研究探索:碾压混凝土的抗冻性及微观机理分析

碾压混凝土的抗冻性及微观机理分析

陈舒航，张武满

（北京航空航天大学交通学院土木工程系，北京100191）

摘要：本文采用快速冻融的试验方法，研究了碾压混凝土在水中的抗冻性。测定冻融后试件质量损失、动弹性模量、抗压与抗折强度，并利用扫描电镜观察混凝土微观结构。结果显示：冻融次数不大于200次时，随着冻融次数的增加，碾压混凝土的相对动弹模、抗折强度、抗压强度均有所降低；但250次冻融强度略有增长；扫描电镜观察发现，冻融过程中混凝土内部出现了明显的微裂纹，同时水泥水化产物由针状向网状结构转变。

关键词：碾压混凝土；抗冻性；强度；微观结构

0引言

       碾压混凝土(RCC)是由水泥、级配骨料加水拌和而成的一种混合料，其含水量与含水泥量均较水泥混凝土低，其稠度与塌落度为零的水泥混凝土类似，摊铺后需由压路机压实[1]。由于其高强、施工方便、造价低廉的优势，近几十年来RCC已被广泛应用于道路、大坝等工程中，近几年甚至开始被应用于机场道面的建设。为充分发挥RCC快速、经济施工的特点，碾压混凝土开始应用于道面面层，而碾压混凝土坝则趋向采用全断面碾压, 即外部和内部全部采用碾压混凝土[2]。为此，碾压混凝土的抗冻性成为工程中最为关注的问题之一。然而近年来许多数据表明RCC的抗冻、抗盐剥蚀性能并不总是令人满意[3-4]，这是因为低水灰比、低砂浆含量以及超干硬性的特点，导致RCC引气效果不佳[5]。本文通过“二次投料”法[6]，并采用快速冻融、扫描电镜等实验方法研究了RCC在水中抗冻性能以及冻融对混凝土微观结构的影响。

1试验概况

1.1  试验原料

       本次试验采用的材料：①唐山奥城水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥；②细度模数为2.55的北京产河砂；③5mm-20mm级配良好的碎石；④北京世纪洪雨科技公司生产的HY801聚羧酸高性能减水剂；⑤巴斯夫公司生产的micro air202引气剂。

1.2  配合比设计、试件的成型与养护

       RCC的配合比按照《机场道面水泥混凝土配合比设计技术标准》（GJB 1578-92）设计，设计抗折强度为5.0MPA，抗压强度等级为C60，配合比见表1。

       先将水泥、砂及掺入引气剂的水加入搅拌机拌和1min成水泥砂浆，期间均匀加入减水剂，然后再投入粗骨料搅拌2min，30min时测定维勃稠度，然后碾压、振动成型100mm×100mm×400mm的棱柱体试件，试件成型后带模养护24h，拆模后，移入温度(20±2)℃，湿度（95%）的标准养护室中养护28d。试件的力学性能测试执行《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG-E30-2005）。28d强度见表1。

1.3 试验方法

       通过在水中400次的快速冻融试验测定RCC的质量和动弹性模量变化规律。动弹模与质量损失取三个试块的平均值。并在冻融至100次、150次、200次、250次时分别取三个试块测试抗折强度，利用断块测量抗压强度，测试执行《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG-E30-2005）。

       强度试验结束后，从断块底面靠近表面5-10mm的位置采集水泥砂浆颗粒，将其浸泡于无水乙醇中以阻止样品在试验之前继续水化，随后镀金并进行扫描电镜分析。

2结果与讨论

2.1 RCC在水中的抗冻性

       图1为RCC冻融过程中与标准养护条件下相对动弹性模量变化规律。由图可知，引气后的碾压混凝土在水中的抗冻性能良好，抗冻耐久系数为94.3%，400次冻融循环后相对动弹性模量仅下降了9%。

       图2从左往右依次是同一试块在100、150、200、250、300、350和 400次冻融循环后的表面状态。在300次冻融循环时，混凝土表面几乎没有剥落，此后部分区域产生剥落并有骨料露出现象。冻融至400次时的质量损失率仅为0.3%。

       图3为RCC在100、150、200、250次冻融后的抗折与抗压强度。由图可知，在前200次的冻融循环中，抗折与抗压强度逐渐降低，但250次冻融循环时略有增长。这种较小的增长在相对动弹模的变化规律中也有表现，在200-250次冻融期间，动弹性模量几乎没有下降。

