碾壓混凝土的抗凍性及微觀機理分析

陳舒航，張武滿

（北京航空航天大學交通學院土木工程系，北京 100191）

碾壓混凝土的抗凍性及微觀機理分析

陳舒航，張武滿

（北京航空航天大學交通學院土木工程系，北京 100191）

本文采用快速凍融的試驗方法，研究了碾壓混凝土在水中的抗凍性。測定凍融后試件質量損失、動彈性模量、抗壓與抗折強度，并利用掃描電鏡觀察混凝土微觀結構。結果顯示：凍融次數不大于 200 次時，隨著凍融次數的增加，碾壓混凝土的相對動彈模、抗折強度、抗壓強度均有所降低；但 250 次凍融強度略有增長；掃描電鏡觀察發現，凍融過程中混凝土內部出現了明顯的微裂紋，同時水泥水化產物由針狀向網狀結構轉變。

碾壓混凝土；抗凍性；強度；微觀結構

0 引言

碾壓混凝土（RCC）是由水泥、級配骨料加水拌和而成的一種混合料，其含水量與含水泥量均較水泥混凝土低，其稠度與坍落度為零的水泥混凝土類似，攤鋪后需由壓路機壓實[1]。由于其高強、施工方便、造價低廉的優勢，近幾十年來RCC 已被廣泛應用于道路、大壩等工程中，近幾年甚至開始被應用于機場道面的建設。為充分發揮 RCC 快速、經濟施工的特點，碾壓混凝土開始應用于道面面層，而碾壓混凝土壩則趨向采用全斷面碾壓，即外部和內部全部采用碾壓混凝土[2]。為此，碾壓混凝土的抗凍性成為工程中最為關注的問題之一。然而近年來許多數據表明 RCC 的抗凍、抗鹽剝蝕性能并不總是令人滿意[3-4]，這是因為低水灰比、低砂漿含量以及超干硬性的特點，導致 RCC 引氣效果不佳[5]。本文通過“二次投料法”[6]制備 RCC，并采用快速凍融、掃描電鏡等實驗方法研究了 RCC 在水中抗凍性能以及凍融對混凝土微觀結構的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗原料

本次試驗采用的材料：①唐山奧城水泥廠生產的 42.5普通硅酸鹽水泥；②細度模數為 2.55 的北京產河砂；③5～20mm 級配良好的碎石；④北京世紀洪雨科技公司生產的 HY801 聚羧酸高性能減水劑；⑤巴斯夫公司生產的micro air202 引氣劑。

1.2 配合比設計、試件的成型與養護

RCC 的配合比按照 GJB 1578-92《機場道面水泥混凝土配合比設計技術標準》設計，設計抗折強度為 5.0MPa，抗壓強度等級為 C60，配合比見表 1。

先將水泥、砂及摻入引氣劑的水加入攪拌機拌和 1min成水泥砂漿，期間均勻加入減水劑，然后再投入粗骨料攪拌2min，30min 時測定維勃稠度，然后碾壓、振動成型100mm×100mm×400mm 的棱柱體試件，試件成型后帶模養護 24h，拆模后，移入溫度 (20±2)℃、濕度 95% 的標準養護室中養護 28d。試件的力學性能測試執行 JTG-E 30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》，28d 強度見表 1。

表1 混凝土的配合比及 28d 強度

1.3 試驗方法

通過在水中 400 次的快速凍融試驗測定 RCC 的質量和動彈性模量變化規律。動彈模與質量損失取三個試塊的平均值。并在凍融至 100 次、150 次、200 次、250 次時分別取三個試塊測試抗折強度，利用斷塊測量抗壓強度，測試執行JTG-E 30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》。

強度試驗結束后，從斷塊底面靠近表面 5～10mm 的位置采集水泥砂漿顆粒，將其浸泡于無水乙醇中以阻止樣品在試驗之前繼續水化，隨后鍍金并進行掃描電鏡分析。

2 結果與討論

2.1 RCC 在水中的抗凍性

表 2 為 RCC 凍融過程中與標準養護條件下相對動彈性模量。變化規律見圖 1，由圖可知，引氣后的碾壓混凝土在水中的抗凍性能良好，抗凍耐久系數為 94.3%，400次凍融循環后相對動彈性模量僅下降了 7.3%。

圖 2 從左往右依次是同一試塊在 100、150、200、250、300、350 和 400 次凍融循環后的表面狀態。在 300 次凍融循環時，混凝土表面幾乎沒有剝落，此后部分區域產生剝落并有骨料露出現象。凍融至 400 次時的質量損失率僅為 0.3%。

