季冻区路面高性能机制砂路面混凝土耐久性能研究

摘 要：为解决季冻区路面强度下降、冻融破坏等问题，选取高分子吸水树脂（SAP）、粉煤灰制备路面高性能机制砂混凝土。通过对SAP和粉煤灰复掺后路面高性能机制砂混凝土的耐久性能进行研究，验证复合材料对路面混凝土的耐久性能的提升。试验表明增加SAP掺量会逐步提升混凝土的抗冻性能，最佳掺量为0.18%;一定含量的SAP能提高混凝土抗氯离子渗透性能;而耐磨性能与SAP掺量的关系不大。

关键词：机制砂混凝土;季冻区路面;耐久性能;SAP;抗冻性能

中图分类号：TU528 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）34-0068-05

Abstract： In order to solve the problems of road strength reduction and freeze-thaw damage in seasonal frozen areas， SAP and fly ash were selected to prepare high-performance machine-made sand concrete for road surfaces. The durability of pavement high-performance machined sand concrete mixed with SAP and fly ash was studied to verify the improvement of the durability of pavement concrete by composite materials. Tests show that increasing the content of SAP will gradually improve the freezing resistance of concrete， and the optimal content is 0.18%. A certain content of SAP can improve the resistance to chloride ion penetration of concrete; but the wear resistance has little to do with the content of SAP.

Keywords： machine-made sand concrete; seasonal frozen area pavement; durability; SAP; frost resistance

近些年，基础建设日益发展，然而高速公路在受到温度及湿度等恶劣气候环境交替作用下，许多路段在服役期间出现了不同程度的收缩开裂、冻融破坏[1-2]等耐久性病害，从而影响路面混凝土的结构安全和使用寿命。尤其在兰州地区，其空气干燥、湿度极低，使得混凝土中水分子的蒸发速率急剧增加，导致路面混凝土收缩开裂的现象不断加重。裂缝的不断出现给混凝土的耐久性能增加了不小的负荷，进而加速路面混凝土的冻融破坏和性能劣化，且在交通荷载等外力的综合作用下将危及整个道路的整体稳定性及耐久性能。故而，在对兰州的路面混凝土的耐久性提出更高要求的基础之上，必须克服混凝土材料的缺陷，制备出性能更加优异的高性能路面混凝土，才能从根本上缓解严寒及干燥气候环境对路面混凝土的耐久性能的影响。

目前，在材料研究方面，对于混凝土抗冻耐久性问题的解决方法主要如下：①减小水灰比提升混凝土的抗冻性能[3];②掺入引气剂增强混凝土抗冻性能[4];③掺入矿物掺合料提升混凝土抗冻性能[5-6];④在混凝土表面涂上防护涂层提升混凝土抗冻性能[7]。对于混凝土抗氯离子性能的解决方法一般如下：①在混凝土中加入矿物掺合料[8];②调整水灰比[9]。以上措施均对混凝土的耐久性能有着显著性的影响。针对季冻区路面，提升混凝土抗冻性能往往最为重要，但引气剂会降低混凝土强度，防护涂层会增大经济成本等问题[10];而SAP拥有独特的分子结构，具有吸-释特性且价格低，能够抑制混凝土的收缩[11]。SAP在释放水分子之后会使得混凝土内部形成孔隙结构，进而对混凝土抗冻性能作出一定的贡献，但也会降低混凝土结构的密实性，导致混凝土力学强度变低，而矿物掺料对于混凝土的抗冻性能不仅有提升作用，还能改善混凝土的力学性能[12]。

针对以上问题，本文以机制砂混凝土作为原材料，通过优选矿物掺和料和引入SAP，制备路面高性能机制砂混凝土，以SAP掺量为变量，提出以劈裂抗拉强度、电通量、单位面积磨损量为评价指标，研究粉煤灰与SAP复掺对路面高性能机制砂混凝土的抗冻性能、抗氯离子性能、耐磨性能的影响规律。

1 材料与试验方案

1.1 原材料

1.1.1 水泥

水泥选用祁连山牌普通硅酸盐水泥PO·42.5，根据JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》检测其性能指标，见表1。

1.1.2 细集料

细集料为玄武岩机制砂，对其技术指标进行测试，其表观密度为2.795 g/cm3，棱角性为25.96 s，石粉含量为3%，云母含量为0.1%，细度模数为2.9。机制砂级配见表2。

