硅粉对道路混凝土抗盐冻性能的影响.pdf

第 3 7卷 ， 第 6期 2 0 1 2年 1 2月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 7No 6 De c ， 2 0 1 2 硅粉对道路混凝土抗盐冻性能 的影响 谢 国栋 ， 韩超 ( 1 天津市市政工程设计研究院 ， 天津3 0 0 0 5 1 ； 2 江苏省交通 科学 研究 院股份有限公司 ，江苏 南京2 1 1 1 1 2 ) 摘要 】以盐溶液 为冻融介 质， 并在冻 融循环后 对不 同硅粉掺 量 的混凝土 试件 进行相 对动 弹模量 、 抗 压强 度 、 劈裂强度 、 抗折强度等测试 ， 比较分析 了不 同硅粉掺量 的混 凝土试 件的抗 盐冻性 能 ， 进 而给 出合 适的硅粉 掺量 建议值。通过试验 ， 认为 当质量损失率不足 5 时 ， 各强度指标均有大幅下降 ； 当相对动 弹模 量未下降 至 6 0 以下 时 ， 抗折强度仍有较大幅度 的下降 ， 因此建议评价混凝土抗冻性时应考 虑强度指标特别是抗折强度的下降。 关键 词硅粉 ； 盐冻 ； 质量损 失率 ； 抗折强度 ； 评价指标 【 中图分类号 U 4 1 4 1 文献标识码 】A 【 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 2 1 4 0 4 I n f l u e n c e o f S i l i c a Fu m e o n S a l t Fr o s t Re s i s t a n c e o f Ro a d Co n c r e t e XI E Gu o d o n g ，HAN Ch a o 。 ( I T i a n j i n Mu n i c i p a l E n g i n e e r i n g D e s i g n& R e s e a r c h I n s t i t u t e ，T i a n j i n 3 0 0 0 5 1 ，C h i n a ； 2 J i a n g s u T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e C O L T D， N a n j i n g ， J i a n g s u 2 1 1 1 1 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t R e l a t i v e d y n a m i c e l a s t i c m o d u l u s ， c o mp r e s s i v e s t r e n g t h ， c l e a v a g e s t r e n g t h a n d fl e x u r a l s t r e n g t h o f c o n c r e t e wi t h d i f f e r e n t a d mi x t u r e a mo u n t s o f s i l i c a f u me we r e t e s t e d a f t e r f r e e z e t h a w c y c l e s i n s a l t s o l u t i o n，a n d t h r o u g h t h e c o mp a r i s o n a n d a n a l y s i s ，t h e s a l t f r o s t r e s i s t a n t p r o p e rty o f c o n c r e t e wi t h di f f e r e n t a d mi x t ur e a mo un t s o f s i l i c a fume we r e o b t a i n e d，a n d s u g g e s t e d v a l u e s o f a d mi x t u r e a mo un t s we r e g