高速公路水泥混凝土抗凍融技術研究

收稿日期：2024-01-11

作者簡介：吳廷科（1986—），男，本科，工程師，研究方向：試驗檢測。

摘要 為進一步探究高寒地區高速公路工程建設中水泥混凝土抗凍融技術的提升策略，文章結合該情況下混凝土存在明顯凍融循環過程的現狀，考慮應用續玄武巖纖維（CBF）為摻雜料以增強混凝土抗凍融性能。并通過多組平行實驗對混凝土配合比進行優化設計，確定當CBF摻雜量為0.3%時，所制備的水泥混凝土在保證抗壓強度的同時，具有相對較高的抗凍融能力。從實際測試結果也可以看出，按照該配方制備的混凝土在綜合性能上較具優勢。

關鍵詞 高速公路工程；水泥混凝土；抗凍融

中圖分類號 TU528文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0122-03

0 前言

在很多地區的高速公路工程建設中，受到季節變化的影響，工程所用混凝土都存在明顯的凍融循環過程，長此以往則容易出現凍脹現象，對于混凝土結構的可靠性較為不利。針對這一問題，其關鍵在于結合具體的應用環境，合理調整混凝土的配合比，以確保混凝土材料在抗壓強度等指標滿足需要的同時，具有更高的抗凍融能力。

1 實驗材料及配合比設計

該文主要針對某高寒地區高速公路工程建設中使用的C30混凝土進行研究。結合相關文獻資料，為提升該工程中的混凝土抗凍融性能，以連續玄武巖纖維（以下簡稱CBF）為摻雜料以增強混凝土抗凍融性能。選取該材料的主要原因是，當地制造CBF的原材料天然火山噴出巖較為易得，直接利用鉑銠合金拉絲漏板將原材料在1 450～1 500 ℃高溫下熔融后，快速拉拔即可制得。

因此，以CBF為摻雜料，并結合實際情況，對混凝土原材料做如下選取：①膠凝材料選用P.O42.5水泥。②細骨料選用石灰巖機制砂（MS）機制砂，細度模數為2.9，石粉含量為6.2%，表觀密度為2 610 kg/m3，堆積密度為1 680 kg/m3；粗骨料為單級配石灰巖碎石（CA，粒徑分別為4.75～9.5 mm、9.5～16 mm、16～19 mm和19～26.5 mm）。③外加劑選用PC-200型粉體聚羧酸高性能減水劑。

在選定原材料后，按照工程特點、原材料的質量和施工方法等因素，并參考普通混凝土的配合比設計方法，根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011）進行理論計算和試配確定，設計普通混凝土（以下簡稱PC）和三種不同的BFRC混凝土（即摻雜了CBF的混凝土），其中三種BFRC混凝土的體積摻量分別為0.1%、0.2%和0.3%，即用密度折合成摻量為2.65 kg/m3、5.3 kg/m3和7.95 kg/m3。混凝土配合比具體如表1所示：

表1 混凝土配合比（以1 m3混凝土計，單位為 kg）

材料 用量 材料 用量

水泥 460 水 189

砂 543 減水劑 1.38

石子 1209 摻雜CBF 根據實際情況調整

2 試件制作與養護

在確定混凝土配合比后，按照已確定的四個實驗組合設計多個試樣，具體的試樣參數如表2所示。其中，CBF摻雜量以每1 m3混凝土計。

表2 試樣參數表

試件類型 試件尺寸/

mm 試件數量 CBF

體積比/% CBF

摻雜量/kg

PC 100×100×400 3 0 0

BFRC1 100×100×400 3 0.1 2.65

BFRC2 100×100×400 3 0.2 5.30

BFRC3 100×100×400 3 0.3 7.95

同時，為確保試件內部在凍融實驗時的溫度仍可達到預期要求，制作與凍融試件相同規格的測溫試件，并將溫度傳感器插入測溫試件中心。

確定上述試件規格后，按照表1中已確定的配合比，分別對不同類型的試件進行制備，待試件制備成型后，把成型后的試件放在室溫為（20±5）℃的室內放置一到兩晝夜；然后把試件記錄編號后拆下試模，之后迅速放入室溫為（20±2）℃、相對濕度大于95%的養護室進行養護。當試件養護至第24 d時，將試件拿出，然后立刻放入溫度為（20±2）℃的水中浸泡，浸泡完成后進行后續實驗。

