砾石混凝土抗冻性能研究

于晓坤，王锐，王者

(1.东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨，150040；2.黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院，哈尔滨，150050)

砾石混凝土抗冻性能研究

于晓坤1，王锐1，王者2

(1.东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨，150040；2.黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院，哈尔滨，150050)

黑龙江省河流分布较广，河流水系沿线有较为丰富的砾石资源，可作为粗骨料充分运用到水泥混凝土路面中，以达到减少工程成本的目的，由于黑龙江省特殊的地理气候环境，冻融循环是影响混凝土路面耐久性的重要因素之一，在设计路面时必须考虑砾石混凝土路面的抗冻性能。本文以黑龙江乌斯浑河流域平山段砾石为原材，通过混凝土快速冻融循环机对砾石混凝土抗冻性能进行研究。研究结果表明：随着冻融循环次数的增加，砾石混凝土动弹模量降低，质量损失率增加，混凝土的抗冻性能减低；级配在5～26.5mm范围内的砾石混凝土抗冻性能最佳；在冻融循环达到200次后，掺引气剂砾石混凝土的抗冻性能明显好于未掺引气剂。研究结果为黑龙江省县乡村公路的建设提供理论参考，对工程实际具有一定的经济意义。

级配；砾石混凝土；抗冻性；破坏

0 引言

随着公路交通事业的蓬勃发展，高等级和主干线交通网已经基本完善，为了完善我国县乡村公路交通运输网，进而提高地区间政治、文化和经济等往来，国家开始大力建设县乡村道路[1]。县乡村公路具有交通流量低，交通复杂，养护时间间隔较大，破损时无法及时补修等特点，因此就需要一种承载力、刚度、稳定性及抗破坏能力好的路面，已达到县乡村公路的使用特点。水泥混凝土路面由于其混凝土自身的特点，具有刚度大，承载力大，稳定性好、施工工艺简单、成本低等优点，是通县乡村公路的首选[2-7]。黑龙江省河流分布较广，河流水系沿线有较为丰富的砾石资源，可将其作为粗骨料充分运用到水泥混凝土路面当中，以达到减少工程成本的目的。由于黑龙江省其特殊的地理气候环境，且冻融循环是影响混凝土路面耐久性的重要因素之一，在设计路面时必须考虑混凝土路面的抗冻性能[8]。因此本文以黑龙江乌斯浑河流域平山段砾石为原材，通过混凝土快速冻融循环机对砾石混凝土抗冻性能进行研究，试验结果为黑龙江省县乡村公路的建设提供理论参考，对工程实际具有一定的经济意义。

1 试验的原材料

砾石混凝土是由水泥作为胶结材料，水泥胶结作用将松散集料的结构胶凝在一起，因此砾石混凝土的物理力学性质主要取决于各种原材料的选择。

1.1 水泥

水泥采用内蒙古蒙西水泥股份有限公司生产的蒙西牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥，水泥物理力学指标见表1。

表1 水泥的物理力学指标Tab.1 Physical and mechanical indexes of cement

1.2 砾石

粗集料选用黑龙江乌斯浑河流域平山段天然砾石，砾石的常规指标见表2。

表2 砾石常规指标Tab.2 Routine Indexes of gravel

不同的河流流域，其天然砾石都有其自身的特点，且未经人为筛分，现场所取砾石的最大粒径为53 mm，且其级配不均匀，因此需要室内人为的对天然砾石进行筛分，保证砾石混凝土的质量要求，结合姜利[9]等对路用砾石混凝土级配探讨，将天然砾石级配划分3种不同的级配，其分别为5～31.5、5～26.5和5～19 mm，即为a、b和c。各级配粒径的通过百分率见表3。

表3 各级配粒径的通过百分率Tab.3 Percentage of particle size distribution at all levels

1.3 细集料

细集料采用汤旺河砂，其材料参数见表4。

表4 细集料材料参数Tab.4 Material parameters of fine aggregate

1.4 水和外加剂

水采用室内饮用水，其各项指标符合试验要求；外加剂主要选取FDN型减水剂和UNF-5型引气剂。

结合姜利[9]等对路用砾石混凝土级配探讨，并通过室内试验研究确定砾石混凝土的配合比，确定配合比为：水泥∶水∶砾石∶砂=320∶150∶1 388∶591，引气剂的用量为1%，FDN型减水剂用量为0.5%。a、b和c三种不同级配砾石混凝主要土力学性能按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)规定进行，见表5。

表5 不同级配砾石混凝土力学指标Tab.5 Mechanical indexes of different graded gravel concrete

2 砾石混凝土的抗冻试验方法

水泥混凝土抗冻性试验完全依照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)规定进行。试验采用快冻法，仪器采用快速冻融试验机，砾石混凝土尺寸：100 mm×100 mm×400 mm，砾石混凝土养生时间为标准28 d，在规定龄期的前4 d将各试件放在20±2 ℃的饱和石灰水中浸泡，水面至少高出试件20 mm。浸泡4 d后进行冻融试验，将养生好的的砾石混凝土试件放入水泥混凝土快速冻融循环机内(图1)，冻融过程中水面高度不能小于试件20 mm，冻融循环的温度在-16～3 ℃，一次冻融循环时间在2～4 h之内，冻融循环次数300次，每25次冻融循环对试件进行相对弹性模量P(图2)和质量变化Wn的测试[6-7]。