i v e nTh r o u g h t e s t s wh e n t h e l o s s r a t e o f ma s s wa s l o we r t h a n 5o r r e l a t i v e dy n a mi c e l a s t i c mo du l us wa s h i g h e r t h a n 6 0 ，t h e s t r e n g t h i n d e x，e s p e c i a l l y t h e fle x u r a l s t r e n g t h we r e d r o p t g r e a t l y，8 0 fle x u r a l s t r e ng t h s h o u l d b e c o ns i d e r wh e n f r o s t r e s i s t a n c e we r e e v a l u a t e d K e y w o r d s s i l i c a fume ； s a l t f r o s t ；l o s s r a t e o f m a s s ； fl e x u r a l s t r e n g t h ； e v a l u a t i o n i n d e x O 前言 所得试验结果进行了比较分析。 水泥混凝土路面由于其耐久 、 强度高、 造价相对 低等优点在我国有着广泛分布， 但 由于我国地域辽 阔， 北方冬季天气严寒且常有雨雪 ， 为防止路面冰雪 导致交通拥堵 ， 影响车辆安全通行， 人们通常会在路 面上大量撒盐 ， 导致水泥混凝 土路面所处的冻融环 境更为恶劣， 使得路面的破坏速度远大于普通 的冻 融破 坏 。 水泥混凝土路面经冻融循环后 ， 常会 出现表面 剥落 、 内部疏松开裂 ， 结构强度降低的情况。为了解 决路面混凝土的抗冻性问题 ， 许 多外加剂和掺合料 开始用于路面混凝土 中， 其 中有种方法就是通过加 入硅粉来提高路面混凝土的抗冻性 。本文根据现有 的研究成果 ， 对不同硅粉掺量的混凝 土试件在盐溶 液 中进 行冻融 试验 并 进 行 相 关 的性 能 测 试 结果 ， 对 1 硅粉的特性及 与混凝土 的作用机理 1 1硅 粉 的 特 性 硅粉 ， 也称微硅粉或硅灰 ， 是从冶炼硅金属的高 炉烟道中收集到的粒径极细的粉尘。硅粉的主要成 分是颗粒极细( 0 1 0 1 5 m) 的无定型的氧化硅， 比表面积约为 2 O2 8 m g ； 硅粉 的质量 为 2 0 0 2 5 0 k g m 。通常硅粉粉末 中含有 8 5 9 5 以上 玻璃态的活性二氧化硅 ， 硅粉细度与二氧化硅 的含 量是衡量硅粉质量好坏的两个重要指标。 1 2硅 粉 与水 泥混凝 土 的作 用机理 硅粉具有极强 的火山灰性能， 当硅粉加入混凝 土后 ， 部分硅粉小颗粒迅速溶解到水中并形成溶液 ， 之后与水泥水化作用产生的 c a ( O H) ，发生化学反 应 ， 生成水化硅酸钙 ( c s I t ) 凝胶 ， 均匀 的分布在 收稿 日期】2 0 1 2 0 4 2 8 【 作者简介 身 f 囤栋( 1 9 8 4 -) 男 山东聊城人 助理工程师 主要研究 疗向 ： 道路没计与研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 谢国栋 ， 等 ： 硅粉对道路混凝土抗盐冻性能 的影 响 2 l 5 水泥颗粒中， 这便是硅粉 的火 山灰效应。有研究表 明 ， 在有硅粉存在 的情 况下， C a ( O H) 随着混凝土 龄期的增 大而趋近 于完全反应。另外混凝 土中 掺入硅粉后 ， 水泥石的粗大孔隙大量减少 ， 这是硅粉 的微填料作用。在大孔隙减少的同时， 超细孔隙增 加 ， 而超细孑 L 隙对水有较大的吸附作用 ， 使水的冰点 降低。从而， 延缓了混凝土的冻融过程， 降低了破坏 应力， 提高了混凝土的抗冻性能 。 