3 實驗結果分析

3.1 混凝土試件的抗壓強度分析

在混凝土試件制作完成后，首先對混凝土試件進行抗壓強度測試，該環節使用YES-2000型混凝土壓力試驗機進行測試，將試件放置于下側承壓板的中央，控制試件中心完全重合于試驗機下側承壓板后，設置荷載為0.5 MPa/s進行實驗，待觀察到試件開始急劇變形后停止增加載荷，直至試件發生破壞為止，記錄試件發生破壞瞬間的荷載值，而后按照如式（1）計算混凝土試件的抗壓強度：

（1）

式中，F、F0——混凝土試件的抗壓強度、試件的破壞荷載（MPa）；A——試件的承壓面積（m2）。基于式（1）求出各組試件的抗壓強度后，對每組三個材料參數相同試件的抗壓強度取平均值，得到最終實驗結果如圖1所示：

圖1 不同試件28 d時的混凝土抗壓強度與素混凝土比值

由圖1可知，當混凝土中摻入CBF后，其抗壓強度的提升相對較為顯著，但不同CBF摻量帶來的效果也不一致。相對而言，當CBF體積摻量為0.1%時，混凝土試件的抗壓強度為最高，相較于未摻雜CBF的混凝土提升了4.0%，此后增大CBF摻雜量則導致混凝土抗壓強度開始降低。初步推斷，造成上述現象的主要原因是，在摻入的CBF較少時，CBF纖維能夠對素混凝土在硬化收縮時的微小裂隙進行填補，從而提升抗壓強度；但進一步增加CBF摻量后，更多的纖維結構將混凝土內部孔隙割裂為數段，導致混凝土內部出現更多細小裂紋，使得混凝土抗壓強度反而降低[1]。從整體變化趨勢來看，CBF摻量對于混凝土的整體抗壓強度仍然表現出正面影響，因此在混凝土中摻雜CBF較為可行。

3.2 混凝土試件的相對動彈性模量分析

在相對動彈性模量測試環節中，使用液氮快速凍融實驗的方式進行，將液氮噴灑到樣品上使其冷凍，隨后在45～50 ℃的溫水中浸泡5 min進行解凍。從溫水中取出試件并用布塊擦拭表面，在距試件底部5 mm處安裝傳感器，并通過透射法測量超聲波的傳播時間，記錄傳感器之間的距離，最后計算超聲波傳播速度。由此，應用以下公式對混凝土試件的相對動態彈性模量E進行計算：

（2）

式中，VLo、VLn——實驗前的超聲波傳輸速度、第n個周期的超聲波傳播速度（km/s）。基于上述實驗步驟重復多次進行，直至E值下降至初始值的60%以下或實驗循環次數達到150次，滿足任意條件之一則停止實驗，記錄此時的相對動態彈性模量值作為測試結果。

在得到各組試件的測試結果后，對數據進行匯總整理，得到實驗結果如圖2所示：

圖2 不同混凝土試件相對動彈性模量與

凍融循環次數的關系

根據圖2，在混凝土中摻入CBF后，混凝土試件的相對動彈性模量也相應發生變化。當凍融循環次數達到100次時，未摻雜CBF的混凝土相對動彈性模量只有初始值的43.7%左右，但摻雜CBF的三組試件仍然保持著60%以上的相對動彈性模量。當循環次數達到終止值（150次）時，摻雜CBF的混凝土相對動彈性模量已經不再存在，而此時摻雜CBF的三組試件仍然分別保持著40.5%、45.0%和51.3%的相對動彈性模量。在此基礎上，進一步通過內插法，對上述三組摻雜BCF的混凝土試件的凍融破壞標準進行計算，結果顯示，三組試件的凍融破壞標準分別為102次、126次和134次。因此，可以認為CBF的摻入對于改善混凝土的抗凍融性能較為突出，且在CBF摻量為0.3%時，混凝土的抗凍融破壞能力相對較優。

3.3 混凝土試件的質量損失率分析

在上節液氮凍融實驗的基礎上，同時對凍融實驗中循環次數分別為25次、50次、75次、100次、125次和150次時的混凝土試件質量進行測試，并將測試結果與混凝土試件質量的初始值進行對比，以計算質量損失率，公式如下：

