自養護路面混凝土抗鹽凍性能及疲勞特性

覃 瀟，許婕婷，申愛琴，呂政樺，謝政專

(1.佛山科學技術學院交通與土木建筑學院，佛山市智慧型陸地與海洋土木工程材料工程技術研究開發中心，佛山 528225；2.長安大學公路學院，西安 710064；3.廣西交科集團有限公司，廣西道路結構與材料重點實驗室，南寧 530007)

0 引 言

在北方寒冷地區，為防止道路冰雪致滑引起交通事故，常在路面撒除冰鹽。除冰鹽與凍融共同作用產生的鹽凍融循環常使水泥混凝土路面過早出現開裂、松散、剝蝕等病害[1]，并在行車荷載的反復彎拉作用下產生荷載疲勞裂縫，危及道路行駛安全[2]。水泥混凝土自養護(self-curing)技術能夠通過早期自養護水分的釋放提升膠凝材料水化程度，增強材料密實度，并有效抑制早期收縮微裂紋等原始損傷，降低水泥混凝土服役期耐久性劣化風險。目前作用效果較好的自養護劑為高吸水性聚合物(super absorbent polymer, SAP)[3-4]。

國內外學者在SAP自養護水泥混凝土抗凍性能及力學性能方面進行了大量研究。國外Lura等[5]及國內田園[6]、胡玉慶等[7]發現，高強混凝土內SAP釋水后的原位殘留孔大多為封閉小孔，改變了混凝土原始孔結構，起到引氣作用，從而改善抗凍性能。王德志等[8]研究表明，經歷250次凍融循環后自養護水泥砂漿的抗壓強度損失率相比基準組降低了4%～8%。Espinoza-Hijazin和Lopez[9]提出，在干燥條件下，SAP自養護混凝土與不采取養護措施的水泥混凝土相比，水化程度提升了16%，同時抗壓強度增大了19%。張國防等[10]得出,摻加少量SAP可提高水泥混凝土強度，其中以抗彎拉強度最為明顯，最大可提高20%。

目前對于自養護水泥混凝土抗凍性能及力學性能的研究主要集中于大體積高強、超強結構混凝土，尚未針對路面混凝土開展研究。路面混凝土與結構混凝土雖在材料上具有共性，但二者結構體態、受力狀態及功能性存在差異，進而自養護需求也存在差異[11]。水泥混凝土路面為大面積薄板結構，在冬季經受除冰鹽環境下的凍融循環侵蝕，并長期承受車輛荷載疲勞彎拉作用，其開裂敏感性遠大于結構混凝土[12]。因此，在充分考慮路面混凝土固有特性的基礎上開展研究，探索自養護參數對路面混凝土抗鹽凍性能、力學性能的影響機理，才能夠從根本上提升自養護效果。

綜上，本文針對路面混凝土受凍及服役特征，采用鹽凍試驗及鹽凍前后斷裂性能試驗，綜合評價了自養護路面混凝土抗鹽凍性能；基于彎拉荷載疲勞試驗，深入探索了SAP粒徑、摻量對路面混凝土疲勞特性的影響規律；結合自養護水泥漿體孔隙參數、微觀形貌及骨料-水泥石界面過渡區(interfacial transition zone, ITZ)特征，揭示了SAP自養護對路面混凝土抗鹽凍及疲勞特性的影響機理。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

1.1.1 自養護材料

自養護材料選用聚丙烯酸鈉鹽SAP，分子式為(C3H3NaO2)n。選取的SAP包括20～40目(380～830 μm，簡稱SAP-1)、40～80目(180～380 μm，簡稱SAP-2)和100～120目(120～150 μm，簡稱SAP-3)三種粒徑，其密度為0.70～0.75 g/cm3，pH值為5.5～6.8。SAP在干燥狀態下為白色粉末狀顆粒，其微觀形貌見圖1，在純水、水泥漿液中的吸液狀態見圖2。SAP-1、SAP-2和SAP-3在水膠比為0.37的水泥漿液中靜置30 min時基本達到吸液穩定，吸液倍率分別為42.753倍、34.559倍和29.576倍，在240 min內的保水率變化曲線見圖3。

圖1 干燥SAP顆粒微觀形貌Fig.1 Microscopic morphology of dried SAP particles

圖2 純水及水泥漿液中吸液飽和狀態下的SAP凝膠Fig.2 SAP gel in the saturated state of absorbentin pure water and cement slurry

圖3 SAP保水率隨養護齡期的變化曲線Fig.3 Variation curves of water holding ratioof SAP with curing age

