自养护路面混凝土抗盐冻性能及疲劳特性

覃 潇，许婕婷，申爱琴，吕政桦，谢政专

(1.佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，佛山市智慧型陆地与海洋土木工程材料工程技术研究开发中心，佛山 528225；2.长安大学公路学院，西安 710064；3.广西交科集团有限公司，广西道路结构与材料重点实验室，南宁 530007)

0 引 言

在北方寒冷地区，为防止道路冰雪致滑引起交通事故，常在路面撒除冰盐。除冰盐与冻融共同作用产生的盐冻融循环常使水泥混凝土路面过早出现开裂、松散、剥蚀等病害[1]，并在行车荷载的反复弯拉作用下产生荷载疲劳裂缝，危及道路行驶安全[2]。水泥混凝土自养护(self-curing)技术能够通过早期自养护水分的释放提升胶凝材料水化程度，增强材料密实度，并有效抑制早期收缩微裂纹等原始损伤，降低水泥混凝土服役期耐久性劣化风险。目前作用效果较好的自养护剂为高吸水性聚合物(super absorbent polymer, SAP)[3-4]。

国内外学者在SAP自养护水泥混凝土抗冻性能及力学性能方面进行了大量研究。国外Lura等[5]及国内田园[6]、胡玉庆等[7]发现，高强混凝土内SAP释水后的原位残留孔大多为封闭小孔，改变了混凝土原始孔结构，起到引气作用，从而改善抗冻性能。王德志等[8]研究表明，经历250次冻融循环后自养护水泥砂浆的抗压强度损失率相比基准组降低了4%～8%。Espinoza-Hijazin和Lopez[9]提出，在干燥条件下，SAP自养护混凝土与不采取养护措施的水泥混凝土相比，水化程度提升了16%，同时抗压强度增大了19%。张国防等[10]得出,掺加少量SAP可提高水泥混凝土强度，其中以抗弯拉强度最为明显，最大可提高20%。

目前对于自养护水泥混凝土抗冻性能及力学性能的研究主要集中于大体积高强、超强结构混凝土，尚未针对路面混凝土开展研究。路面混凝土与结构混凝土虽在材料上具有共性，但二者结构体态、受力状态及功能性存在差异，进而自养护需求也存在差异[11]。水泥混凝土路面为大面积薄板结构，在冬季经受除冰盐环境下的冻融循环侵蚀，并长期承受车辆荷载疲劳弯拉作用，其开裂敏感性远大于结构混凝土[12]。因此，在充分考虑路面混凝土固有特性的基础上开展研究，探索自养护参数对路面混凝土抗盐冻性能、力学性能的影响机理，才能够从根本上提升自养护效果。

综上，本文针对路面混凝土受冻及服役特征，采用盐冻试验及盐冻前后断裂性能试验，综合评价了自养护路面混凝土抗盐冻性能；基于弯拉荷载疲劳试验，深入探索了SAP粒径、掺量对路面混凝土疲劳特性的影响规律；结合自养护水泥浆体孔隙参数、微观形貌及骨料-水泥石界面过渡区(interfacial transition zone, ITZ)特征，揭示了SAP自养护对路面混凝土抗盐冻及疲劳特性的影响机理。

1 实 验

1.1 原材料及配合比

1.1.1 自养护材料

自养护材料选用聚丙烯酸钠盐SAP，分子式为(C3H3NaO2)n。选取的SAP包括20～40目(380～830 μm，简称SAP-1)、40～80目(180～380 μm，简称SAP-2)和100～120目(120～150 μm，简称SAP-3)三种粒径，其密度为0.70～0.75 g/cm3，pH值为5.5～6.8。SAP在干燥状态下为白色粉末状颗粒，其微观形貌见图1，在纯水、水泥浆液中的吸液状态见图2。SAP-1、SAP-2和SAP-3在水胶比为0.37的水泥浆液中静置30 min时基本达到吸液稳定，吸液倍率分别为42.753倍、34.559倍和29.576倍，在240 min内的保水率变化曲线见图3。

图1 干燥SAP颗粒微观形貌Fig.1 Microscopic morphology of dried SAP particles

图2 纯水及水泥浆液中吸液饱和状态下的SAP凝胶Fig.2 SAP gel in the saturated state of absorbentin pure water and cement slurry

图3 SAP保水率随养护龄期的变化曲线Fig.3 Variation curves of water holding ratioof SAP with curing age