1.1.3 粗集料

试验粗集料为玄武岩骨料，其粒径位于5～26.5 mm之间，其表观密度为2.752 g/cm3，针片状含量为5%，含泥量为0.2%，压碎值为8%。粗骨料级配曲线图如1所示。

1.1.4 粉煤灰

硅灰、粉煤灰的最大掺量均选用9%（质量分数），粉煤灰为F类Ⅰ级，其比表面积为445 m2/kg。减水剂采用聚羧酸高性能减水剂，其减水率在15%～25%之间。

1.1.5 SAP

选用SAP目数为100～120目，其具体性能指标见表3。

1.2 试验方案

1.2.1 抗冻性能试验方案设计

根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》及GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，以100 mm×100 mm×100 mm的立方体为试验试件，测定冻融循环次数在0、50、100、150、200、250、300次时混凝土的劈裂抗拉强度。其配合比设计见表4。

以劈裂抗拉强度为评价指标，对84个混凝土试件进行抗冻试验，其具体操作步骤如下：①路面高性能机制砂混凝土制备成型脱模，送入标准养护室养护。②养护龄期到24 d时放入饱和石灰水中浸泡4 d。③将试件按3个一组放入黑色试件盒，试件盒放入冻融试验机的冷冻液中，进行抗冻试验。④当混凝土试件达到冻融次数后，观察冻融对混凝土试件表观的影响程度。⑤将立方体试件安装在劈裂抗拉夹具中，用木制垫条垫在立方体混凝土试件的上下2个表面正中间，使得混凝土试件能够均匀受力，然后用万能试验机进行劈裂抗拉强度试验。⑥记录数据，对数据进行计算分析。

1.2.2 抗氯离子渗透试验方案设计

根据JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》，采用100 mm×50 mm的圆柱体混凝土试件，每组3个平行试块，其配合比见表5。

1.2.3 耐磨性能试验方案设计

根据JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》，采用150 mm×150 mm×150 mm立方体标准试件，每组3个平行试件，配合比设计见表6。

其具体操作步骤如下：试件标准养护至28 d时取出，放置在室内自然干燥12 h，再放入60 ℃±5 ℃烘箱中烘12 h至恒重，接着将混凝土试件放入TMS-400的水泥胶砂耐磨试验机进行磨耗。在耐磨试验机上磨耗30转后相应质量记为m1，磨耗60转后记剩余质量为m2。为得到混凝土表面的磨损情况，采用式（1）计算混凝土单位面积磨损量。

Gc= ， （1）

式中：Gc为单位面积的磨损质量（kg/m3）;m1为试件初始质量（kg）;m2为试件磨损后的质量（kg）;A为试件磨损面积（m2），0.012 5。

2 结果与讨论

2.1 抗冻性能

不同SAP掺量的混凝土在0、50、100、150、200、250、300次循环冻融下，劈裂抗拉强度测试结果如图2所示。

由图2可知，循环冻融次数为0时，混凝土劈裂抗拉强度随SAP掺量的增加而降低。掺量0.18%的SAP（S4）相较于掺量0.00%的SAP （S1）来说，混凝土的劈裂抗拉强度降低了9.98%，这是由于SAP吸水后体积增大，使得结构中的孔隙增多，进而降低混凝土的密实度，最终导致混凝土结构强度下降。

循环冻融次数为50次时，混凝土劈裂抗拉强度随SAP掺量的增加先降低后增加。其中，S1、S4 2组的劈裂抗拉强度相差不大，S3的劈裂抗拉强度最低，S4的劈裂抗拉强度最高，二者相差7.04%，该现象表明不同SAP掺量对相同冻融情况下的混凝土劈裂抗拉强度有一定影响。循环冻融次数为100次时，混凝土的劈裂抗拉强度随SAP掺量的增加先降低后增加，由S4相较于S2来说，混凝土的劈裂抗拉强度提升10.71%，由此得出，SAP对混凝土劈裂抗拉强度有提升作用。

当循环冻融次数从150次增长到300次时，混凝土劈裂强度随SAP掺量的增加而增加，且冻融循环次数越多，SAP对混凝土的抗冻性能影响就越显著。其主要原因一方面是预吸水的SAP后表面光滑，能够提升混凝土和易性及黏聚性，从而促进混凝土中的胶凝材料水化，使得混凝土结构中的氢氧化物增多，进而增强了混凝土结构的强度。另一方面可能是吸水后的SAP类似球状，在混凝土结构中形成一系列孔隙结构，促进了混凝土微观结构的增多，进而减缓低温冻融状态下由毛细孔结构中的水分子因结晶效应和物态转化时形成膨胀压，减小低温冻融状态下由微观孔隙结构中的水分子因结晶产生迁移和重新分布而引起渗管压，最终减小了混凝土在冻融状态下的破坏程度，增大了混凝土的劈裂抗拉强度，提升了混凝土抗冻性能。