1.1.2 膠凝材料及粗、細集料

水泥選用“海螺牌”P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其組成和技術指標見表1。礦物摻合料選用汕頭某公司生產的Ⅰ級粉煤灰，其化學成分和技術指標見表2。

表1 水泥組成和技術指標Table 1 Composition and technical indicators of cement

表2 粉煤灰化學成分和技術指標Table 2 Chemical composition and technical indicators of fly ash

粗集料選用廣東省清遠市某石場生產的4.75～9.50 mm和9.50～19.00 mm兩種規格的石灰巖碎石，兩檔料的質量比為1 ∶4。細集料為廣東省清遠市北江河砂，中砂，細度模數為2.71。粗、細集料的表觀密度分別為2.710 g/cm3和2.625 g/cm3，含泥量分別為0.3%和0.6%(質量分數)。

1.1.3 減水劑及水

減水劑采用JB-ZSC型聚羧酸高性能減水劑，減水率為26%(質量分數)，含氣量為3.1%(體積分數)。水為市政自來水，符合《混凝土用水標準》JGJ 63—2006中的要求。

1.1.4 試驗配合比

路面混凝土設計抗彎拉強度為5.5 MPa，在前期優化所得基準配合比的基礎上設定試驗方案(見表3)，方案中選用的SAP包括三種粒徑，對于SAP-3選取0.125%、0.145%、0.165%(質量分數，下同)三種摻量開展試驗，其中S-1、S-2與S-3-0.145%組的自養護水引入量相同。Non-S代表基準試驗組，S-3-0.125%代表采用SAP-3且其摻量為0.125%的試驗組。自養護水引入量(WIC)、SAP摻量根據SAP在30 min時的吸液倍率和公式(1)設定。

0.36≤RW/B≤0.42，R(W/B)IC=0.42-RW/B

(1)

式中：IC代表自養護；RW/B代表水膠比；R(W/B)IC代表自養護所需額外水膠比。

表3 自養護路面混凝土配合比Table 3 Mix proportion of self-curing pavement concrete

1.2 鹽凍試驗及鹽凍前后斷裂性能試驗

綜合考慮水泥混凝土路面實際冬季鹽凍環境及服役受力特征，借鑒美國ASTM C672—2003規范[13]中的凍融循環升降溫制度(慢凍法)開展鹽凍試驗。與該規范的不同之處在于：本試驗選用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的長方體試件，采用整體受凍模式，基于單位面積剝蝕量、相對動彈模量及鹽凍前后的斷裂特征參數損失率來全面評價路面混凝土的抗鹽凍性能。

試驗步驟如下：①試件成型且脫模后置于標準養護條件中養護24 d；②將試件置于4%(質量分數)的NaCl溶液中浸泡至28 d；③試驗前測試初始質量、動彈模量及斷裂特征參數；④先將試件置于(-17±2.8) ℃的低溫試驗箱內凍結16～18 h，再于常溫(23±1.7) ℃中融化6～8 h，以上為一次循環；⑤每10次凍融循環后測試其質量、動彈模量及斷裂特征參數；⑥更換NaCl溶液繼續進行凍融循環。

鹽凍前后的斷裂性能試驗采用三點彎曲試驗進行測試(見圖4)，其中斷裂特征參數包含斷裂韌度及斷裂能，為保證加載過程中裂紋朝同一方向擴展，測試前須在試件跨中底部預制1 cm的裂縫，縫寬1～2 mm。斷裂韌度、斷裂能根據式(2)～(4)進行計算，斷裂韌度及斷裂能損失率為凍融后參數損失量占凍融前參數的比例。

(2)

(3)

式中：KIC為斷裂韌度，MPa·m1/2；Fmax為試驗最大荷載，N；S為試件的跨度，mm；h為試件高度，mm；b為試件寬度，mm；a為預裂縫深度，mm。

(4)

式中：GF為斷裂能，N/m；W為荷載-位移曲線所圍面積與支座間試件所做功之和，N·mm；W0為荷載-位移曲線所圍面積，N·mm；m為支座間試件的質量，kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；δ0為跨中最大位移，mm；Alig為韌帶面積，mm2；P為荷載，N；δ為跨中位移，mm。

圖4 三點彎曲試驗Fig.4 Three point bending test

1.3 彎拉荷載疲勞試驗

彎拉荷載疲勞試驗在100 kN的MTS Landmark萬能試驗機上進行。考慮水泥混凝土路面實際受力狀態(受荷波形及車速)，試驗選擇正弦波三分點加載，加載頻率為10 Hz，低高應力比為0.1，疲勞荷載水平選取0.50、0.65和0.80，加載模式選用控制應力模式，疲勞失效判定標準設定為試件斷裂。