（3）

式中，wo、wn——凍融循環實驗前的混凝土試件質量、在特定循環次數下的混凝土試件質量（kg）。通過式（3）計算出結果后，對每組三個材料參數相同試件的計算結果取平均值，得到質量損失率的測試結果如圖3所示。

根據圖3可知，當增加CBF體積摻量后，混凝土的質量損失率呈現出逐步下降的趨勢。這表明隨著CBF含量的增加，混凝土的抗凍性能得到了更為顯著的提升[2-3]。由此也可以推斷出，當CBF摻量為0.3%時，混凝土的抗凍耐久性能相對更優。

圖3 不同類型試件在不同循環次數下的質量損失率

3.4 混凝土在復雜條件下的抗凍融性能分析

考慮混凝土在實際使用過程中面臨的環境因素復雜度顯著高于常規實驗條件，因此在該環節實驗中，通過引入5%氯化鎂和5%硫酸鈉混合溶液模擬外界腐蝕條件的情況，以分析混凝土在復雜條件下的抗凍融性能。對此，將混凝土中的CBF摻雜量設置為0.3%，以制作一組新試樣，將其與素混凝土試樣進行對比。同時，控制凍融實驗條件和步驟保持不變，以此分析該次制備的混凝土在復雜條件下的抗凍融性能，得到實驗結果如圖4所示：

圖4 不同混凝土試件在復雜條件下的抗凍融性能對比

根據圖4，在引入鹽溶液構建復雜條件后，常規素混凝土（圖4中的PC）的相對動彈性模量進一步呈現出快速下降的特點，凍融循環86次與常規實驗條件的約100次相比進一步降低。而此時摻雜了0.3%CBF的混凝土在凍融實驗循環400次后，仍然具有較高的相對動彈性模量。初步推斷，造成上述現象的主要原因可基于以下內容予以解釋：通過使用氯化鎂和硫酸鈉的組合，實現了混凝土中氯鹽和硫酸鹽的雙重效益。這一方法不僅有效地降低了混凝土的冰點，還在其凍融過程中有效地防止了氯離子和鎂離子的遷移。因此，這種處理方式減緩了混凝土內部結構的腐蝕速度，使得其動彈性模量下降得更為緩慢，從而延長了其凍融耐久性，能夠抵御超過400次的凍融周期。

在此基礎上，進一步從質量損失率的角度入手，分析兩種試件在不同循環次數下的質量損失率變化，由此得到分析結果如圖5所示：

圖5 不同試件的循環次數與質量損失率的對應關系

根據圖5中的質量損失率變化情況，由于PC試件中的抗腐蝕能力較差，因此在腐蝕作用下，PC試件表面出現了嚴重的剝落現象，導致PC試件的質量損失率明顯升高。而在摻雜了CBF的混凝土試件中，其質量損失率則出現了負數，這并非測量誤差，而是源于混凝土試件在凍融循環過程中，混凝土表面出現的微裂紋對于測試環境中的水分與鹽分產生了較為明顯的吸附作用，且這種作用在初始階段強于混凝土表面的剝落作用，因此表現出質量損失率為負值（即混凝土試件質量上升）的情況。初步推斷，造成這種現象的主要原因是，CBF由于其卓越的耐酸堿腐蝕性能，在混凝土中的分布纖維不會因鹽溶液腐蝕而發生顯著的質量變化。

4 結束語

該文結合某地高速公路水泥混凝土施工中面臨的高寒及環境腐蝕等不利條件，以提升水泥混凝土抗凍融能力為目標，通過摻雜連續CFB的方式進行水泥混凝土抗凍融技術的研究，并通過多組平行實驗確定了較優的參數組合，以此將優化參數的混凝土投入實際應用。從實際應用結果來看，該文設計的混凝土材料在高寒條件下的高速公路工程施工中表現較優，具有一定的現實意義。

參考文獻

[1]鄧祥輝， 張鵬， 王睿， 等. 青藏高原地區纖維混凝土抗凍耐久性試驗與損傷模型研究[J]. 硅酸鹽通報， 2023（9）： 3143-3153.

[2]汪堯， 黎圣君， 葉敏， 等. 凍融循環下混凝土細觀結構演化及力學損傷特性研究進展[J]. 科學技術與工程， 2023（14）： 5853-5874.

[3]楊琦， 李克非. 引氣混凝土在自然條件下的吸水模型研究[J]. 工程力學， 2022（5）： 159-166+176.