季冻地区路用水泥混凝土抗盐冻性能试验研究

曹沈阳， 包得祥

(1.甘肃省兰州公路管理局， 甘肃 兰州 730000; 2.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司)

1 引言

水泥混凝土路面具有耐久性好、强度高、水稳定性及高温稳定性良等优点，被广泛应用于道路路面建设中，尤其是乡村道路。目前，中国水泥混凝土路面以普通水泥混凝土路面为主，该路面设置了大量的纵、横向接缝，是整个路面的薄弱部位，在季节性冰冻地区接缝位置常出现唧泥、脱空、错台、开裂等病害，大大影响了行车舒适性，缩短了路面使用寿命。与此同时，接缝的存在使水分更易进入路面结构内部，在春融、秋冻时节，路面混凝土材料将经受冻-融循环作用，若抗冻性能较差，其强度、耐久性将经受严峻的考验，易产生脱空、剥落等病害，大大影响行车舒适性，明显缩短了路面使用寿命，可见混凝土材料的抗冻性能对路面十分重要。尤其是下雪天气路面结冰时，为保证行车安全，需要在路面上撒布除冰盐，更加速了路面破坏速度。

冻融条件下，水泥混凝土的破坏速度主要受两大因素的影响，一是冻融环境；二是水泥混凝土的抗盐冻性能。大量研究证明：盐冻条件下混凝土的破坏速度远大于一般水冻条件下混凝土的破坏速度。对破坏机理进行研究发现：① 盐具有除湿作用，可明显缩短混凝土的饱水时间，加大混凝土的饱水程度；② 盐溶液在加速凝结冰融化的过程中，将从混凝土中吸收大量的热量，导致混凝土结构内部形成温度梯度，产生温度应力，大大加速了混凝土的冻融破坏。

为提高混凝土抗盐冻性能，国内外学者开展了大量研究，研究水泥掺量、盐溶液浓度、外加剂、环氧树脂、矿物掺合料、纳米材料等对混凝土抗盐冻性能的影响。研究发现：当盐溶液浓度为2%～4%时，冻融循环作用下混凝土破坏速度最大；在水泥混凝土中，掺入引气剂、减水剂、纤维、矿物掺合料(粉煤灰、硅灰、超细化电炉矿渣等)、纳米材料(CaCO3、SiO2、Fe2O3等)等材料后均可改善混凝土的抗盐冻性能，但均会影响到混凝土的施工质量和强度等。

目前，国内外学者围绕路用水泥混凝土抗盐冻性能研究，取得了丰硕的成果。研究多基于水泥混凝土冻融循环试验，测得不同冻融循环次数下混凝土的相对动弹模量和质量损失，进而评价其抗冻性能。对于普通水泥混凝土路面而言，弯拉强度是其设计控制指标，但是对于冻融循环作用下其弯拉强度衰减机理缺乏研究。而且，掺入减水剂、引气剂、粉煤灰、纤维、纳米材料等材料时，均可一定程度上改善水泥混凝土的抗盐冻性能，但是哪种材料对混凝土抗盐冻性能改善效果较好，缺乏横向对比。基于此，该文在水泥混凝土配合比设计的基础上，研究水灰比、减水剂、引气剂、粉煤灰、钢纤维、纳米CaCO3等材料对混凝土抗盐冻性能的影响，选用的盐溶液为浓度3%的NaCl溶液，进行的室内试验包括冻融循环试验和弯拉强度试验，拟通过混凝土抗盐冻性能研究，优化水泥混凝土材料组成，延长路面设计使用寿命。

2 原材料及配合比设计

2.1 原材料

试验中用到的原材料包括水泥、水、粗集料、细集料、引气剂、减水剂、粉煤灰、钢纤维、纳米CaCO3，现分别对其性能及指标进行论述：

(1) 水泥。普通硅酸盐水泥，试验测得抗折强度为8.0 MPa，密度为3 150 kg/m3。

(2) 水。要求采用洁净无杂质的水，试验采用市政供水。

(3) 粗集料。粗集料为碎石，由试验可得：碎石含泥量为1.1%，含水率为0.3%，堆积密度为2 428 kg/m3，表观密度为2 706 kg/m3，粒径范围为9.5～26.5、9.5～19、4.75～9.5 mm共3档，筛分后掺配比例为4∶3∶3，级配上限、下限及合成级配见表1。