1.4 掃描電鏡(SEM)與壓汞(MIP)試驗

采用SEM對水泥混凝土微觀結構進行表征，同時使用配套的EDS能譜測試Ca/Si(摩爾比)值沿骨料-水泥石ITZ的分布規律，進而計算ITZ寬度。

借助AutoPore IV 9510型全自動壓汞儀對水泥混凝土孔隙參數(總孔隙面積、平均孔徑等)和孔徑分布參數(孔級配)進行測試與計算。孔徑測試范圍為0.003～1 000 μm。

2 結果與討論

2.1 基于單位面積剝蝕量及相對動彈模量的抗鹽凍性能分析

圖5為各試驗組經不同次數鹽凍融后的單位面積剝蝕量與相對動彈模量測試結果。

圖5 單位面積剝蝕量與相對動彈模量隨鹽凍次數的變化規律Fig.5 Variation of mass loss per unit area and relative dynamic elasticity modulus with the times of salt freeze-thaw cycles

由圖5(a)可見，自養護組的單位面積剝蝕量均小于基準組，且單位面積剝蝕量隨SAP粒徑增加而增大。經60次凍融循環后，S-1、S-2、S-3-0.145%自養護組的單位面積剝蝕量分別比基準組降低了20.13%、30.72%、42.78%。S-1、S-3-0.145%試驗組經60次凍融循環后相對動彈模量分別比基準組提升了17.81%和26.47%，能夠大幅提升水泥混凝土抗鹽凍性能。然而，S-1組的相對動彈模量值在凍融循環10～50次之間均小于基準組。究其原因，SAP-1粒徑相對較大，其在基體內部形成了較大殘留孔洞，致使該孔洞與周邊細小毛細孔相連通。基于滲透壓理論可知，孔徑越大，孔中溶液結冰點越高。尤其對于鹽溶液，具有較高的吸濕性和保水性，會大幅提高孔隙飽水程度，當殘留孔中水分因結冰而造成其蒸汽壓下降時，小毛細孔中未結冰的鹽溶液會向殘留孔中滲透，進一步增大滲透壓，致使結構破壞。

由圖5(b)可看出，SAP摻量對單位面積剝蝕量及相對動彈模量影響較小。單位面積剝蝕量隨SAP摻量的增大而逐漸減小，相對動彈模量隨SAP摻量的增大而增大。結合圖6中基準組、S-2、S-3-0.125%、S-3-0.145%組的孔隙參數及圖7中大孔、毛細孔、過渡孔、凝膠孔的孔徑分布參數隨鹽凍融循環次數的變化開展進一步分析。

由圖6可見，凍融循環前自養護組的總孔隙面積均大于基準組，相反S-2、S-3-0.125%、S-3-0.145%組平均孔徑僅為基準組的84.12%、50.0%和39.4%，說明SAP-2和SAP-3能夠有效細化混凝土內部孔隙，其所產生的殘留孔可能多以封閉孔的形式存在，進而降低結冰點，且能夠起到引氣作用，從而釋放了孔中拉應力。當試件經歷30次凍融循環后，S-2、S-3-0.125%、S-3-0.145%組的總孔隙面積分別為基準組的1.11倍、1.58倍和2.03倍，而平均孔徑為基準組的90.15%、81.08%和79.2%。即SAP在混凝土凍融30次后起到了優良的孔隙細化作用，其中S-3-0.145%組的細化效果最佳，其次是S-3-0.125%和S-2組。此外，說明SAP摻量越多，自養護區域范圍越大，孔隙越密實，在凍融過程中SAP吸收的鹽溶液總量越多，滲入混凝土內部的阻力相對更大，促使抗鹽凍性能提高。

圖6 孔隙參數隨鹽凍融循環次數的變化規律Fig.6 Variation of pore parameters with the times of salt freeze-thaw cycles

由圖7可知，各自養護組在凍融20次、30次后的大孔、毛細孔含量明顯小于基準組，且過渡孔、凝膠孔數量顯著增大，過渡孔、凝膠孔可起到“引氣抗凍”的作用，其中S-3-0.145%組對大孔和毛細孔含量的整體減少程度最大。

圖7 孔徑分布參數隨鹽凍融循環次數的變化規律Fig.7 Variation of pore size distribution parameterswith the times of salt freeze-thaw cycles

