在鹽溶液下風積沙水泥砂漿的抗凍性能研究

何　靜，申向東，董　偉

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特　010018)

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在鹽溶液下風積沙水泥砂漿的抗凍性能研究

何靜，申向東，董偉

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特010018)

研究內摻風積沙代替相同質量普通砂的風積沙水泥砂漿在鹽溶液下進行快速凍融循環試驗，達到一定凍融次數后分析強度、質量損失和相對動彈模量的變化情況及變化規律。結果表明：摻適量風積沙可提高砂漿抗凍性能。為解釋摻風積沙提高砂漿抗凍性能原因，進行了電鏡掃描試驗和氣泡特征參數測試，由試驗得出：摻適量風積沙可以改善砂漿微觀結構和氣泡結構。

風積沙水泥砂漿； 抗凍性； 電鏡掃描； 氣泡特征參數

1　引　言

風積沙屬于特細砂，是一種被風吹、積淀的沙層，多見于沙漠、戈壁，分布廣泛。對建筑行業而言，建筑用砂越來越緊缺；對環境保護而言，沙漠化越來越嚴重。風積沙是一種危害物，也是一種資源，若能風積沙替代部分建筑用砂，不僅可解決建筑用砂緊缺問題，還可緩解沙害利于環保。已有多位學者[1-4]對風積沙物理化學性質[5]、力學性質[6]、擊實特征[7]等各項性能開展研究，表明風積沙可作配制混凝土、砂漿的補充資源和缺乏砂資源地區的細骨料，已將風積沙砂漿、混凝土在工程實踐中得到應用。北方地區冬天經常下雪，使人行道路、行車路面凍結，為方便行車行人，人們在路面上傾灑除冰鹽使凍冰凍雪融化。除冰鹽中的主要成分氯鹽對路面產生侵蝕，使路面快速破壞，使用年限大大減少，維護成本增加。為解決這些問題，本文在氯鹽環境下將風積沙代替普通砂進行風積沙水泥砂漿抗凍試驗，在一定凍融次數后分析其強度、質量損失和相對動彈模量的變化情況及變化規律。再進行電鏡掃描試驗和氣泡特征參數測試，研究風積沙如何影響砂漿的微觀結構和抗凍性。

2　試　驗

試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)進行，凍融循環試驗試件尺寸采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。將標準養護到26 d的試件在鹽溶液中浸泡2 d，直到試塊內部達到飽水狀態后取出測其初始強度、質量和相對動彈模量，再進行凍融循環試驗，在達到一定凍融循環次數后，檢查試塊外觀情況，測其強度、質量損失和相對動彈模量。

2.1試驗材料

試驗原材料主要有水泥、風積沙、普通砂、自來水。水泥為冀東P·O 42.5級普通水泥，其各項性能指標如表1；細骨料為天然普通砂，II區中砂，級配良好，含泥量1.8%，堆積密度1550 kg/m3，表觀密度2600 kg/m3；試驗中的風積沙來自內蒙古鄂爾多斯庫布其沙漠，顆粒粒徑分布見圖1，風積沙粒徑基本都小于300 μm，其中100～250 μm顆粒占78.02%。風積沙的微觀形態見圖2，由圖2可得：風積沙的表面光滑且致密，形體呈無規則幾何結構，棱角凸出，擁有一定級配，可配制水泥砂漿。風積沙的EDS見圖9。鹽溶液是用除冰鹽和水配制，鹽溶液濃度為4%的質量分數，水為普通自來水，除冰鹽是含NaCl和CaCl2的復合型氯鹽。

表1　冀東P·O 42.5級水泥性能指標

圖1　風積沙粒徑分布Fig.1　Particle size distributions of aeolian sand

圖2　風積沙的SEM照Fig.2　SEM of aeolian sand

2.2試驗配合比

試驗采用不摻風積沙的水泥砂漿M10為基準組(HO)，試驗組分別以10%、15%、20%、30%和40%質量的風積沙替代同等質量的普通砂來配制風積沙水泥砂漿。其具體配合比見表2。

表2　風積沙水泥砂漿配合比及材料用量

續表

3　結果與討論

3.1強度變化

風積沙水泥砂漿強度與凍融次數的關系見圖3，由圖3可知：隨凍融次數增加，水泥砂漿強度呈下降趨勢；在相同凍融次數下，水泥砂漿強度隨風積沙摻量增加呈先增加后下降趨勢。HB組強度下降最少，剩余強度最大；基準組(HO組)強度下降較HB組多，且剩余強度較少；當風積沙摻量增加至40%時，強度下降最多且最快，剩余強度最少。HO、HD、HE凍融40次時強度下降已超過25%，但其質量損失未超過5%和相對動彈模量下降未超過60%，說明質量與相對動彈模量對砂漿抗凍性能評價具有滯后性。當凍融60次時，各組不僅強度下降超過25%，而且質量損失超過5%，相對動彈模量下降超過60%。摻入適量風積沙可提高水泥砂漿的強度，但摻量過多又導致強度降低，本試驗得出風積沙的較優摻量為15%。