2.2扫描电镜分析

       图4是经过100次冻融循环的样品照片，放大倍率为2000。可以看出，冻融引起了明显的晶体生长的现象，在100次冻融循环的样品表面有大量的长约5μm、宽约3μm的块状晶体。能谱分析发现其主要成分是碳、氧、钙。这是由于冻融产生的微裂缝使得混凝土内部的Ca(OH)2溶解到了水中，在局部形成饱和的Ca(OH)2溶液，在溶解过程中Ca(OH)2的溶解度随着温度的升高而降低并导致这些块状晶体的析出。

       图5（a）、（b）分别是经过150次和200次冻融循环的SEM图，图6是250次冻融循环后的试件SEM图，放大倍率均为2000。由图可见，随着冻融次数的继续增加，样品表面开始出现细长的针状晶体，而原先较大的块状晶体碎裂或溶解，体积有所减小。到250次冻融时，整个样品表面已被这些针状晶体相互接触和连生形成的网状结构覆盖。能谱分析发现，这些针状晶体主要成分为Ca/Si较高的水化硅酸钙，此外还包含较多的铝、镁、铁等元素。由于C-S-H的形貌在Ca/Si由低到高的进程中会出现由“箔状物”或“片状物”向“纤维状物”的变化[7-8]，并最终相互交错连接形成网状的结晶网。

       图7是冻融100、150、200、250次后RCC样品的SEM图。由图7可见冻融循环引起的微裂纹，同时也清晰的再现了水泥水化产物由针状晶体向网状结构转变的过程。冻融对混凝土的损伤主要体现为裂缝发展和晶体产生。微裂缝的扩展导致了混凝土由表及里缓慢的劣化，引起试件动弹模及强度的下降，还导致混凝土内部Ca(OH)2的溶解，为晶体的生长提供了条件。250次冻融后晶体由针状转为网状，而此时混凝土的强度有所增加，这表明网状结构的形成能弥补因裂缝发展带来的强度损失，相对动弹性模量的变化也表明内部劣化有所缓和。

3结论

（1）RCC在水中的冻融损伤较小，抗冻耐久系数为94.3%，冻融400次后相对动弹模损失为9%，质量损失0.3%，表面有少量粗骨料露出；

（2）冻融次数不大于200次时，随着冻融次数的增加，RCC的相对动弹模、抗折强度、抗压强度均有所降低；但250次冻融强度略有增长；

随着冻融次数的增加，RCC内部Ca(OH)2溶解，微裂缝持续发展，导致RCC的抗折和抗压强度降低；同时混凝土内生成大量硅酸钙晶体，这些硅酸钙晶体由于钙硅比的提高，形状由块状逐渐发展为针状；

（3）冻融过程中混凝土内部出现了明显的微裂纹，同时水泥水化产物由针状晶体向网状结构转变。

参考文献

[1] State-of-the-art report on roller compacted concrete pavements. ACI 325.10R-95, Manual of concrete practice, vol. 2; 1996. p. 31.

[2]姜福田. 碾压混凝土的抗冻性[J]. 水利水电技术,1991,09:60-64+43.

[3]Mahmoud Nili,M. Zaheri. Deicer salt-scaling resistance of non-air-entrained roller-compacted concrete pavements[J]. Construction and Building Materials,2010,254:.

[4]Portland cement association. Frost durability of roller compacted concrete pavements. RD 135; 2004.

[5] Marchand, J.; Boisvert, L.; Tremblay, S.; Maltais, J.; and Pigeon, M., “Air Entrainmentin Dry Concrete Mixtures,” Concrete International, Vol. 20, No. 4, April, 1998, pages38–44.

[6]李世绮,牛开民,夏玲玲. 路面碾压混凝土抗冻性的研究[J]. 东北公路,1997,01:72-78.

[7]Grudemo, Å. (1954). Discussion following the paper by J. D. Bernal on ‘The structure of cement hydration compounds,’ 3rd ISCC, 247-53.

[8]吕林女,赵晓刚,何永佳,胡曙光. 钙硅比对水化硅酸钙形貌和结构的影响[A]. 中国硅酸盐学会、中国建筑材料科学研究总院.中国硅酸盐学会水泥分会首届学术年会论文集[C].中国硅酸盐学会、中国建筑材料科学研究总院:,2009:8.