2.2 鹽凍前后斷裂特征參數損失率變化規律及抗鹽凍機理分析

鹽凍融前后路面混凝土的斷裂韌度損失率及斷裂能損失率計算結果如圖8所示。

根據圖8(a)，SAP粒徑越小，各凍融次數條件下試件斷裂韌度損失率越小。相比基準組，SAP-3顯著降低了斷裂韌度損失率，S-3-0.145%組在凍融20次、30次時的斷裂韌度損失率分別比基準組降低了23.07%、25.25%；S-1和S-2組在凍融20次時的斷裂韌度損失率分別比基準組降低了2.00%和13.01%；在凍融30次后，S-1組的斷裂韌度損失率大于基準組，而S-2組的斷裂韌度損失率仍小于基準組。為進一步分析出現上述結果的原因，采用SEM對路面混凝土28 d微觀形貌及凍融后微觀形貌進行表征，如圖9所示。

結合圖9可分析出，在相同的自養護引水量下，SAP-3粒徑微小且數量最多，其殘留孔相比SAP-1、SAP-2更容易被C-S-H凝膠等豐富的水化產物所填充(見圖9(b)～(d))，并促進孔周邊區域水泥石孔隙的細化，致使孔中液體的結冰點降低。推斷SAP能夠在混凝土融化過程中吸收部分鹽溶液，降低水泥石中的Cl-濃度，從而減少因Ca(OH)2與鹽類反應造成的化學腐蝕，降低混凝土孔隙飽水程度、滲透壓及鹽溶液的膨脹程度，減少凍融微裂紋的數量(見圖9(e)、(f))。

圖9 路面混凝土28 d微觀形貌及凍融后微觀形貌Fig.9 Micrographs of self-curing pavement concrete at 28 d and after freeze-thaw cycles

從圖8(b)中可知，采用SAP-3時混凝土的斷裂能損失率最低，凍融20次和30次條件下分別比基準組降低了11.86%和10.51%。基于已有研究[14-15]分析，其原因是普通混凝土中的ITZ普遍存在Ca(OH)2板狀晶體富集、定向排列的現象，該區域材料水膠比較高且孔隙較多，在承受荷載時裂縫常沿著ITZ區域迅速擴展。當摻入SAP后，SAP能夠在拌和初期吸持部分ITZ水分，降低該區域水膠比，打破Ca(OH)2晶體定向排列的規律，并在養護期對該區域進行釋水養護，使ITZ結構更加密實堅固，從而減小鹽凍后的斷裂能損失率。

SAP-3摻量越大，斷裂韌度損失率越低，這歸因于SAP-3對混凝土優良的水化填充及引氣效應，且隨著SAP-3摻量的增大，凍融后混凝土的斷裂能損失率逐漸降低。

2.3 不同荷載水平下自養護路面混凝土疲勞特性及機理研究

2.3.1 SAP粒徑對疲勞壽命的影響規律

不同粒徑SAP自養護路面混凝土的疲勞壽命如表4所示。

表4 不同粒徑SAP自養護路面混凝土疲勞荷載加載次數試驗結果Table 4 Fatigue load test results of self-curing pavement concrete with SAP of different particle sizes

由表4可見，應力水平越高，SAP對路面混凝土疲勞壽命提升比例越顯著。S-2及S-3-0.145%組在各應力水平下的疲勞壽命均高于基準組，其中S-2組在應力水平為0.50、0.65和0.80時的疲勞壽命分別比基準組提高了6.86%、47.86%和2.45倍，S-3-0.145%組在不同應力水平下分別比基準組提高了25.99%、1.05倍和2.65倍，S-3-0.145%組的疲勞壽命最高，而S-1組在應力水平為0.50、0.65和0.80時的疲勞壽命僅為基準組的50.75%、65.68%和54.15%。

影響自養護路面混凝土疲勞特性的因素主要包括兩個方面，一是自養護水分對水泥混凝土的水化填充程度，二則為ITZ特征。因此，結合SAP殘留孔隙水化填充微觀形貌圖(見圖9(b)～(d))和圖10中的ITZ形貌、Ca/Si值沿骨料-ITZ-水泥石路徑的變化圖，對自養護路面混凝土疲勞壽命的影響機理進行分析。

圖10 ITZ微觀形貌、掃描路徑及相應Ca/Si值Fig.10 Microstructure, scanning path and Ca/Si value of ITZ

由圖9(c)、(d)孔內微觀形貌可見，S-2、S-3-0.145%組中的自養護水化產物能夠均勻填充孔隙，并形成較為密實的微觀結構；圖9(b)中S-1組殘留孔則較大，且C-S-H、Ca(OH)2等水化產物未密實填充該孔洞，材料結構較為疏松，導致疲勞壽命降低。