2材料选 取及试件制作 为使试验测试结果有较好的可 比性 ， 本研究 中 试验用混凝土试件采用相同的原材料， 即 4 2 5号道 路硅酸盐水泥、 石灰岩碎石、 天然河沙、 U N F 一 5高效 减水剂( 掺量为 1 2 ) 、 水灰 比为 0 3 8 。硅粉加人 方式为内掺法等量代替 ， 五组试件 的硅粉掺量分别 为 0 、 4 、 8 、 1 2 、 1 6 。 试件成型方法 以 公路工程水泥及水泥混凝土 试验规程 为参照 ， 根据本项研究 的试验量， 制作 不同硅粉含量的混凝土试件各 8 4个 ， 其 中 4 2个棱 柱体试件 ， 尺 寸为 1 0 0 m m X 1 0 0 mm4 0 0 mm； 4 2 个立方体试件 ， 尺寸为 1 5 0 mm1 5 0 m m X 1 5 0 m m， 所有试件总数为 4 2 0个。所有试件均在试验室标准 条件下养护， 2 4 d龄期时将试件放在饱和石灰水 中 浸 泡 ， 4 d后 取 出进行 冻 融循环 试 验 。 对于盐冻试 验， 国际上 经常选 用浓度为 3 0 4 0 的 N a C 1 或 C a C 1 溶液 为冻融介 质，国 内杨全兵等通过研究认为， 采用 N a C 1 溶液为冻融介 质时 ， 浓度为 4 的溶液对混凝 土的冻融剥落最严 重 o ， 为研究硅粉混凝 土的抗盐 冻性能 ， 本项研究 中的冻融介质采用浓度为 4 的 N a C 1 溶液。 3试 验结果对 比分析 文献 5 中以质量损失率超过 5 和相对 动弹 性模量的下降 为原来 的 6 0 为评 价水泥混凝土抗 冻性优 良的指标。另有研 究表明 ， 水泥混凝土 试件在冻融循环后 ， 抗压强度 、 劈裂强度 、 抗折强度 特别是抗折强度均有明显下降， 由于这些强度指标 是表征混凝土路面结构强度的重要指标 ， 因此本项 研究在水泥混凝土质量损失 、 相对动弹模量 、 抗压强 度 、 劈拉强度和抗折强度 等五个方面对不同硅粉含 量的混凝土试件进行 了抗冻性分析。 3 1 试 验 方 案 将 2 8 d龄期并用饱 和石灰水浸 泡 4 d的试件 放人浓度为 4 的 N a C 1 溶液进行冻融循环试验， 其 中冻融循环方法采用快冻法 ， 具体如下 ： 在 一2 0 c I = 一 1 6下 冰冻 3 h ， 之后在 5 一1 0 的 N a C 1 溶液中融化 2 h为一次冻融循环 ， 冻融循环的次数 最多为 1 5 0次。每循环 2 5次之后 ， 对各组混凝土试 件进行相应的测试 ， 其 中包括对所有试件称重 ， 对棱 柱体试件进行相对动弹性模量测试和抗折强度测试； 对立方体试件进行劈拉强度测试和抗压强度测试。 由于测试采用 的各试件之间有个体差异 ， 所 以 对每组相同硅粉含量的混凝土试件在经过一定次数 的冻融循环后统计 测试结果时， 质量损失率 为此组 所有混凝土试件 ( 6个棱柱体试件与 6个立方体试 件 ) 的平均质 量损失率 ； 每次相对动弹模量测试和 强度测试的试件数为 3个， 取平均值为比较依据 。 3 2试验 结果 通过测试过程可看出， 冻融循环次数较少时， 混 凝土试件表皮的剥落现象并不 明显， 但当冻融循环 次数逐渐增多时， 不同硅粉含量的混凝土试件开始 出现不同程度的剥落， 且剥落速度逐渐加快 ， 当冻融 循环 进行到 1 0 0次时 ， 没有硅粉掺量 的水泥混凝土 试件表皮剥落现象已经非常严重 ， 开始露出骨料 ， 而 加入硅粉的试件 ， 仅有硅粉掺量为 4 的试件在第 1 3 2次循环后 出现骨料裸露的现象 ， 其他硅粉掺量 的混凝土试件出现不同程度 的麻面， 但无骨料露出 现象 。测试完成后 ， 各指标统计结果见图 1一图 5 。 