3.2質量變化

風積沙水泥砂漿質量損失與凍融次數的關系見圖4，由圖4可知：在凍融循環10次時，水泥砂漿質量有所增加，質量損失率呈負增長；隨凍融次數增加，水泥砂漿質量呈下降趨勢，質量損失率逐漸增加；在相同凍融次數下，水泥砂漿質量損失率隨風積沙摻量增加呈先減少后增加趨勢。HB組質量損失率下降最少；基準組(HO組)質量損失率下降較HB組多；當風積沙摻量增加至40%時，質量損失率下降最多且最快。當凍融60次時，各組質量損失率下降超過5%。

圖3　凍融循環后的抗壓強度Fig3　Compressive strength after the freeze-thaw circles

圖4　凍融循環后的質量損失率Fig4　Mass loss rate after the freeze-thaw circles

3.3相對動彈模量變化

風積沙水泥砂漿相對動彈模量與凍融次數的關系見圖5，由圖5可知：隨凍融次數增加，水泥砂漿相對動彈模量呈下降趨勢；在相同凍融次數下，水泥砂漿相對動彈模量隨風積沙摻量增加呈先增加后下降趨勢。HB組相對動彈模量下降最少，剩余相對動彈模量最大；基準組(HO組)相對動彈模量下降較HB組多，且剩余相對動彈模量較少；當風積沙摻量增加至40%時，相對動彈模量下降最多且最快，剩余相對動彈模量最少。當凍融60次時，各組相對動彈模量下降超過60%。

3.4微結構分析

由3.1～3.3可得：本試驗的最優組為HB組，且凍融40次時強度已下降25%可結束試驗。則選取凍融前和凍融40次后的基準組(HO組)、最優組(HB組)、對比組(HE組)進行電鏡掃描試驗，分析風積沙水泥砂漿微觀結構的變化情況[8-11]。

圖5　凍融循環后的相對動彈模量Fig5　Relative dynamic elastic after the freeze-thaw circles

圖6　HO組的SEM照片(a)HO組凍融前;(b)HO組凍融后Fig.6　SEM images of group HO

圖7　HB組的SEM照片(a)HB組凍融前;(b)HB組凍融后Fig.7　SEM Photograph of group HB

對比分析凍融前圖6a～8a可得：圖6a中針狀結晶產物很少，水泥石與普通砂形成整體，內部較致密；圖7a中針狀結晶產物較多，水化產物將水泥石與普通砂交織成連續的網狀整體結構，內部緊致密實；圖8a中針狀結晶產物很多，過多的水化產物使砂漿內部膨脹開裂，形成明顯初始損傷裂縫。對比分析凍融后圖6b～8b可得：圖6b中基本沒有針狀結晶產物，內部特別疏松，水泥石松散掉落，細骨料脫落，形成大量孔洞，縫隙大量產生；圖7b中有少量的針狀結晶產物附著在水泥基體上，內部較疏松，水泥石較松散有少量脫落，細骨料慢慢脫落，形成少量孔洞，縫隙慢慢開展；圖8b中基本沒有針狀結晶產物，內部很疏松，水泥石松散有部分掉落，細骨料碎裂脫落，形成大量孔洞，縫隙產生較多[12-14]。

圖8　HE組的SEM照片(a)HE組凍融前;(b)HE組凍融后Fig.8　SEM images of group HE

圖9　風積沙的EDS分析Fig.9　Energy dispersive spectrometeranalysis of aeolian sand

由電鏡圖6a～8a可知各組生成的水化產物量不同，使各組砂漿表現出不同的抗凍性能。而本試驗的變量是風積沙摻量，說明風積沙摻入對砂漿抗凍性能有一定影響，為研究風積沙如何影響砂漿抗凍性能，特對風積沙進行了EDS分析(如圖9)。由圖9得出：風積沙含有大量的Ca元素、Si元素，說明風積沙含有大量活性成分，將促進水泥發生水化反應生成水化硅酸鈣(C-S-H)等凝膠，使砂漿的密實度提高，對砂漿起到增強作用[15-17]。綜上所述，摻入適量風積沙確能提高砂漿抗凍性能。