表1 粗集料级配组成

(4) 细集料。细集料采用河砂，中砂，细度模数为2.7，含泥量为0.9%，堆积密度为1 710 kg/m3，表观密度为2 715 kg/m3。

(5) 减水剂。减水剂掺量为1.5%。

(6) 引气剂。引气剂的掺量为0.01%。

(7) 纳米材料。目前纳米材料种类很多，常用的包括纳米SiO2、纳米CaCO3、纳米Fe2O3、纳米TiO2等，其价格大多数较高，如纳米SiO2价格为10万元/t以上，而纳米CaCO3相对便宜，为1万元/t左右，考虑经济因素，该文选用纳米CaCO3进行试验。研究发现：纳米CaCO3的掺量为1%左右时其抗冻、抗渗等耐久性能最佳，因而选用掺量为1%。

(8) 钢纤维。采用波纹铣削型钢纤维，其有效直径为0.8 mm，长度为50 mm，抗拉强度为800 MPa。研究发现：纤维掺量大小对混凝土性能影响较大，当掺量较小时随着掺量的增加，混凝土抗冻、抗渗、强度均有所提高，但是当掺量增加到一定程度，随着掺量的继续增加，混凝土性能将有所降低，最佳掺量一般为1%左右，因而该文选用体积掺量为1%。

(9) 粉煤灰。掺入粉煤灰可有效改善混凝土孔结构，提高其抗冻、抗渗性能，但同时会略微降低混泥土的强度，因而应合理选择其掺量。研究发现：最佳掺量一般为10%～20%。该文选用的掺量为15%，掺量计算采用超量取代法，超量取代系数为1.2，选用的粉煤灰质量达到Ⅰ级要求，其表观密度为2 250 kg/m3。

2.2 配合比设计

对基质水泥混凝土及改变水灰比、掺入引气剂、钢纤维、粉煤灰、纳米CaCO3的混凝土进行配合比设计，确定的配合比设计如表2所示。其中，确定的基质混凝土的砂率为34%，水灰比为0.40，减水剂为1.5%(占水泥质量)，引气剂为0.01%(占水泥质量)。

3 试验结果与分析

根据表2配合比制备6种材料的混凝土试件，每种材料制备3组试件，每组3个，总计54个试件。试件尺寸：长、宽、高分别为40、10和10 cm。试件成型后，将试件放在养生室养生28 d后进行相关试验，试验采用盐溶液浓度为3%的NaCl溶液。试验时，对每种材料的第1组试件进行冻融循环试验，冻融循环总次数为200次，测试每隔25次的质量损失和相对动弹模量，200次冻融循环后测试其弯拉强度；第2组试件进行100次冻融循环试验后测试其弯拉强度；第3组试件养生28 d后直接测试其弯拉强度。最后根据第3组试件的弯拉强度试验结果计算第1组和第2组试件的弯拉强度损失率。

RT-PCR每反应设置2个平行，以Ct平均值≤36作为有效数据判定依据；ddPCR每反应设置3个平行，计算平均值及相对标准偏差（RSD），以RSD≤25%作为有效数据判定依据。

表2 水泥混凝土配合比设计

3.1 冻融循环试验结果及分析

对每种材料的第1组试件进行200次冻融循环试验，每隔25次测试其质量损失和相对动弹模量，试验结果如图1、2所示。

图1 不同冻融循环次数下混凝土的相对动弹模量

图2 不同冻融循环次数下混凝土的质量损失

由图1、2可知：

(1) 对于基准配合比的水泥混凝土，随着冻融循环次数的增加，混凝土质量损失和相对动弹模量变化明显，经受200次冻融循环试验后，其质量损失为0.29%，相对动弹模量为75.9%，盐冻条件下水泥混凝土性能退化明显。

(2) 水灰比由0.40降为0.38后，200次冻融循环作用下质量损失和相对动弹模量分别为0.26%和83.5%，分别比基准配合比的水泥混凝土减少10.3%和增加10.0%，混凝土抗盐冻性能改善明显。

