除冰盐状态下水泥混凝土路面退化性能研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.4（上）-110-工 程 技 术随着北方寒冷地区水泥混凝土道路的建设量增加，以冻融损伤为主要问题的混凝土结构破坏现象也逐年增加，导致水泥混凝土路面结构服役寿命缩短，失去作用，造成了大量社会经济问题。除冰盐环境下水泥混凝土路面抗盐冻性能损伤劣化过程，已经成为道路工程界关注的热点，冻融环境下的混凝土路面结构安全问题亟待解决1。水泥混凝土路面抗冻耐久性是混凝土材料方面的重要问题，经受冻融损伤破坏后，混凝土结构出现剥蚀及开裂现象。水泥混凝土路面材料抗冻耐久性问题主要集中在分析混凝土质量损失及动弹性模量损失方面2-3，分析冻融过程中的混凝土力学变化规律，提出相应的冻融损伤本构关系。为研究复合活性矿物对水泥混凝土路面的抗盐冻性能，本文结合宏观试验及微细观分析，探讨了复掺矿渣微粉、粉煤灰等活性矿物对水泥混凝土抗冻性能的影响规律，分析了冻融循环过程中混凝土物理力学变化规律。采用场发射扫描电镜和 X 射线分析了复合矿物在混凝土中的作用机理，为降低混凝土氯盐介质的冻融破坏，延长混凝土服役寿命提供科学依据。1 试验原理混凝土基体的孔隙中存有大量自由水，随着环境温度的降低，自由水发生结冰膨胀，进而引起混凝土孔隙周围的拉应力不足，是造成混凝土冻融破坏的主要因素，目前，国内外学者相继利用粉煤灰、矿渣微粉、碱矿渣等活性矿物改善混凝土结构耐冰冻侵蚀性能4-6。复掺矿渣微粉、粉煤灰等活性矿物，能够有效促进水化产物生成，填充混凝土内部有害孔隙，优化孔结构，能延长混凝土的服役寿命及提高抗冻特性。本文结合宏观试验及微细观分析，根据混凝土配合比和不同复合矿物材料掺量制作 12 个 100mm100mm400mm（宽 高 长）的水泥混凝土试件，试验按照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法（GBJ 8285），利用 TDR-16 型快速冻融试验机模拟海水环境下冻融循环试验，采用DT-12 型动弹模量测定仪测量冻融试验过程中的混凝土动弹模量。总结混凝土经受不同冻融循环后，试件表面剥蚀现象、在冻融循环过程中复合矿物混凝土试件质量变化规律、矿渣微粉水泥混凝土强度变化过程与冻融循环次数的关系。探讨了复掺矿渣微粉、粉煤灰等活性矿物对水泥混凝土抗冻性能的影响规律。2 试验方法2.1 原材料试验采用普通硅酸盐水泥，型号为42.5。矿渣粉选用粒径等级较高的粉末，型号为 S95 级，矿渣粉细度为 500m2/kg，表观密度为 2.89g/cm，火山灰活性指标为 81（7d）、104（28d），粉煤灰为级粉煤灰。砂子为大河中砂，石子为 13mm 的碎石。测试用混凝土各材料的配比详见表 1，水泥、矿渣微粉、粉煤灰的化学组成见表 2，图 1 给为矿渣微粉 XRD 分析图谱。表 1 复合矿物混凝土配合比水泥/kg矿渣微粉/kg粉煤灰/kg水/kg砂/kg石子/kg34500160615125515515501606151255130155351606151255100155701606151255表 2 矿物材料化学成分含量（单位：%）化学成分CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOSO3其他水泥58.3022.826.183.551.562.394.87矿渣微粉24.9833.5714.6215.138.561.850.88粉煤灰4.6556.3231.856.191.021.521.322.2 试件制备根据混凝土配合比和复合矿物材料掺量的不同，共制作12 个 100mm100mm400mm（宽 高 长）水泥混凝土试件，分为 4 组，每组 3 块。