图1 快速冻融试验箱Fig.1 Rapid freezing and thawing test chamber

图2 混凝土动弹性模量测定仪 Fig.2 Concrete dynamic modulus tester

混凝土的抗冻性能用抗冻标号来表示[10]。混凝土在冻融循环过程中，其相对动弹模量≤60%或者质量减小率≥5%时，判定为混凝土达到了最大冻融循环次数，抗冻标号表示为：D50、D100、D150、D200、D250和D300等。

3 抗冻试验结果分析

对人工筛分的a、b和c三种级配进行混凝土的抗冻性试验，为了进一步研究引气剂对抗冻性能的影响，同时对加入引气剂的a、b和c三种级配进行抗冻性能试验，未掺引气剂砾石混凝土冻融破坏与掺引气剂砾石混凝土冻融破坏分别如图3和图4，试验结果见表6和表7。

图3 未加引气剂冻融破坏Fig.3 Failure of freezing and thawing without air entraining agent

图4 掺引气剂冻融破坏Fig.4 Freezing and thawing of air entraining agent

水泥用量/(kg·m-3)粒径/mm指标/%D50D100D150D200D250D300320aWn0.51.12.03.24.3—P9387796155—320bWn0.20.40.61.73.0—P9893887068—320cWn0.61.22.53.1——P926754———

表7 加引气剂砾石混凝土抗冻试验结果Tab.7 Results of frost resistance test of gravel concrete with air entraining agent

根据表6和7可知：随着冻融循环次数的增加，砾石混凝土动弹模量降低，质量损失率增加。分析原因：在拌制混凝土试块时，水泥的水化作用后使得混凝土中形成联通且具有一定体积的毛细孔隙，在冻融循环过程中，水分在混凝土中发生迁移集聚的现象，尤其在负温状态下水的冻结其体积增加9%，破坏了混凝土中水泥与集料的胶结作用，混凝土试块表面发生松散、破坏、掉渣等现象，进而导致混凝土抗冻性能降低，质量损失较明显增加[11-13]。

3.1 级配对砾石混凝土抗冻性能的影响

依据图5级配对未掺引气剂混凝土相对动弹模量影响和图6掺引气剂混凝土相对动弹模量影响，从图中可以直观看出，3种级配中b级配表现的抗冻性能最佳，明显高于a和c级配。分析原因：a级配中最大粒径含有31.5 mm，级配范围较大，在制作混凝土试块时，无法保证试块中的空隙完全让细集料填充，导致其中吸水率较大，冻融过程中产生膨胀率大于b级配；而c级配由于其级配范围相对较小，其形成的混凝土试块中毛细空隙较多，在冻融过程中大量的毛细水迁移集聚，破坏了混凝土原有的胶凝结构导致抗冻性能大大降低。

图5 级配对未掺引气剂混凝土相对动弹模量影响Fig.5 Influence of relative modulus of elasticity of concrete without air entraining agent

图6 级配对掺引气剂混凝土相对动弹模量影响Fig.6 Influence of relative modulus of elasticity of concrete with air entraining admixture

3.2 引气剂对砾石混凝土抗冻性能的影响

对比表6和表7可以看出加入引气剂的水泥混凝土的抗冻性能大于未加入引气剂的混凝土。由图7b级配混凝土掺引气剂与未掺引气剂质量变化率对比可知，随着冻融循环次数的增加，掺引气剂与未掺引气剂混凝土的质量损失率也随之增加，在冻融循环200次前，二者没有明显的差异，在冻融循环次数达到200次后，未掺引气剂砾石混凝土质量损失率变化明显大于掺引气剂的。分析原因主要由于混凝土中掺入引气剂的原因，使得混凝土内部分布着细小气体，气体的存在阻隔了自由水进入混凝土中，大大减少了混凝土的吸水率，进而减少自由水在混凝土中的膨胀作用[14-20]，同时混凝土中的气体也起到了缓冲的作用，大大降低水在冻结过程中的膨胀作用，动弹模量远大于未掺引气剂的混凝土，大大提高了砾石混凝土的抗冻性能。

图7 b级配混凝土掺引气剂与未掺引气剂质量变化率对比图Fig.7 Comparison Chart of mass change rate between B graded concrete admixture and air entraining agent

4 结论

本文以黑龙江乌斯浑河流域平山段砾石为原材，通过混凝土快速冻融循环机对砾石混凝土抗冻性能进行研究，试验结果为黑龙江省县乡村公路的建设提供理论参考，对工程实际具有一定的经济意义。所得结论如下：

(1)随着冻融循环次数的增加，砾石混凝土动弹模量降低，质量损失率增加，混凝土的抗冻性能减低。

(2)级配在5～26.5 mm范围内的砾石混凝土抗冻性能表现良好。

(3)掺引气剂混凝土抗冻性能表现良好，且在冻融循环达到200次后，掺引气剂砾石混凝土的抗冻性能明显好于未掺引气剂。

[1] 梁静.荆州市公路交通运输管理存在的问题及对策[J].长江大学学报(自科版)，2013，10(28)：92-93.