SAP-2、SAP-3在拌和初期保水性能優良(見圖3)，在新拌混凝土中會吸收部分拌和水(包括聚集在ITZ區域中的水膜)，從而降低ITZ區域水膠比，同時破壞Ca(OH)2晶體的擇優取向。其次，在硬化后持續釋放水分，供未水化水泥及粉煤灰顆粒進行二次水化，促進ITZ區域C-S-H凝膠的產生，消耗部分Ca(OH)2(Ca(OH)2易產生層狀解理，聯結性較弱)，降低孔隙率及裂紋擴展速率。而SAP-1保水性能相對較弱(見圖3)，推測其早期會在ITZ區域釋放部分水分，削弱其優化作用。

由圖10發現:基準組試件在ITZ區域處存在明顯裂縫，S-2組試件裂紋則較淺，而S-3組試件水泥石與骨料之間的粘結性優良，未見裂紋；再由圖中Ca/Si值計算得出，S-2(48 μm)和S-3-0.145%(37 μm)組試件的ITZ區域寬度僅為Non-S基準組試件(75 μm)的64.00%和49.33%。以上特征均證明了小粒徑SAP能夠增強ITZ區域密實度，并降低其寬度。

為證實小粒徑SAP對路面混凝土ITZ區域性能的改善作用，對應力水平為0.65時不同SAP粒徑試件疲勞破壞時的斷面圖進行觀察，如圖11所示。可見，基準組和S-1組試件的疲勞裂紋均沿ITZ區域擴展延伸，而S-2、S-3-0.145%組試件則從骨料中心斷裂，充分證實了SAP-2、SAP-3對ITZ區域物理力學性能的優化作用。

圖11 不同SAP粒徑下自養護路面混凝土疲勞裂紋斷裂特征圖Fig.11 Fatigue crack fracture characteristics images of self-curing pavement concrete with SAP of different particle sizes

2.3.2 SAP摻量對疲勞壽命的影響規律

不同摻量SAP自養護路面混凝土的疲勞壽命如表5所示。

表5 不同摻量SAP自養護路面混凝土疲勞荷載加載次數試驗結果Table 5 Fatigue load test results of self-curing pavement concrete with SAP of different dosages

由表5可見，路面混凝土疲勞壽命隨SAP-3摻量的增加而增大，且在各應力水平下均優于基準組，其中S-3-0.125%組在應力水平為0.50、0.65和0.80時的疲勞壽命分別比基準組提高了20.45%、77.77%和2.7倍，S-3-0.145%組分別比基礎組提高了25.99%、1.05倍和2.65倍。提升效果最明顯的是S-3-0.165%組，分別比基準組提高了49.37%、1.13倍和3.09倍。

由試驗結果分析認為，在合理的SAP粒徑下，隨著摻量增加，早期在ITZ區域吸持的水分越多，致使該區域更加密實。由應力水平為0.65時各SAP摻量下試件疲勞破壞時的斷面圖(見圖12)可發現，SAP摻量越大，試件沿骨料斷裂的面積越大，即ITZ區域物理力學性能越好，進而提升路面混凝土疲勞壽命。

圖12 不同SAP摻量下自養護路面混凝土疲勞裂紋斷裂特征圖Fig.12 Fatigue crack fracture characteristics images of self-curing pavement concrete with SAP of different dosages

3 結 論

(1)SAP-2、SAP-3能夠有效降低自養護路面混凝土單位面積剝蝕量，提升相對動彈模量；經60次鹽凍融循環后，S-3-0.145%組單位面積剝蝕量比基準組降低了42.78%，相對動彈模量提升了26.47%；單位面積剝蝕量及相對動彈模量均隨SAP摻量的增大而改善。

(2)SAP粒徑越小，凍融后的斷裂韌度及斷裂能損失率越小；S-3-0.145%組在凍融20次、30次時的斷裂韌度損失率分別比基準組降低了23.07%、25.25%，同時斷裂能損失率分別降低了11.86%和10.51%；自養護能夠對孔隙起到優良的細化作用，同時SAP殘留封閉孔可起到引氣作用，并通過融化過程中的二次吸液作用減少凍融微裂紋數量，增強抗鹽凍性能。

(3)應力水平越高，較小粒徑SAP對疲勞特性的提升效果越顯著；S-3-0.145%組在應力水平為0.50、0.65、0.80時的疲勞壽命分別比基準組提升了25.99%、1.05倍和2.65倍；較小粒徑SAP能夠改善ITZ區域物理力學性能，降低該區域水膠比，破壞Ca(OH)2晶體的擇優取向，促進C-S-H的產生，從而增強水泥石和骨料之間的粘結性。