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抗盐冻高性能道路混凝土的研究

                     巴恒静¹，李中华²，宁作君²

（1.哈尔滨工业大学材料学院 2.哈尔滨工业大学土木工程学院   黑龙江省  哈尔滨  150006）

摘要：为了配制高抗盐冻的高性能道路混凝土，本文自行研发as型抗盐冻外加剂。并参照cdf混凝土抗盐冻试验方法，研究掺入该外加剂高性能道路混凝土的抗盐冻性能。结果表明：掺入as型抗盐冻外加剂，三种水灰比（0.40、0.36和0.32）的高性能混凝土经56次盐冻后剥蚀量均降低了99%以上，相对动弹性模量损失率降低了32%—42%，混凝土表面无明显剥蚀痕迹，显著地提高了高性能道路混凝土的抗盐冻性能，配制出了高抗盐冻的高性能道路混凝土。

关键词：道路工程；抗盐冻外加剂；试验研究；抗盐冻道路混凝土；剥蚀量  

中文分类号：tu528         文献标志码：a

study on the high performance pavement concrete of deicing-frost resistance

ba heng-jing¹, li zhong-hua², ning zuo-jun²

(1. school of material science and engineering 2.department of civil engineering, harbin institute of technology, harbin 150006, heilongjiang, china)

abstract:   in order to prepare the high deicing-frost resistant pavement concrete the as deicing-frost resistant agent was researched and developed. and according to the cdf method the performance of the pavement concrete with as deicing-frost resistant agent was studied. the results show that the scaled mass and the dynamic modulus of elasticity loss rate of three water-cement ratios high performance concrete(0.40,0.36,0.32) decreased more than 99% and 32%—42% because of the as deicing-frost resistant agent mixed into the concrete after 56 cycles, and the scaled speckle of the concrete surface hardly appeared. the as deicing-frost resistant agent can greatly improve the pavement concrete in the deicing-frost resistant performance, the high deicing-frost resistant pavement concrete was prepared.

keyword: pavement engineering; the deicing-frost resistant agent; experimental research; the deicing-frost resistant pavement concrete ; scaled mass

1. 前言

   水泥混凝土路面是现代公路建设中一种重要的路面结构形式，和沥青路面相比水泥混凝土路面具有强度高、抗重载能力强、整体性好等特点，因此得到了广泛的应用。但在寒冷的北方地区，雪后为了交通安全使用除冰盐对路面进行除雪，导致的路面剥蚀和开裂。使水泥混凝土路面达不到设计的使用年限。为此，国内外专家针对“如何提高道路混凝土抗盐冻性能”这个关键问题开展了研究，虽然取得了阶段性的成果，但也付出了惨重的代价。1986 年，北美、欧洲、亚洲日本等16个国家组成一个技术专家组，对这些国家的约80万座道路桥梁进行了细致和全面的现场调查、分析和测试, 结果指出: 在寒冷地区, 除冰盐引起的盐冻剥蚀是路桥破坏的最主要原因。

   目前，主要通过掺入引气剂、矿物掺合料、纤维、控制最小水泥用量和最大水灰比^[1-5]

   [基金项目]国家自然科学奖金资助项目 [no.50078019] 黑龙江省科技厅资助项目 [no.2006g1814—00]     [作者简介] 巴恒静（1938 —  ）男，教授，博士生导师

   [ag凯发k8国际的联系方式] 哈尔滨市西大直街66号1430信箱；电话 0451-89117860；e-mail l1977227@126.com 

   改善混凝土的抗水冻性能，但没有解决道路混凝土的盐冻剥蚀损伤问题，其主要原因有以下几种：（1）除冰盐缩短了孔溶液达到饱的时间，提高了混凝土内部的饱水程度，增加了混凝土的保水能力^[6]。在受冻时混凝土中产生更高的渗透压及不稳定的过冷水，同时吸收热量，加剧了冻融循环对混凝土的破坏作用。 (2)改善道路混凝土抗盐冻性能的途径还局限在控制水灰比、添加粉煤灰等活性矿物掺合料及引气剂上，应该寻求一种新的途径显著提高道路混凝土的抗盐冻的性能，并以此使道路混凝土达到设计的使用年限。因此本文开发了一种新型的抗盐冻外加剂，并参照cdf法研究掺入该外加剂道路混凝土的抗盐冻性能。

2. 实验方案

   1.1原材料

   采用哈尔滨水泥厂生产的p·o42.5普通硅酸盐水泥8；粗骨料选用质地坚硬、表面粗糙的辉绿岩碎石，连续级配；粉煤灰为哈尔滨三电厂生产的і级粉煤灰，硅灰为挪威埃肯公司生产的中密质硅灰，化学成分见表1所示；减水剂选用might-100(简称m )型高效减水剂，引气剂采用上海麦斯特公司生产的micro-air202（简称202）混凝土引气剂，缓凝剂采用葡萄糖酸钠（简称p），自行研发as型抗盐冻外加剂（简称as）；搅拌用水为自来水。

   表1 化学成分(%)

   tab.1 chemistry composition (%)

1.2试验方案

1.3.1试验设备

（1）超声波检测仪

采用北京康科瑞公司生产的nm-4a-ι型非金属超声检测分析仪。

（2）混凝土抗盐冻试验机组

自行开发混凝土冻融循环试验机及其智能控制装置，可进行混凝土单面盐冻与水中快速冻融试验。

1.3.2试验过程

奔试验参照欧盟盐冻试验标准cdf法，按表2所示配合比搅拌后振动成型，试件的尺寸为150×150×55mm，其中150×150mm面为试验面，一组3块，1d后拆模。在标准养护室中养护28d后，在45℃环境中干燥24h，取出后冷却至室温。然后用带丁基橡胶的铝箔密封试件四周。将试件单面浸泡于除冰盐溶液中（浓度为3%的nacl溶液）6d，试件浸入深度为5mm。取出后用超声波测定仪测量超声波通过试件内部的初始声时。然后将试件浸在除冰盐溶液中放在冻融循环试验机中进行试验，冻融制度如图1所示。分别测量第14、28、42及56次冻融循环时试件的剥蚀量和超声波通过试件内部的声时及观察试件表面剥蚀的情况。