1.1.2 胶凝材料及粗、细集料

水泥选用“海螺牌”P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其组成和技术指标见表1。矿物掺合料选用汕头某公司生产的Ⅰ级粉煤灰，其化学成分和技术指标见表2。

表1 水泥组成和技术指标Table 1 Composition and technical indicators of cement

表2 粉煤灰化学成分和技术指标Table 2 Chemical composition and technical indicators of fly ash

粗集料选用广东省清远市某石场生产的4.75～9.50 mm和9.50～19.00 mm两种规格的石灰岩碎石，两档料的质量比为1 ∶4。细集料为广东省清远市北江河砂，中砂，细度模数为2.71。粗、细集料的表观密度分别为2.710 g/cm3和2.625 g/cm3，含泥量分别为0.3%和0.6%(质量分数)。

1.1.3 减水剂及水

减水剂采用JB-ZSC型聚羧酸高性能减水剂，减水率为26%(质量分数)，含气量为3.1%(体积分数)。水为市政自来水，符合《混凝土用水标准》JGJ 63—2006中的要求。

1.1.4 试验配合比

路面混凝土设计抗弯拉强度为5.5 MPa，在前期优化所得基准配合比的基础上设定试验方案(见表3)，方案中选用的SAP包括三种粒径，对于SAP-3选取0.125%、0.145%、0.165%(质量分数，下同)三种掺量开展试验，其中S-1、S-2与S-3-0.145%组的自养护水引入量相同。Non-S代表基准试验组，S-3-0.125%代表采用SAP-3且其掺量为0.125%的试验组。自养护水引入量(WIC)、SAP掺量根据SAP在30 min时的吸液倍率和公式(1)设定。

0.36≤RW/B≤0.42，R(W/B)IC=0.42-RW/B

(1)

式中：IC代表自养护；RW/B代表水胶比；R(W/B)IC代表自养护所需额外水胶比。

表3 自养护路面混凝土配合比Table 3 Mix proportion of self-curing pavement concrete

1.2 盐冻试验及盐冻前后断裂性能试验

综合考虑水泥混凝土路面实际冬季盐冻环境及服役受力特征，借鉴美国ASTM C672—2003规范[13]中的冻融循环升降温制度(慢冻法)开展盐冻试验。与该规范的不同之处在于：本试验选用尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的长方体试件，采用整体受冻模式，基于单位面积剥蚀量、相对动弹模量及盐冻前后的断裂特征参数损失率来全面评价路面混凝土的抗盐冻性能。

试验步骤如下：①试件成型且脱模后置于标准养护条件中养护24 d；②将试件置于4%(质量分数)的NaCl溶液中浸泡至28 d；③试验前测试初始质量、动弹模量及断裂特征参数；④先将试件置于(-17±2.8) ℃的低温试验箱内冻结16～18 h，再于常温(23±1.7) ℃中融化6～8 h，以上为一次循环；⑤每10次冻融循环后测试其质量、动弹模量及断裂特征参数；⑥更换NaCl溶液继续进行冻融循环。

盐冻前后的断裂性能试验采用三点弯曲试验进行测试(见图4)，其中断裂特征参数包含断裂韧度及断裂能，为保证加载过程中裂纹朝同一方向扩展，测试前须在试件跨中底部预制1 cm的裂缝，缝宽1～2 mm。断裂韧度、断裂能根据式(2)～(4)进行计算，断裂韧度及断裂能损失率为冻融后参数损失量占冻融前参数的比例。

(2)

(3)

式中：KIC为断裂韧度，MPa·m1/2；Fmax为试验最大荷载，N；S为试件的跨度，mm；h为试件高度，mm；b为试件宽度，mm；a为预裂缝深度，mm。

(4)

式中：GF为断裂能，N/m；W为荷载-位移曲线所围面积与支座间试件所做功之和，N·mm；W0为荷载-位移曲线所围面积，N·mm；m为支座间试件的质量，kg；g为重力加速度，取9.8 m/s2；δ0为跨中最大位移，mm；Alig为韧带面积，mm2；P为荷载，N；δ为跨中位移，mm。

图4 三点弯曲试验Fig.4 Three point bending test

1.3 弯拉荷载疲劳试验

弯拉荷载疲劳试验在100 kN的MTS Landmark万能试验机上进行。考虑水泥混凝土路面实际受力状态(受荷波形及车速)，试验选择正弦波三分点加载，加载频率为10 Hz，低高应力比为0.1，疲劳荷载水平选取0.50、0.65和0.80，加载模式选用控制应力模式，疲劳失效判定标准设定为试件断裂。