随冻融循环次数增加，不同SAP掺量下冻融后混凝土的劈裂抗拉强度剩余率，测试结果如图3所示。

由图3可知，不同SAP掺量的混凝土劈裂抗拉强度剩余随冻融循环次数的增加而降低，相同冻融循环次数下混凝土劈裂抗拉强度剩余随SAP掺量的增加而增加。其中，SAP掺量为0.18%的混凝土强度剩余均高于其他组，在冻融循环次数为50次时，S4与S1强度剩余率差距最小，仅有13.95%，当冻融循环次数为200次时，S4与S1强度剩余率差距最大，高达45.28%。其次，当冻融循环次数在100次时， S1、S2的劈裂抗拉强度剩余率均在60.00%以上，而当冻融循环次数上升至150次时，S1、S2的劈裂抗拉强度剩余率均降低到60.00%以下。此外，S3的劈裂抗拉强度剩余率在150次的循环冻融后依旧保持在60.00%以上，而S4的劈裂抗拉强度剩余率最优，在200次的循环冻融时仍有60.16%。

以60.00%劈裂抗拉强度剩余率衡量混凝土在冻融循环次数下的抗冻等级，其不同SAP掺量的混凝土抗冻等级与冻融循环次数的关系如图4所示。

由图4可知，混凝土的抗冻等级与SAP的掺量有关，不同SAP掺量的混凝土的抗冻等级也大不相同。0.12%掺量的SAP混凝土的抗冻等级比普通路面机制砂混凝土高50次，0.18%掺量的SAP混凝土抗冻等级高达200次。由此可知，在一定范围内，增加SAP掺量能够提升路面高性能机制砂混凝土的抗冻等级，即提升混凝土的抗冻耐久性。

2.2 抗氯离子性能

通过利用电通量法测试不同混凝土的抗氯离子渗透性能，其结果如图5所示。

由图5可知，当SAP掺量由0.00%增加至0.06%时，混凝土试件的电通量增加了13.7%;当SAP掺量由0.06%增加至0.18%时，混凝土试件的电通量由2 597 C降低至2 288 C，降幅达13.5%;由此可知，SAP的掺入将降低混凝土的抗氯离子的侵蚀性能。但当SAP掺量达到一定量时，混凝土的抗氯离子渗透性能和基准组相差不大。

2.3 耐磨性能

对M1、M2、M3、M4 4组混凝土试件表面进行旋转磨损试验，根据式（1）计算单位面积磨损质量，测试结果如图6所示。

由图6中 M1—M4的单位面积磨损量GC试验结果可知，随着SAP掺量的增加，GC先降低后增加，其中M3的单位面积磨损量相较于M1降低23.9%， M4的单位磨损量相较于M1增加了11.0%。由此可知，SAP掺量与路面高性能机制砂混凝土的单位面积磨损量GC没有显著的联系，而粉煤灰的掺入增大了单位面积磨损量GC。

3 结论

1）SAP掺量对路面高性能机制砂混凝土抗冻性能提升效果明显，其掺量在0.18%时最为优异，增加SAP掺量能够提升路面高性能机制砂混凝土的抗冻等级，即提升混凝土的抗冻耐久性。

2）路面高性能机制砂混凝土冻融早期阶段的劈裂抗拉强度随着SAP掺量的逐渐增多呈现出下降趋势;在冻融中期阶段，劈裂抗拉强度随着SAP掺量的增加呈现出先减小再增大的趋势;在冻融的后期阶段，劈裂抗拉强度随着SAP掺量的增加而增加，在冻融循环次数为250次时，最高劈裂抗拉强度比最低的幅度高出50%。

3）SAP在一定范围内可以提高路面高性能机制砂混凝土的抗氯离子性能，但当SAP掺量达到一定量后，混凝土的抗氯离子渗透性能将会降低，SAP掺量对路面高性能机制砂混凝土耐磨性能没有显著的影响。

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第一作者简介：单社（1980-），男，高级工程师、一级注册建造师、公路试验检测工程师、造价工程师、监理工程师。研究方向为公路工程施工技术和建设管理。