著摻量的繼續(xù)增加，混凝土性能將有所降低，最佳摻量一般為1%左右，因而該文選用體積摻量為1%。

(9) 粉煤灰。摻入粉煤灰可有效改善混凝土孔結(jié)構(gòu)，提高其抗凍、抗?jié)B性能，但同時會略微降低混泥土的強度，因而應(yīng)合理選擇其摻量。研究發(fā)現(xiàn)：最佳摻量一般為10%～20%。該文選用的摻量為15%，摻量計算采用超量取代法，超量取代系數(shù)為1.2，選用的粉煤灰質(zhì)量達到Ⅰ級要求，其表觀密度為2 250 kg/m3。

2.2 配合比設(shè)計

對基質(zhì)水泥混凝土及改變水灰比、摻入引氣劑、鋼纖維、粉煤灰、納米CaCO3的混凝土進行配合比設(shè)計，確定的配合比設(shè)計如表2所示。其中，確定的基質(zhì)混凝土的砂率為34%，水灰比為0.40，減水劑為1.5%(占水泥質(zhì)量)，引氣劑為0.01%(占水泥質(zhì)量)。

3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)表2配合比制備6種材料的混凝土試件，每種材料制備3組試件，每組3個，總計54個試件。試件尺寸：長、寬、高分別為40、10和10 cm。試件成型后，將試件放在養(yǎng)生室養(yǎng)生28 d后進行相關(guān)試驗，試驗采用鹽溶液濃度為3%的NaCl溶液。試驗時，對每種材料的第1組試件進行凍融循環(huán)試驗，凍融循環(huán)總次數(shù)為200次，測試每隔25次的質(zhì)量損失和相對動彈模量，200次凍融循環(huán)后測試其彎拉強度；第2組試件進行100次凍融循環(huán)試驗后測試其彎拉強度；第3組試件養(yǎng)生28 d后直接測試其彎拉強度。最后根據(jù)第3組試件的彎拉強度試驗結(jié)果計算第1組和第2組試件的彎拉強度損失率。

RT-PCR每反應(yīng)設(shè)置2個平行，以Ct平均值≤36作為有效數(shù)據(jù)判定依據(jù)；ddPCR每反應(yīng)設(shè)置3個平行，計算平均值及相對標準偏差（RSD），以RSD≤25%作為有效數(shù)據(jù)判定依據(jù)。

表2 水泥混凝土配合比設(shè)計

3.1 凍融循環(huán)試驗結(jié)果及分析

對每種材料的第1組試件進行200次凍融循環(huán)試驗，每隔25次測試其質(zhì)量損失和相對動彈模量，試驗結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的相對動彈模量

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的質(zhì)量損失

由圖1、2可知：

(1) 對于基準配合比的水泥混凝土，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土質(zhì)量損失和相對動彈模量變化明顯，經(jīng)受200次凍融循環(huán)試驗后，其質(zhì)量損失為0.29%，相對動彈模量為75.9%，鹽凍條件下水泥混凝土性能退化明顯。

(2) 水灰比由0.40降為0.38后，200次凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失和相對動彈模量分別為0.26%和83.5%，分別比基準配合比的水泥混凝土減少10.3%和增加10.0%，混凝土抗鹽凍性能改善明顯。

(3) 當不摻入引氣劑時，200次凍融循環(huán)作用下，混凝土的質(zhì)量損失和相對動彈模量分別為0.47%和56.2%，比基準配合比的水泥混凝土分別增加62.1%和減少25.6%。由此可見，摻入引氣劑可明顯提高混凝土的抗鹽凍性能。

(4) 摻入粉煤灰時，200次凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失和相對動彈模量分別為0.27%和79.1%，分別比基準配合比的水泥混凝土減少6.9%和增加4.2%。由此可見，摻入粉煤灰可一定程度上提高混凝土的抗鹽凍性能，但提高程度有限。