3.5氣泡特征參數分析

由3.1～3.3可得：本試驗的最優組為HB組，且凍融40次時強度已下降25%可結束試驗。本論文選取凍融40次后的基準組(HO組)、最優組(HB組)、對比組(HE組)進行氣泡特征參數測試(試驗儀器采用RapidAir457混凝土氣孔結構分析儀)，分析摻入風積沙改善砂漿抗凍性能的原因。

表3　風積沙水泥砂漿氣泡參數

氣泡間距系數是表征混凝土抗凍性的重要指標，首先提出氣泡間距系數的學者是Powers[18]，他認為當氣泡間距系數小于250 μm(臨界氣泡間距系數)時，混凝土具有良好的抗凍性。其后Pigeon[19,20]進一步闡述了氣泡間距系數的優點在于少做或不做凍融循環試驗直接測其氣泡間距系數也可判定混凝土抗凍性能的好壞狀況。總結相關學者[21-23]研究得出以下結論：(1)氣泡間距系數越小，比表面積越大，其抗凍性越好；(2)含氣量在一定范圍內越大抗凍性能越好，但含氣量超過限值反而降低抗凍性能；(3)氣泡弦長小且氣泡弦長小的氣泡數量越多其抗凍性越好。

由表3得出：(1)HB組的氣泡間距系數最小，HO組次之，HE組最大；(2)HB組的比表面積最大，HO組次之，HE組最小；(3)HB組的含氣量最小，HO組次之，HE組最大；(4)HO組的氣泡個數最多，HB組次之，HE組最少，但其氣泡平均弦長最大是HE組，HO組次之，最小是HB組。得出最終結論是HB組抗凍性最好，與本試驗結果一致，且符合相關學者研究。再綜合對比表3數據：未摻風積沙的HO組氣泡數量最多但氣泡平均弦長較大，說明弦長較長的氣泡數量較多；摻入適量風積沙的HB組氣泡平均弦長最小而氣泡數量較多，說明摻入風積沙使氣泡弦長變短，弦長較短的氣泡數量多，含氣量適當減少，比表面積略有提高，氣泡間距系數稍有降低，抗凍性優于基準組(HO組)；摻入風積沙過多的HE組氣泡平均弦長最長但氣泡數量、比表面積大大減少，而含氣量、氣泡間距系數增大，抗凍性差于基準組(HO組)。因此摻入適量風積沙對水泥砂漿內部起擠壓緊密作用，提高密實度，能改善水泥砂漿內部孔隙，大孔減少，細小孔增多，提高抗凍性能；而摻過多風積沙使水泥砂漿內部擠壓過甚，細小氣泡較少，抗凍性能下降。氣泡特征參數測試得出的結論與電鏡試驗得出的結論一致。

4　結　論

(1)隨著凍融次數增加，強度損失、質量損失、相對動彈模量損失不斷增大。試驗凍融40次時，強度下降已達25%可結束試驗，但其質量下降未超過5%，相對動彈模量下降未超過60%，說明質量與相對動彈模量對砂漿抗凍性能評價具有滯后性。摻入適量風積沙可提高水泥砂漿的強度，但摻量過多又導致強度降低，本試驗得出風積沙的較優摻量為15%;

(2)通過電鏡掃描試驗和氣泡特征參數測試說明：摻入適量風積沙對水泥砂漿內部起擠壓緊密作用，提高密實度，進而改善水泥砂漿內部孔隙，大孔減少，細小孔增多，提高抗凍性能；而摻過多風積沙使水泥砂漿內部擠壓過甚，細小氣泡較少，抗凍性能下降。

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Experiment Research of Aeolian Sand Cement Mortar Frost Resistance in Saline Solution

HEJing,SHENXiang-dong,DONGWei

(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

By mixing mass fraction of aeolian sand to replace the same weight of river sand to configure cement mortar, which carried out rapid freeze-thaw cycle test in saline solution. The change range and change law of compressive strength, mass loss, relative dynamic elastic modulus were analyzed after the certain freeze-thaw times. Results show: adding moderate aeolian sand can improve frost resistance of mortar. In order to explain the reasons for the improvement of frost resistance of mortar, We performed scanning electron microscopic experiment and air void characteristic parameters testing. The tests indicated: adding moderate aeolian sand can improve the microstructure and air void structure of mortar.

aeolian sand cement mortar;frost resistance;scanning electron microscope;air void characteristic parameters

國家自然科學基金資助項目(51569021)；高等學校博士學科點專項科研基金(20121515110002)；內蒙古自治區應用與研究開發科技計劃項目(20130425)

何靜(1990-)，女，碩士研究生.主要從事新型建筑材料方面的研究.

申向東，教授，博導.

TQ175

A

1001-1625(2016)04-1159-05