沙漠砂+聚丙烯纖維+鋰渣混摻混凝土的抗凍融性試驗研究

章 倩

（新疆應用職業技術學院，新疆 奎屯 833200）

0 引言

新疆地區沙漠占據了很大的一部分面積。由于新疆地區符合條件的沙漠砂較多，可以合理地開發利用，從而降低工程施工的成本。本次試驗中，將混凝土摻入一定比例的沙漠砂代替施工中普通的中砂。由于只配置單一沙漠砂混凝土的耐久性能較弱，鋰渣是工業廢料，其摻入對于改善混凝土的抗滲性、抗凍融性、耐久性有著良好的效果。利用聚丙烯纖維抗拉強度好的特性，從而使混凝土內部的整體性有大幅度的提高。本試驗主要研究摻入鋰渣和具有彈性模量較低的聚丙烯纖維來解決單摻沙漠砂混凝土抗凍融性能差的問題。

1 試驗器材及要求

本試驗選用建研華測（杭州）科技有限公司HCHDK9混凝土快速凍融試驗機。該試驗機用于測定混凝土試件在凍融條件下，經受的快速凍融循環次數來表征其抗凍性能。設備由高標號不銹鋼箱體、冷卻系統、保溫系統、循環系統和控制系統等組成。壓縮機等關鍵元器件原裝進口，滿載運行時箱內溫度極差低于0.7℃。

選用洛陽精研機械科技有限公司彈性模量測試儀IET-100，采用動態法中的脈沖激振法是一種無損檢測方法，通過試樣固有頻率、尺寸和質量來獲取材料楊氏模量、剪切模量、泊松比的一種方法。彈性模量測試儀IET-100主要用于測試各種固體材料（如陶瓷、金屬、石墨、炭素、玻璃、碳纖維復合材料、木材、耐火材料等）的楊氏模量、剪切模量、泊松比及阻尼比。

選用美特斯工業系統有限公司SHT4106微機控制電液伺服萬能試驗機，DCS-300全數字閉環測控系統量測強度指標。

本試驗試塊采用100mm×100mm×400mm的尺寸，將其放置盒中，加入高出混凝土試塊5mm的水位。將每次凍融循環的時間限制在3～4h之間。融化過程的時間限制在0.75～1h之間。循環過程中的溫度控制在-20±2℃和6±2℃，其中每次凍融循環的轉換過程控制在10min之內。本試驗主要利用快凍法試驗機測定質量損失率和動彈性模量的指標。規定當混凝土試塊結束循環時停止試驗，當混凝土試塊質量損失減小超過5%時停止試驗，當混凝土試塊相對凍彈性模量指標下降到60%時停止試驗[1]。三者達到其中任何一個條件即停止。

2 試驗方法與結果

由國家現行《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082-2009）[2（]以下簡稱《耐久性能試驗方法》）規定抗凍融試驗分為快凍法和慢凍法[3]。在本次實驗中由于該項目試驗周期較短，需要比較高的效率，并且希望提高試件的重復利用率，因此本實驗摒棄試驗周期長且試件不可再利用的慢凍法，而選擇試驗周期短，效率較高但是操作比較繁瑣的快凍法。

根據國家現行《耐久性能試驗方法》中快凍法規定，本試驗采用100mm×l00mm×400mm試塊，試驗試塊放在標準的養護室進行養護，養護時間為28d，而后進行抗凍融試驗，本次試驗取0、25、50、75、100、125、150次等7階段循環為試驗最終數據（表1）。

表1 立方體試件的抗凍融試驗

本次試驗共取三組試驗試塊分別為：（1）優選組：30%摻量的沙漠砂，20%摻量的鋰渣，1.5kg/m3的聚丙烯纖維。用Y-1來表示。（2）基準組：0%摻量的沙漠砂，0%摻量的鋰渣，0含量聚丙烯纖維。用J-1來表示。（3）對照組：30%摻量的沙漠砂，0%摻量的鋰渣，0含量聚丙烯纖維。用D-1來表示。

在凍融循環作用下，根據質量、強度及動彈性模量的改變率去判定抗凍融性能的強弱。每25次凍融循環對試塊的質量、強度指標、凍彈性模量進行測量。對質量損失率、強度損失率及相對動彈性模量通過數據進行計算和分析[4]。

從圖1可知，本試驗的三組混凝土試件在質量指標方面隨著凍融循環次數的增長均在不同程度地減少，并呈下降的趨勢。隨著凍融循環次數的增加，混凝土試件的質量損失率在逐漸增高。其中對照組的混凝土試件質量損失率比基準組和優選組質量損失率增長得快。優選組的質量損失率上升得最慢。抗凍融破壞性較大的是D-1、J-1組，抗凍融破壞性較小的為Y-1組。立方體抗壓強度及損失率見表2，立方體試件凍融循環后抗壓強度損失率見圖2。