表2 RCC 相對動彈模的變化

表 3 為 RCC 在 0、100、150、200、250 次凍融后的抗折與抗壓強度。變化趨勢見圖 3，由圖可知，在前 200 次的凍融循環中，抗折與抗壓強度逐漸降低，但 250 次凍融循環時略有增長。這種較小的增長在相對動彈模的變化規律中也有表現，在 200～250 次凍融期間，動彈性模量幾乎沒有下降。

圖1 RCC 相對動彈性模量

圖2 RCC 在水中的凍融破壞形態

表3 RCC 強度變化

圖3 RCC 凍融過程中強度變化

2.2 掃描電鏡分析

圖 4 是經過 100 次凍融循環的樣品照片，放大倍率為2000。可以看出，凍融引起了明顯的晶體生長的現象，在 100次凍融循環的樣品表面有大量的長約 5μm、寬約 3μm 的塊狀晶體。能譜分析發現其主要成分是碳、氧、鈣。這是由于凍融產生的微裂縫使得混凝土內部的 Ca(OH)2溶解到了水中，在局部形成飽和的 Ca(OH)2溶液，在溶解過程中 Ca(OH)2的溶解度隨著溫度的升高而降低并導致這些塊狀晶體的析出。

圖4 凍融 100 次 RCC 樣品的 SEM 照片（2000 倍）

圖5 水中凍融的 SEM 照片（2000倍）

圖6 凍融 250 次 RCC 樣品的 SEM 圖（2000倍）

圖5（a）、（b）分別是經過 150 次和 200 次凍融循環的SEM 圖，圖 6 是 250 次凍融循環后的試件 SEM 圖，放大倍率均為 2000。由圖可見，隨著凍融次數的繼續增加，樣品表面開始出現細長的針狀晶體，而原先較大的塊狀晶體碎裂或溶解，體積有所減小。到 250 次凍融時，整個樣品表面已被這些針狀晶體相互接觸和連生形成的網狀結構覆蓋。能譜分析發現，這些針狀晶體主要成分為 Ca/Si 較高的水化硅酸鈣，此外還包含較多的鋁、鎂、鐵等元素。由于 C-S-H 的形貌在Ca/Si 由低到高的進程中會出現由“箔狀物”或“片狀物”向“纖維狀物”的變化[7-8]，并最終相互交錯連接形成網狀的結晶網。

圖7 水中凍融的SEM照片（5000倍）

圖 7 是凍融 100、150、200、250 次后 RCC 樣品的 SEM圖。由圖 7 可見凍融循環引起的微裂紋，同時也清晰的再現了水泥水化產物由針狀晶體向網狀結構轉變的過程。凍融對混凝土的損傷主要體現為裂縫發展和晶體產生。微裂縫的擴展導致了混凝土由表及里緩慢的劣化，引起試件動彈模及強度的下降，還導致混凝土內部 Ca(OH)2的溶解，為晶體的生長提供了條件。250 次凍融后晶體由針狀轉為網狀，而此時混凝土的強度有所增加，這表明網狀結構的形成能彌補因裂縫發展帶來的強度損失，相對動彈性模量的變化也表明內部劣化有所緩和。

3 結論

（1）RCC 在水中的凍融損傷較小，抗凍耐久系數為94.3%，凍融 400 次后相對動彈模損失為 7.3%，質量損失0.3%，表面有少量粗骨料露出。

（2）凍融次數不大于 200 次時，隨著凍融次數的增加，RCC 的相對動彈模、抗折強度、抗壓強度均有所降低；但250 次凍融強度略有增長。

（3）凍融過程中混凝土內部出現了明顯的微裂紋，同時水泥水化產物由針狀晶體向網狀結構轉變。

[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．碾壓混凝土的抗凍性[J]．水利水電技術，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, Jand Pigeon, M．“Air Entrainment in Dry Concrete Mixtures,”Concrete International, Vol. 20, No. 4, April, 1998, pages 38–44.

[6] 李世綺，牛開民，夏玲玲．路面碾壓混凝土抗凍性的研究[J]．東北公路，1997,01：72-78．

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

[8] 呂林女，趙曉剛，何永佳，等．鈣硅比對水化硅酸鈣形貌和結構的影響[C]．中國硅酸鹽學會、中國建筑材料科學研究總院．中國硅酸鹽學會水泥分會首屆學術年會論文集[A]．中國硅酸鹽學會、中國建筑材料科學研究總院，2009,8．

［通訊地址］北京市海淀區知春路北京航天航空大學（100191）

陳舒航，北京航空航天大學交通學院土木工程系碩士研究生。