试件在标准养护室中养护 24h，取出后拆模，将试件置于模拟海水溶液中继续饱水养护 28d，进行冻融测试，具体试件分组见表 3。表 3 水泥混凝土试件冻融试验分组试件编号矿渣微粉掺量（质量）/%粉煤灰掺量（质量）/%水胶比养护龄期/dS0000.528S55000.528S5F150100.528S5F250200.5282.3 试验方法及过程试验按照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法（GBJ 8285），利用 TDR-16 型快速冻融试验机进行模拟海水环境下冻融循环试验，采用 DT-12 型动弹模量测定仪测量冻融试验过程中混凝土的动弹模量。为探讨复合矿物对混凝土抗冻性能作用机理，利用 SEM和 XRD 分析混凝土试件微观结构和晶体的演变规律。除冰盐状态下水泥混凝土路面退化性能研究李挺（博山公路事业服务中心，山东 淄博 255200）摘 要：为研究北方冰冻地区水泥混凝土道路在除冰盐作用下的路面劣化性能，本文通过快速冻融循环试验，利用微观分析手段，对复合粉煤灰-矿渣微粉活性矿物改性水泥混凝土路面材料抗冻性能进行了相关研究。试验结果表明：普通水泥混凝土抗冻性能较差，单掺50%矿渣微粉可有效优化水泥混凝土抗盐冻性能，复掺矿渣微粉-粉煤灰水泥混凝土抗盐冻特性可显著提高，质量损失率为1.8%，相对动弹模量为73.44%。复掺适量活性矿物能够促进混凝土中二次水化反过程，改善混凝土基体微细观结构，提高混凝土基体密实性和混凝土抗盐冻能力。研究结果为水泥路面抗冻提供参考。关键词：复合矿物混凝土；冻融循环；质量损失；强度损失；微观结构中图分类号：U416文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.4（上）-111-工 程 技 术3 试验结果分析3.1 外观变化总结混凝土经受不同冻融循环后，试件表面的剥蚀现象。结果表明冻融循环作用可加速混凝土外观损伤，试件表面剥蚀现象严重，大量砂浆颗粒脱落，骨料裸露，表面形成大量坑槽。冻融循环作用可导致混凝土表面形成多条微裂纹，并逐步连通，试件逐渐劣化，最终导致混凝土试件端部严重破损。通过研究得知，经受 200 次冻融后，复合粉煤灰-矿渣微粉混凝土表面裂缝开裂情况。结果表明 S0 组和 S5F2 组混凝土端部损伤严重，产生大量宏观裂缝，骨料剥落现象严重。S5F1 组混凝土端部未出现明显的宏观裂缝，混凝土表面产生轻微砂浆层剥落现象。由此可见，适量粉煤灰-矿渣微粉复合混凝土可有效抵抗冻融循环对外观的影响。在冻融过程中，混凝土表面微裂纹延伸扩展是导致混凝土表面剥蚀，骨料剥落的主要原因。通过研究不同复合矿物混凝土经受 200 次冻融循环后裂缝扩展情况，结果表明 S0组和 S5F2 组混凝土表面有明显的开裂破坏现象，而 S5 组和S5F1 组混凝土表面未观察到明显裂缝。由分析可得，复合掺入 50%矿渣微粉与 10%粉煤灰减缓了混凝土表面裂缝的产生及扩展过程。3.2 质量损失图 2 为冻融循环过程中复合矿物混凝土试件质量变化规律。在冻融作用初期，普通混凝土质量损失呈现先减少后增加的趋势，混凝土经受少量冻融循环作用内部产生微裂缝，导致混凝土吸收水分，此时混凝土并未产生表面的剥蚀现象，混凝土质量轻微增加。