[2] 杨峰，索光林.公路工程水泥混凝土路面施工技术应用[J].技术与市场，2016，23(9)：134+136.

[3] 曹敬雪，王舒霈.公路工程水泥混凝土路面施工技术的应用[J].技术与市场，2015，22(7)：228-230.

[4] Mangat P S，Gurusamy K.Chloride diffusion in steel fiber reinforced marine concrete[J].Cemint and Concrete Research，1987，17(3)：385-396.

[5] Gurung N.A laboratory study on the tensile response of unbound granular base road pavement model using geosynthetics[J].Geotextiles and Geomembranes，2003，21(1)：59-68.

[6] Bella F.Driving simulator for speed research on two-lane rural roads[J].Accident Analysis & Prevention，2008，40(3)：1078-1087.

[7] Laval J A.A macroscopic theory of two-lane rural roads[J].Transportation Research Part B Methodoloical，2006，40(10)：937-944.

[8] 申力涛.路面混凝土盐冻破坏机理与防治研究[D].邯郸：河北工程大学，2011.

[9] 姜利，盖晓连.路用砾石混凝土级配探讨[J].森林工程，2007，23(5)：48-49.

[10] 南瑞芳.水工混凝土材料的抗冻耐久性能劣化规律研究[D].郑州：华北水利水电大学，2015.

[11] 王佳伟.单向钢纤维混凝土的抗冻性[D].天津：河北工业大学，2015.

[12] 王伟.氯离子环境下混凝土结构耐久性设计研究[D].合肥：合肥工业大学，2006.

[13] 肖延亮.某工程大坝混凝土抗冻性能试验研究[A].中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土分会混凝土耐久性专业委员会.第八届全国混凝土耐久性学术交流会论文集[C].中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土分会混凝土耐久性专业委员会，2012：6.

[14] 张凯，王起才，王庆石，等.引气剂对混凝土性的研究[J].公路工程，2015，40(6)：20-23.

[15] 刘茉莉.不同外掺料对混凝土抗冻性影响的研究[D].邯郸：河北工程大学，2011.

[16] 杨宇林.纤维混凝土复合材料耐久性能研究综述[J].混凝土，2012(2)：78-80.

[17] 逄立伟.冻副交替环境下道面聚丙烯腈纤维混凝土的抗冻性能试验[J].公路工程，2017，24(3)：235-240.

[18] 吴声宏.西北地区侵蚀环境对混凝土耐久性的影响[J].中国建材科技，2011，20(1)：7-9.

[19] 杨少伟，杨英姿，邓红卫，等.负温混凝土早期结构损伤程度研究[J].混凝土，2004(7)：12-15.

[20] 严家汲.道路建筑材料[M].北京：人民交通出版社，2002.

StudyonFrostResistanceofGravelConcrete

Yu Xiaokun1，Wang Rui1，Wang Zhe2

(1.College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040； 2.Civil and Architectural engineering College，Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050)

The rivers in Heilongjiang province are widely distributed，and there are abundant gravel resources along the river system，which can be used as course aggregate in cement concrete pavement，in order to reduce the cost of the project.Because of the special geographical and climatic environment in Heilongjiang Province，freeze-thaw cycle is one of the important factors that affect the durability of concrete pavement.The design of pavement must take into account the frost resistance of gravel concrete pavement.Using Pingshan Hunhe River gravel in Heilongjiang as raw material，the frost resistance of gravel concrete was studied by the rapid freezing and thawing machine.Results show that：with the increase of freeze-thaw cycles，the modulus of elasticity of gravel concrete decreases，mass loss rate increases and the frost resistance of concrete decreases.The frost resistance of gravel concrete in 5～26.5 mm range is the best.After freezing and thawing cycles reached 200 times，the frost resistance of gravel concrete with air entraining agent is better than that without air entraining agent.The results provide theoretical reference for the construction of rural roads in Heilongjiang province，which has certain economic significance to engineering practice.

Gradation；gravel concrete；frost resistance；destruction

U 416.213

A

1001-005X(2017)06-0067-04

2017-07-26

于晓坤，硕士，高级工程师。研究方向：道路与铁道工程。

*通信作者：王锐，硕士，助理工程师。研究方向：道路工程实验教学。E-mail：wangrui20075039@126.com

于晓坤，王锐，王者.砾石混凝土抗冻性能研究[J].森林工程，2017，33(6)：67-70.