(3) 当不掺入引气剂时，200次冻融循环作用下，混凝土的质量损失和相对动弹模量分别为0.47%和56.2%，比基准配合比的水泥混凝土分别增加62.1%和减少25.6%。由此可见，掺入引气剂可明显提高混凝土的抗盐冻性能。

(4) 掺入粉煤灰时，200次冻融循环作用下质量损失和相对动弹模量分别为0.27%和79.1%，分别比基准配合比的水泥混凝土减少6.9%和增加4.2%。由此可见，掺入粉煤灰可一定程度上提高混凝土的抗盐冻性能，但提高程度有限。

(5) 掺入钢纤维时，200次冻融循环作用下，质量损失和相对动弹模量分别为0.21%和66.2%，分别比基准配合比的水泥混凝土减少27.6%和12.8%。由此可见，钢纤维的掺入将一定程度上降低混凝土的密度，降低混凝土的相对动弹模量，但同时可降低混凝土的质量损失，减少混凝土的破坏，提高其抗冻性能。

(6) 掺入纳米CaCO3时，200次冻融循环作用下混凝土的质量损失和相对动弹模量分别为0.20%和88.1%，分别比基准配合比的水泥混凝土减少31.0%和增加16.1%，水泥混凝土抗盐冻性能改善效果显著。

3.2 弯拉强度试验结果及分析

对冻融循环次数分别为0、100、200次的6种材料18组混凝土试件分别进行弯拉强度试验，试验结果如图3所示。

图3 不同冻融循环次数下混凝土的弯拉强度

由图3可知：

(1) 当冻融循环次数为0时，基质混凝土、钢纤维混凝土、纳米CaCO3混凝土、变水灰比混凝土、粉煤灰混凝土和未掺引气剂混凝土弯拉强度分别为6.2、7.0、6.8、6.7、5.6和6.0 MPa。由此可见：加入钢纤维、纳米CaCO3及降低水灰比将一定程度上提高混凝土的弯拉强度，与基质混凝土相比分别提高12.9%、9.7%和8.1%；掺入粉煤灰及未加引气剂时使混凝土弯拉强度有所降低，分别降低9.7%和3.2%。

(2) 冻融循环次数为200次时，基质混凝土、钢纤维混凝土、纳米CaCO3混凝土、降低水灰比混凝土、粉煤灰混凝土和未掺引气剂混凝土的弯拉强度损失率分别为30.6%、24.3%、26.5%、23.9%、25.0%和45%。由此可见：掺入钢纤维、纳米CaCO3、粉煤灰和引气剂以及降低水灰比均可有效延缓冻融循环作用下弯拉强度的衰减，提高其抗盐冻性能。

从弯拉强度试验结果来看，6种材料的抗盐冻性能优劣对比情况为：降低水灰比混凝土>钢纤维混凝土>粉煤灰混凝土>纳米CaCO3混凝土>基质混凝土>无引气剂混凝土。

4 结论

(1) 冻融循环作用下，掺入引气剂、粉煤灰、纳米CaCO3、钢纤维及降低水灰比均可减少盐冻条件下混凝土的质量损失和相对动弹模量的降低速度，延缓弯拉强度的衰减，提高季冻区混凝土的抗盐冻性能。

(2) 掺入钢纤维、纳米CaCO3、引气剂及降低水灰比可分别提高混凝土弯拉强度12.9%、9.7%、3.3%和8.1%，掺入粉煤灰使混凝土弯拉强度降低9.7%，因而在交通荷载等级为极重和特重的路面中不建议使用粉煤灰改善混凝土的抗盐冻性能。

(3) 为提高季冻区水泥混凝土路面的抗盐冻性能，在尽量加入引气剂、降低水灰比的基础上，优先考虑掺入钢纤维、纳米材料。

通过以上研究可知：盐冻条件下混凝土性能衰减明显，应当引起足够的重视，掺入减水剂、引气剂、钢纤维、粉煤灰、纳米CaCO3均可提高水泥混凝土弯拉强度(除粉煤灰外)，改善其抗盐冻性能。可是，任何一种措施对混凝土抗盐冻性能的改善程度均有限，在季节性冰冻比较严重的地区，应当在考虑经济因素的同时，采取多种技术措施，综合改善混凝土的抗盐冻性能。