圖1 立方體試件凍融循環后質量損失率

表2 立方體抗壓強度

由圖2可知，三組試件在6次凍融循環的作用下，混凝土試件J-1、Y-1、D-1三組抗壓強度數據均呈現上升減慢的趨勢。隨著凍融循環次數的逐漸增多，立方體抗壓強度損失呈逐步遞增趨勢，混凝土試件抗壓強度損失率在不斷地增高，其中J-1組曲線升高的幅度迅速，表明J-1組在凍融循環次數不斷增加的情況下其混凝土抗壓強度的損失率也在不斷增大，同D-1和Y-1組比較而言其損失率最大，意味著該組抗凍融破壞的性質最差。其中Y-1組相對其他兩組數據曲線升高的幅度較小，同D-1和J-1組比較而言其損失率最小，意味著該組抗凍融破壞的性質最好。動彈性模量值見表3，立方體試件凍融循環后相對動彈性模量見圖3。

圖2 立方體試件凍融循環后抗壓強度損失率

表3 動彈性模量值

圖3 立方體試件凍融循環后相對動彈性模量

由圖3可知，三組試件在凍融循環的作用下，隨著循環次數的增加其動彈性模量指標呈下降趨勢[5]。J-1組曲線的降低幅度最大，表明在凍融循環次數不斷增加的情況下，J-1組的動彈性模量的損失是最大的，因此該組的抗凍融破壞性的指標相對于其他兩組數據較差。Y-1曲線降低的幅度最小，表明在凍融循環次數不斷增加的情況下，J-1組的動彈性模量的損失是最小的，因此該組的抗凍融破壞性的指標相對于其他兩組數據較好。

3 結果分析

在此次抗凍融試驗過程中，對混凝土試件外形進行觀測發現，在凍融循環實驗達到第25次時，D-1、J-1、Y-1三組試件表面均較為光滑，沒有出現明顯的變化，極個別有表面漿皮脫落的情況。其中Y-1組也沒有出現聚丙烯纖維外露的情況。在實驗達到第50次時，D-1、J-1、Y-1三組試件表面都出現了一些微小的裂縫，大多數試件表面的漿皮出現了脫落的現象，其中Y-1組的聚丙烯纖維有少量外露現象。在實驗達到第75次時，D-1、J-1、Y-1三組試件表面粗糙呈多孔狀，試件表面的漿皮脫落較多，混凝土試塊的細骨料外露，Y-1組的聚丙烯纖維有大量外露的現象。在實驗達到第100次時，D-1、J-1、Y-1三組試件出現大量的粉末形狀的殘渣，漿皮大量地脫落。混凝土試塊的粗骨料外露。其中Y-1組的聚丙烯纖維有大量外露，但是對比D-1、J-1組試塊形態相對完整。在實驗達到第125次時，D-1、J-1、Y-1三組試件均有不同程度的碎塊掉落現象。其中Y-1組相對于D-1、J-1組的碎塊掉落情況較少，只出現大量的裂縫。在實驗達到第150次時，D-1、J-1、Y-1三組試塊表面均已無漿皮。其中D-1、J-1、粗骨料結構均已暴露在外，部分骨料已經脫落；Y-1組的骨料也不同程度的脫落；但是加入聚丙烯纖維的部分中有大量存留的碎塊。由此可知Y-1組的外觀測定要優于D-1、J-1兩組。

通過對試驗數據的分析可知：對于摻入了沙漠砂、鋰渣、聚丙烯纖維的混凝土試件經過凍融循環次數的增加，其混凝土試件的質量損失率、強度指標、動彈性模量損失率相對其他兩組數據來說都減少得小。在考慮了各項指標后對試件抗凍融性能破壞指標進行排序為Y-1＞J-1＞D-1[6]。

4 結束語

研究了沙漠砂+聚丙烯纖維+鋰渣混摻混凝土的抗凍融性，試驗結果表明：當沙漠砂替代率為30%時，試件力學及耐久性能最優異；在試驗中將沙漠砂、聚丙烯纖維和鋰渣進行混摻，混摻混凝土試塊強度損失率比不摻混凝土試塊的強度損失率下降得慢；混摻混凝土試塊質量損失率比不摻混凝土試塊的質量損失率也下降得慢。結論是：在沙漠砂混凝土中摻入聚丙烯纖維與鋰渣有利于提高混凝土的抗凍融性。