(5) 摻入鋼纖維時，200次凍融循環(huán)作用下，質(zhì)量損失和相對動彈模量分別為0.21%和66.2%，分別比基準配合比的水泥混凝土減少27.6%和12.8%。由此可見，鋼纖維的摻入將一定程度上降低混凝土的密度，降低混凝土的相對動彈模量，但同時可降低混凝土的質(zhì)量損失，減少混凝土的破壞，提高其抗凍性能。

(6) 摻入納米CaCO3時，200次凍融循環(huán)作用下混凝土的質(zhì)量損失和相對動彈模量分別為0.20%和88.1%，分別比基準配合比的水泥混凝土減少31.0%和增加16.1%，水泥混凝土抗鹽凍性能改善效果顯著。

3.2 彎拉強度試驗結(jié)果及分析

對凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、100、200次的6種材料18組混凝土試件分別進行彎拉強度試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的彎拉強度

由圖3可知：

(1) 當凍融循環(huán)次數(shù)為0時，基質(zhì)混凝土、鋼纖維混凝土、納米CaCO3混凝土、變水灰比混凝土、粉煤灰混凝土和未摻引氣劑混凝土彎拉強度分別為6.2、7.0、6.8、6.7、5.6和6.0 MPa。由此可見：加入鋼纖維、納米CaCO3及降低水灰比將一定程度上提高混凝土的彎拉強度，與基質(zhì)混凝土相比分別提高12.9%、9.7%和8.1%；摻入粉煤灰及未加引氣劑時使混凝土彎拉強度有所降低，分別降低9.7%和3.2%。

(2) 凍融循環(huán)次數(shù)為200次時，基質(zhì)混凝土、鋼纖維混凝土、納米CaCO3混凝土、降低水灰比混凝土、粉煤灰混凝土和未摻引氣劑混凝土的彎拉強度損失率分別為30.6%、24.3%、26.5%、23.9%、25.0%和45%。由此可見：摻入鋼纖維、納米CaCO3、粉煤灰和引氣劑以及降低水灰比均可有效延緩凍融循環(huán)作用下彎拉強度的衰減，提高其抗鹽凍性能。

從彎拉強度試驗結(jié)果來看，6種材料的抗鹽凍性能優(yōu)劣對比情況為：降低水灰比混凝土>鋼纖維混凝土>粉煤灰混凝土>納米CaCO3混凝土>基質(zhì)混凝土>無引氣劑混凝土。

4 結(jié)論

(1) 凍融循環(huán)作用下，摻入引氣劑、粉煤灰、納米CaCO3、鋼纖維及降低水灰比均可減少鹽凍條件下混凝土的質(zhì)量損失和相對動彈模量的降低速度，延緩彎拉強度的衰減，提高季凍區(qū)混凝土的抗鹽凍性能。

(2) 摻入鋼纖維、納米CaCO3、引氣劑及降低水灰比可分別提高混凝土彎拉強度12.9%、9.7%、3.3%和8.1%，摻入粉煤灰使混凝土彎拉強度降低9.7%，因而在交通荷載等級為極重和特重的路面中不建議使用粉煤灰改善混凝土的抗鹽凍性能。

(3) 為提高季凍區(qū)水泥混凝土路面的抗鹽凍性能，在盡量加入引氣劑、降低水灰比的基礎(chǔ)上，優(yōu)先考慮摻入鋼纖維、納米材料。

通過以上研究可知：鹽凍條件下混凝土性能衰減明顯，應(yīng)當引起足夠的重視，摻入減水劑、引氣劑、鋼纖維、粉煤灰、納米CaCO3均可提高水泥混凝土彎拉強度(除粉煤灰外)，改善其抗鹽凍性能?？墒?，任何一種措施對混凝土抗鹽凍性能的改善程度均有限，在季節(jié)性冰凍比較嚴重的地區(qū)，應(yīng)當在考慮經(jīng)濟因素的同時，采取多種技術(shù)措施，綜合改善混凝土的抗鹽凍性能。