对复合矿物混凝土内部密实度增加，孔隙内部的自由水结冰时产生的膨胀应力较小，对混凝土产生的破坏程度不深，混凝土基体表观的砂浆层剥离较少。孔隙水冻结融化次数增加，矿渣粉取代水泥制备的混凝土质量损失较少，经过 200 次冻融循环后质量损失为 1%，抗冻效果较好。随着复合掺入粉煤灰，质量损失与其掺量产生较明显变化，其中掺入 10%粉煤灰，经过 200 次冻融循环，质量损失率仅为 1.8%，未达到破坏状态。经过 175 次图 2 质量损失随冻融循环次数增加变化曲线图 1 矿物样品微观结构及 XRD 图谱300025002000150010005000102030405060708090入射角/（）计数/min/%中国新技术新产品2024 NO.4（上）-112-工 程 技 术的孔隙水冻结融化过程，粉煤灰取代 20%的混凝土质量损失超过 5%，按照测试标准，混凝土性能失效。上述试验现象表明单掺 50%矿渣微粉或复掺 10%粉煤灰有利于混凝土冻融过程的抗剥蚀现象。3.3 冻融破坏对复合矿物混凝土强度的影响过程与冻融循环次数的关系。由图 3 试验结果可得，混凝土内部孔隙溶液的冻结融化过程可加深混凝土强度的劣化程度，导致抗压强度逐渐降低。复掺适量矿渣微粉可有效改善混凝土强度的冻融损伤程度。单掺 50%矿渣微粉延缓了冻融破坏过程中的强度损失，经过 125 次冻融循环，复掺矿渣微粉混凝土抗压强度损失率为 28%，远低于普通混凝土的 62%。在冻融循环过程中，复合掺加 10%粉煤灰与 50%矿渣微粉的混凝土试件强度均高于其他两种混凝土试件，强度损失率最小，说明其抗冻性能优于其他两种混凝土试件。要达到最优的性能，混凝土中粉煤灰-矿渣微粉的最佳掺量可取 10%与 50%。4 结论本文采用快速冻融循环试验，研究了复合活性矿物在除冰盐作用下对水泥混凝土路面抗盐冻损伤的影响。分析了辅助矿物对冻融作用下混凝土的外观及质量变化、相对动弹模量损失，得出以下结论。1）混凝土中孔隙水的经受冻结-融化过程，可造成水泥混凝土基体的质量减少，表面剥损增加。当混凝土中矿渣与水泥比值为 0.5 时，泥混凝土质量损失率最小。复掺 50%矿渣微粉和 10%粉煤灰水泥混凝土质量损失率最小。2）在冻融试验中，随着孔隙水冻结-融化次数增加，混凝土基体相对动弹模量呈下降趋势，当矿渣含量为 50%，粉煤灰含量 10%时，经 200 次的孔隙水冻结-融化过程后，混凝土相对动弹模量为 74%、73%。根据判定标准，混凝土试件未失效。矿渣含量为 50%，粉煤灰含量为10%的混凝土相对动弹模量分别提高 24%、29%。3）粉煤灰和矿粉同时取代水泥，可有效改善混凝土的微观结构，增加密实性，显著改善水泥混凝土的抗盐冻性能。参考文献1 吴鹏程，杨全兵，徐俊辉，等.低危害除冰盐对水泥混凝土盐冻破坏的影响及其机理 J.建筑材料学报，2020，23（2）：6.2 张立华.寒区水泥混凝土路面构造研究 J.四川水泥，2020（1）：1.3 李九苏.除冰盐破坏的水泥混凝土路面再生利用研究综述J.混凝土，2009（6）：3.4 程力.荷载作用下道路水泥混凝土氯离子的渗透性 J.新疆交通运输科技，2016（1）：3.5 杨晓明，孙国君.除冰盐环境下混凝土冻融损伤深度的试验研究 J.自然灾害学报，2020，29（1）：8.6 何静，申向东，董伟.除冰盐侵蚀下风积沙水泥砂浆的力学性能及损伤模型 J.中国科技论文，2017，12（1）：4.图 3 混凝土强度与冻融循环的关系（a）抗压强度（b）强度损失率/%/MPa