1.4 扫描电镜(SEM)与压汞(MIP)试验

采用SEM对水泥混凝土微观结构进行表征，同时使用配套的EDS能谱测试Ca/Si(摩尔比)值沿骨料-水泥石ITZ的分布规律，进而计算ITZ宽度。

借助AutoPore IV 9510型全自动压汞仪对水泥混凝土孔隙参数(总孔隙面积、平均孔径等)和孔径分布参数(孔级配)进行测试与计算。孔径测试范围为0.003～1 000 μm。

2 结果与讨论

2.1 基于单位面积剥蚀量及相对动弹模量的抗盐冻性能分析

图5为各试验组经不同次数盐冻融后的单位面积剥蚀量与相对动弹模量测试结果。

图5 单位面积剥蚀量与相对动弹模量随盐冻次数的变化规律Fig.5 Variation of mass loss per unit area and relative dynamic elasticity modulus with the times of salt freeze-thaw cycles

由图5(a)可见，自养护组的单位面积剥蚀量均小于基准组，且单位面积剥蚀量随SAP粒径增加而增大。经60次冻融循环后，S-1、S-2、S-3-0.145%自养护组的单位面积剥蚀量分别比基准组降低了20.13%、30.72%、42.78%。S-1、S-3-0.145%试验组经60次冻融循环后相对动弹模量分别比基准组提升了17.81%和26.47%，能够大幅提升水泥混凝土抗盐冻性能。然而，S-1组的相对动弹模量值在冻融循环10～50次之间均小于基准组。究其原因，SAP-1粒径相对较大，其在基体内部形成了较大残留孔洞，致使该孔洞与周边细小毛细孔相连通。基于渗透压理论可知，孔径越大，孔中溶液结冰点越高。尤其对于盐溶液，具有较高的吸湿性和保水性，会大幅提高孔隙饱水程度，当残留孔中水分因结冰而造成其蒸汽压下降时，小毛细孔中未结冰的盐溶液会向残留孔中渗透，进一步增大渗透压，致使结构破坏。

由图5(b)可看出，SAP掺量对单位面积剥蚀量及相对动弹模量影响较小。单位面积剥蚀量随SAP掺量的增大而逐渐减小，相对动弹模量随SAP掺量的增大而增大。结合图6中基准组、S-2、S-3-0.125%、S-3-0.145%组的孔隙参数及图7中大孔、毛细孔、过渡孔、凝胶孔的孔径分布参数随盐冻融循环次数的变化开展进一步分析。

由图6可见，冻融循环前自养护组的总孔隙面积均大于基准组，相反S-2、S-3-0.125%、S-3-0.145%组平均孔径仅为基准组的84.12%、50.0%和39.4%，说明SAP-2和SAP-3能够有效细化混凝土内部孔隙，其所产生的残留孔可能多以封闭孔的形式存在，进而降低结冰点，且能够起到引气作用，从而释放了孔中拉应力。当试件经历30次冻融循环后，S-2、S-3-0.125%、S-3-0.145%组的总孔隙面积分别为基准组的1.11倍、1.58倍和2.03倍，而平均孔径为基准组的90.15%、81.08%和79.2%。即SAP在混凝土冻融30次后起到了优良的孔隙细化作用，其中S-3-0.145%组的细化效果最佳，其次是S-3-0.125%和S-2组。此外，说明SAP掺量越多，自养护区域范围越大，孔隙越密实，在冻融过程中SAP吸收的盐溶液总量越多，渗入混凝土内部的阻力相对更大，促使抗盐冻性能提高。

图6 孔隙参数随盐冻融循环次数的变化规律Fig.6 Variation of pore parameters with the times of salt freeze-thaw cycles

由图7可知，各自养护组在冻融20次、30次后的大孔、毛细孔含量明显小于基准组，且过渡孔、凝胶孔数量显著增大，过渡孔、凝胶孔可起到“引气抗冻”的作用，其中S-3-0.145%组对大孔和毛细孔含量的整体减少程度最大。

图7 孔径分布参数随盐冻融循环次数的变化规律Fig.7 Variation of pore size distribution parameterswith the times of salt freeze-thaw cycles