术 、 芏 惫 1 删 翻 5 教 需 莨 0 2 5 5 0 7 5 1 0 0 1 2 5 l 5 0 冻融循 环次数 ， 次 1 冻 融循环对 混凝 土质量损失的影响 i n flue n e e o f f r e c z e t h a w t o c o n c r e t e ma s s l o s s 0 2 5 5 0 7 5 1 0 0 l 2 5 l 5 0 冻 融循环次 数 次 图 2 冻融循环对混凝土相对动弹模量的影响 Fi g u r e 2 i n f l u e n c e o f f r e e z e t h a w t o c o nc r e t e r e l a t i v e d y n a mi c e l a s t i c mo du l u s m 如 图 、 丑 卿蟋 加 鲫 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 1 6 公路工程 3 7卷 l 2 0 l 0 0 丑8 0 嚣6 0 量4 o 撼 2O Fi g ur e 3 l 2 0 1 0 0 羞 8 0 嚣 6 0 蟛 4 0 瓠 2 0 O i n flue n c e o f f r e e z e t h a w t o c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r en g t h 0 2 5 5 0 7 5 1 0 0 l 2 5 1 5 0 冻融循环次数 次 图 4 冻融循环对混凝土劈裂强度的影响 Fi g ur e 4 i nflu e n c e o f f r e e z e t ha w t o c o nc r e t e c l e a v a g e s t r e ng t h l 2 0 l 00 奎8 0 瑙 6 0 譬 4 0 20 O 0 2 5 5 0 7 5 1 0 0 l 2 5 1 5 0 冻融循环次数 次 图 5冻融循环对混凝土抗折强度的影响 Fi g u r e 5 i n flu e n c e o f f r e e z e - t h a w t o c o n c r e t e fle x u r a l s t r e n g t h 从以上试验结果可 以看 出：除 了质 量变化 以 外 ， 相对 动 弹模量 和 各 强度 指 标 均 随 着冻 融 循 环 次 数的增加而下降 ， 并且下降速度是逐渐增快的。由 图 1 可以看出 ：当冻融循环次数较少时， 不同硅粉 含量的混凝土试件质量 变化趋势有所不 同， 其 中硅 粉含量为 8 、 1 2 、 1 6 的混凝土试件的质量有所 上升 ， 当 】 5 0次冻融循环结束时， 加人硅粉的混凝土 试件质量最大损失率为 3 6 9 ， 而未加人硅粉的混 凝土试件的质量损失率为 7 2 0 ， 说 明加入硅粉的 混凝土试件抗剥落性有较好的改善。 由 图 2一图 4可看 出 ：随着 冻 融 循 环 次数 的增 加， 混凝土试件的柜对动弹模 量、 抗压强度 、 抗劈裂 强度 3个指标下降趋 势比较相近， 没有加入硅粉 的 混凝土试件的下降速度和程度是最大的， 4 硅粉掺 量的混 凝 土试 件 次之 ， 当循 环 次 数 较 少 时， 8 、 1 2 、 1 6 不同硅粉掺量的各强度指标下 降幅度均 相差不大 ， 但 当冻融循环次数增长到 1 0 0次 以上 ， 1 6 硅粉掺量的混凝土试件 的抗压强度、 劈裂强度 和抗折强度的下降速度与幅度有 明显增 大， 抗冻性 能甚至不如 8 、 1 2 硅粉掺量的混凝土试件 。 在所有进行冻融循环试验的试件 中， 只有没加 入硅粉的混凝 土试件在 1 2 5次、 1 5 0次冻融循环后 的质量损失率超过 了 5 ， 然 而质量损失率没 有超 过 5 的试件 中， 相对 动弹模量、 抗压强度 、 劈 裂强 度 、 抗压强度的最大损失率分别为 4 1 1 、 5 4 3 、 5 0 8 、 7 1 0 。在相对动弹模量未下 降到 6 0 以 下时， 试件的抗压强度、 劈裂强度、 抗压强度 的最大 损失率分别为 2 2 6 、 2 6 7 、 5 1 1 。这表明， 以 5 质量损失率或相对动弹模量下降为原来 的 6 0 为冻融破坏的临界值是过于宽松的， 当试件 的破坏 达不到这两个临界值 时， 冻融循环仍然可 以引起强 度指标的大幅下降。 