图1 cdf法冻融循环制度

fig.1 frozen-thawing circle system of the cdf methods

1.3.3混凝土配合比

表2 混凝土配合比

tab.2 mix proportion of concrete

1.3.4评价参数

用单位面积的剥蚀量及相对动弹性模量的损失率评价道路混凝土的抗盐冻性能，同时参考试件表面的剥落情况。剥蚀量与相对动弹性模量损失率按公式（1—1）和（1—2）计算：

其中       m_n ：单位面积剥落量(kg/m²)； m_s：第n次循环剥落量(kg)； a：试验面积(m²)；

其中       ∆e_dynn ：相对动弹性模量的损失率(%)； n：冻融循环次数； t_t,cs：超声波初始通过试件内部的传输时间(μs)； t_t,nftc: n次冻融循环后超声波通过试件内部的传输时间(μs)； t_c：在耦合介质中的传输时间(μs)。

1. 试验结果及讨论

   2.1试验结果分析

    

   图2水灰比对单面盐冻评价指标的影响

   fig.2 effect of water cement ratio on evaluating parameter under single-side deicing frost

   如图2所示，从图中可知同一水灰比高性能混凝土的盐冻剥蚀量和相对动弹性模量损失率随盐冻次数的增加而不断增大，同时随水灰比的减小而降低。水灰比从0.4减小到0.32时，高性能混凝土的盐冻剥蚀量降低了22％，相对动弹性模量损失率降低了59％。

    

   图3 as型外加剂对高性能混凝土抗盐冻性能影响

   fig.3 effect of the as agent on the deicing-frost resistance of the high performance concrete

   　　由图3可知掺入as型抗盐冻外加剂的高性能混凝土的盐冻剥蚀量和相对动弹性模量损失率也随水灰比的减小而降低，水灰比从0.4减小到0.32时高性能混凝土的盐冻剥蚀量降低了75.6%，相对动弹性模量降低了52.2%。

   比较图２和图３的结果可得，掺入as型抗盐冻外加剂的三种水灰比高性能混凝土和未掺入的相比，盐冻剥蚀量均降低了99％以上，相对动弹性模量损失率降低了32%—42％。

   如图4所示，未掺加as型抗盐冻外加剂的高性能混凝土经56次盐冻后表面剥蚀严重，暴露出骨料，混凝土表面已经出现部分微裂纹。掺加as型抗盐冻外加剂后虽然同样经历了56次盐冻，但表面平整，无明显剥蚀痕迹。

                   

   (a)未掺as型抗盐冻外加剂                (b)掺as型抗盐冻外加剂

   (a) with as agent                         (b) no as agent

   图4  56次盐冻后道路混凝土表面的剥蚀情况

   fig.4 surface of the pavement concrete after 56 deicing frost

   通过以上试验可知，as型抗盐冻外加剂显著降低高性能混凝土的盐冻剥蚀量和相对动弹性模量的损失率，是改善高性能道路混凝土耐久性的有效途径。

   2.2机理分析

   由图２和图３可知，降低水灰比有利于提高道路混凝土的抗盐冻性能。这是因为硬化的水泥石为凝胶—孔隙结构，随着水灰比的减小，混凝土中自有水的含量减少，胶空比逐渐增大，孔隙率减小了，导致氯离子的扩散系数减小^[7]，密实度显著提高，而且水灰比越小越有利于孔隙的自行封闭^[8],减小静水压力和渗透压力^[9-11]。

   如图5所示，as型抗盐冻外加剂能与混凝土中的碱性物质发生反应，形成网状交联结构，改变了ca(oh)₂在混凝土内部的存在方式，使ca(oh)₂由微溶变成不溶，这样即使在冻融循环作用下ca(oh)₂也无法从混凝土内部溶出，进而保护了c—s—h凝胶，提高了混凝土的抗盐冻性能。另外as型抗盐冻外加剂具有憎水集团r，掺加该外加剂的混凝土表面与除冰盐溶液接触时，在界面处形成的润湿角大于90度，除冰盐溶液难以侵入混凝土内部，降低了混凝土内部冰晶的形成和水分的迁移^[12-15]，能够显著降低道路混凝土在冻融循环过程中内部损伤和表面剥蚀。

         

   图5掺入as型抗盐冻外加剂混凝土的sem照片

   fig.5 sem of the concrete with the as deicing-frost resistant agent

2. 结论

   经试验研究，结论如下：

3. 高性能道路混凝土的盐冻剥蚀量和相对动弹性模量损失率随水灰比的降低而减小，水灰比从0.4减小到0.32时，高性能混凝土的盐冻剥蚀量降低了22％，相对动弹性模量损失率降低了59％。

4. 自行研发的as型抗盐冻外加剂能够非常明显的降低混凝土的盐冻剥蚀量和相对动弹性模量损失率。经过56次盐冻后，掺入该外加剂的三种水灰比高性能混凝土剥蚀量均降低了99%以上，相对动弹性模量损失率降低了32%—42%，混凝土表面无明显剥蚀痕迹，显著地提高了高性能道路混凝土的抗盐冻性能。 

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