2.2 盐冻前后断裂特征参数损失率变化规律及抗盐冻机理分析

盐冻融前后路面混凝土的断裂韧度损失率及断裂能损失率计算结果如图8所示。

根据图8(a)，SAP粒径越小，各冻融次数条件下试件断裂韧度损失率越小。相比基准组，SAP-3显著降低了断裂韧度损失率，S-3-0.145%组在冻融20次、30次时的断裂韧度损失率分别比基准组降低了23.07%、25.25%；S-1和S-2组在冻融20次时的断裂韧度损失率分别比基准组降低了2.00%和13.01%；在冻融30次后，S-1组的断裂韧度损失率大于基准组，而S-2组的断裂韧度损失率仍小于基准组。为进一步分析出现上述结果的原因，采用SEM对路面混凝土28 d微观形貌及冻融后微观形貌进行表征，如图9所示。

结合图9可分析出，在相同的自养护引水量下，SAP-3粒径微小且数量最多，其残留孔相比SAP-1、SAP-2更容易被C-S-H凝胶等丰富的水化产物所填充(见图9(b)～(d))，并促进孔周边区域水泥石孔隙的细化，致使孔中液体的结冰点降低。推断SAP能够在混凝土融化过程中吸收部分盐溶液，降低水泥石中的Cl-浓度，从而减少因Ca(OH)2与盐类反应造成的化学腐蚀，降低混凝土孔隙饱水程度、渗透压及盐溶液的膨胀程度，减少冻融微裂纹的数量(见图9(e)、(f))。

图9 路面混凝土28 d微观形貌及冻融后微观形貌Fig.9 Micrographs of self-curing pavement concrete at 28 d and after freeze-thaw cycles

从图8(b)中可知，采用SAP-3时混凝土的断裂能损失率最低，冻融20次和30次条件下分别比基准组降低了11.86%和10.51%。基于已有研究[14-15]分析，其原因是普通混凝土中的ITZ普遍存在Ca(OH)2板状晶体富集、定向排列的现象，该区域材料水胶比较高且孔隙较多，在承受荷载时裂缝常沿着ITZ区域迅速扩展。当掺入SAP后，SAP能够在拌和初期吸持部分ITZ水分，降低该区域水胶比，打破Ca(OH)2晶体定向排列的规律，并在养护期对该区域进行释水养护，使ITZ结构更加密实坚固，从而减小盐冻后的断裂能损失率。

SAP-3掺量越大，断裂韧度损失率越低，这归因于SAP-3对混凝土优良的水化填充及引气效应，且随着SAP-3掺量的增大，冻融后混凝土的断裂能损失率逐渐降低。

2.3 不同荷载水平下自养护路面混凝土疲劳特性及机理研究

2.3.1 SAP粒径对疲劳寿命的影响规律

不同粒径SAP自养护路面混凝土的疲劳寿命如表4所示。

表4 不同粒径SAP自养护路面混凝土疲劳荷载加载次数试验结果Table 4 Fatigue load test results of self-curing pavement concrete with SAP of different particle sizes

由表4可见，应力水平越高，SAP对路面混凝土疲劳寿命提升比例越显著。S-2及S-3-0.145%组在各应力水平下的疲劳寿命均高于基准组，其中S-2组在应力水平为0.50、0.65和0.80时的疲劳寿命分别比基准组提高了6.86%、47.86%和2.45倍，S-3-0.145%组在不同应力水平下分别比基准组提高了25.99%、1.05倍和2.65倍，S-3-0.145%组的疲劳寿命最高，而S-1组在应力水平为0.50、0.65和0.80时的疲劳寿命仅为基准组的50.75%、65.68%和54.15%。

影响自养护路面混凝土疲劳特性的因素主要包括两个方面，一是自养护水分对水泥混凝土的水化填充程度，二则为ITZ特征。因此，结合SAP残留孔隙水化填充微观形貌图(见图9(b)～(d))和图10中的ITZ形貌、Ca/Si值沿骨料-ITZ-水泥石路径的变化图，对自养护路面混凝土疲劳寿命的影响机理进行分析。

图10 ITZ微观形貌、扫描路径及相应Ca/Si值Fig.10 Microstructure, scanning path and Ca/Si value of ITZ

由图9(c)、(d)孔内微观形貌可见，S-2、S-3-0.145%组中的自养护水化产物能够均匀填充孔隙，并形成较为密实的微观结构；图9(b)中S-1组残留孔则较大，且C-S-H、Ca(OH)2等水化产物未密实填充该孔洞，材料结构较为疏松，导致疲劳寿命降低。