由图 5中可以明显看出：经过一定次数的冻融 循环试验后 ， 试件抗折性能的下 降幅度远远要 大于 试件的质量损失率与其他几个强度指标 ， 当冻融循 环次数为 1 5 0次时 ， 五种不 同硅粉掺量的试 件抗折 强 度 分 别 为 原 来 的 1 3 、 2 9 、 4 8 9 、 5 5 3 、 41 1 。 由于水泥路面混凝土板在实际应用中， 常会 因 为结构强度的不足 ， 特别是抗折能力 的不足而发生 裂缝、 断板等严重病害， 所以评价混凝土抗冻性能时 考虑混凝土强度性能的下降也是非常有必要的。 4 结 论 本文通过对不同硅粉掺量的水泥混凝土试件进 行冻融循环并测试多个性能指标 ， 进而分析了不同 硅粉掺量混凝土试件 的抗冻性能 ， 评价 了混凝土试 件质量损失率达到 5 时， 相对动弹模 量和各强度 指标的下降幅度。依据试验测试过程及数据分析结 果 可得 出 以下结论 与 建议 ： 试验表明， 混凝土中加人硅粉可以在质量损 失 、 相对动弹模量 、 抗压强度 、 劈裂强度 、 抗折强度等 五个方面有效的提高其抗冻性 。 根据 试验结 果与 分析 ， 硅粉 掺量 为 8 l 2 之 间为 宜 ， 过 高 掺 量 的硅 粉 混 凝 土其 抗 冻 性 能 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 谢 国栋 ， 等 ： 硅粉对 道路混凝土抗盐 冻性能的影响 2 1 7 ( 上接 第 1 3 3页) 长 $ m a x ( 或最大纵坡 i 。 ) ， 则实际设计 中选 s s ( 或 i i ) ， 即可以保证汽车行驶安全。 Fi g u r e 1 Th e g r a p h o f t he r e l a t i o n o f s l op e l e ng t h s， s l o p e i a n d v e l o c i t y v d 5 结 论 根据风压对汽车行驶稳定性分析， 提出风压 影响下陡坡接小半径汽车安全行驶模 型， 并根据车 辆在风压影响下的实际运行速度进行选 用技术指 标 。 将风压影响下陡坡 接小半径汽车安全行驶 模型应用到工程实例中， 并用 M A T L AB对模型进行 仿真绘制 出“ 坡长、 坡 度与速度 ” 、 “ 速度与 曲线半 径” 的关系图。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 f d l k inh 一 ) 图 2 速度 d 与平 曲线半径 矗的关 系 F i gu r e 2 Th e gr a ph o f 1 he r e l a t i on o f v el o c i t y a n d h o r i z o n t a l 0 ” lJ l r a di us R 参考文献 J T G D 2 0 2 0 0 6 ， 公路路线设计规范 S G B 5 0 0 0 9 2 0 0 1 ， 建筑结构荷载规范 S J T G B 0 12 0 0 3， 公路工程技 术标准 S 慕慧山区公路分离式断 面最 大坡长 的限制 D 西安 ： 长 安大学 ， 2 0 0 3 丁庆 国基 于汽车行驶稳定性 的公路平纵 组合线形 设计指标 研究 D 哈尔滨： 哈尔滨工业大学 ， 2 0 l O 慕 慧 公路弯坡路段线形设计 J 长安大学学报 ( 自然科学 版 ) ， 2 0 0 7， 2 7 ( 2 ) ： 2 7 2 9 郑柯 ， 彭立 高速公路连续下坡路段运行 速度协调性 评价 分析 J 公路工程 ， 2 0 1 1 ， 3 6 ( 6 ) ： 4 9 5 0 董城 ， 邹静蓉 ， 高琼 ， 等 基于运行速 度的高速公路安全性 评 价探讨 J 公路工程 ， 2 0 0 9 ， 3 4 ( 4 ) ： 6 4 6 7 刘志强 ， 王运霞 ， 黄成 双 车道公路线 形连续 性 及舒适性 评 价研究 J 公路工程 ， 2 0 0 8 ， 3 3 ( 5 ) ： 4 6 4 7 屈 强基于运行速度的I I 】 区高速公路长大纵坡路段安全设 计研究 D 西安 ： 长安大学 ， 2 0 1 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m