SAP-2、SAP-3在拌和初期保水性能优良(见图3)，在新拌混凝土中会吸收部分拌和水(包括聚集在ITZ区域中的水膜)，从而降低ITZ区域水胶比，同时破坏Ca(OH)2晶体的择优取向。其次，在硬化后持续释放水分，供未水化水泥及粉煤灰颗粒进行二次水化，促进ITZ区域C-S-H凝胶的产生，消耗部分Ca(OH)2(Ca(OH)2易产生层状解理，联结性较弱)，降低孔隙率及裂纹扩展速率。而SAP-1保水性能相对较弱(见图3)，推测其早期会在ITZ区域释放部分水分，削弱其优化作用。

由图10发现:基准组试件在ITZ区域处存在明显裂缝，S-2组试件裂纹则较浅，而S-3组试件水泥石与骨料之间的粘结性优良，未见裂纹；再由图中Ca/Si值计算得出，S-2(48 μm)和S-3-0.145%(37 μm)组试件的ITZ区域宽度仅为Non-S基准组试件(75 μm)的64.00%和49.33%。以上特征均证明了小粒径SAP能够增强ITZ区域密实度，并降低其宽度。

为证实小粒径SAP对路面混凝土ITZ区域性能的改善作用，对应力水平为0.65时不同SAP粒径试件疲劳破坏时的断面图进行观察，如图11所示。可见，基准组和S-1组试件的疲劳裂纹均沿ITZ区域扩展延伸，而S-2、S-3-0.145%组试件则从骨料中心断裂，充分证实了SAP-2、SAP-3对ITZ区域物理力学性能的优化作用。

图11 不同SAP粒径下自养护路面混凝土疲劳裂纹断裂特征图Fig.11 Fatigue crack fracture characteristics images of self-curing pavement concrete with SAP of different particle sizes

2.3.2 SAP掺量对疲劳寿命的影响规律

不同掺量SAP自养护路面混凝土的疲劳寿命如表5所示。

表5 不同掺量SAP自养护路面混凝土疲劳荷载加载次数试验结果Table 5 Fatigue load test results of self-curing pavement concrete with SAP of different dosages

由表5可见，路面混凝土疲劳寿命随SAP-3掺量的增加而增大，且在各应力水平下均优于基准组，其中S-3-0.125%组在应力水平为0.50、0.65和0.80时的疲劳寿命分别比基准组提高了20.45%、77.77%和2.7倍，S-3-0.145%组分别比基础组提高了25.99%、1.05倍和2.65倍。提升效果最明显的是S-3-0.165%组，分别比基准组提高了49.37%、1.13倍和3.09倍。

由试验结果分析认为，在合理的SAP粒径下，随着掺量增加，早期在ITZ区域吸持的水分越多，致使该区域更加密实。由应力水平为0.65时各SAP掺量下试件疲劳破坏时的断面图(见图12)可发现，SAP掺量越大，试件沿骨料断裂的面积越大，即ITZ区域物理力学性能越好，进而提升路面混凝土疲劳寿命。

图12 不同SAP掺量下自养护路面混凝土疲劳裂纹断裂特征图Fig.12 Fatigue crack fracture characteristics images of self-curing pavement concrete with SAP of different dosages

3 结 论

(1)SAP-2、SAP-3能够有效降低自养护路面混凝土单位面积剥蚀量，提升相对动弹模量；经60次盐冻融循环后，S-3-0.145%组单位面积剥蚀量比基准组降低了42.78%，相对动弹模量提升了26.47%；单位面积剥蚀量及相对动弹模量均随SAP掺量的增大而改善。

(2)SAP粒径越小，冻融后的断裂韧度及断裂能损失率越小；S-3-0.145%组在冻融20次、30次时的断裂韧度损失率分别比基准组降低了23.07%、25.25%，同时断裂能损失率分别降低了11.86%和10.51%；自养护能够对孔隙起到优良的细化作用，同时SAP残留封闭孔可起到引气作用，并通过融化过程中的二次吸液作用减少冻融微裂纹数量，增强抗盐冻性能。

(3)应力水平越高，较小粒径SAP对疲劳特性的提升效果越显著；S-3-0.145%组在应力水平为0.50、0.65、0.80时的疲劳寿命分别比基准组提升了25.99%、1.05倍和2.65倍；较小粒径SAP能够改善ITZ区域物理力学性能，降低该区域水胶比，破坏Ca(OH)2晶体的择优取向，促进C-S-H的产生，从而增强水泥石和骨料之间的粘结性。