融雪剂对不同水泥混凝土抗冻性能影响研究.pdf

第 4 O 卷 ， 第 2期 2 0 1 5年 4 月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 4 0，No 2 Ap r， 2 0 1 5 融雪剂对不 同水 泥混凝土抗冻性能影响研究 段 永灿 ( 河南 中原高速公路股份有限公司 ， 河南 郑州4 5 0 0 0 6 ) 摘要 目前最 为常见的道路 、 桥梁 构造物 的清雪方式是撒布融雪剂 ， 但融雪剂溶于雪水后会对 混凝 土造成 严重侵蚀 ， 降低构造物承载能力以及服务水平 。针对这一情况 ， 对 不 同水 胶 比以及掺有 不同矿物 搀和物 的混凝 土 进行 了盐 溶液冻融试验 ， 并测定 了相对动弹模 量变化率以及质量变化率。结果显示 ， 混凝土水胶 比越小 ， 混合料 的 抗盐 冻性 能越优 良； 矿物掺合料可以有效 的改善混凝 土的抗 冻性 ， 而 F A与 S F混掺 混凝土 的抗 冻性能 略优 于 F A 单 掺混凝 土。 关键词混凝土 ； 融雪剂 ； 抗 冻性 ； 水胶 比； 矿 物掺合物 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 5 ) 0 2 0 2 9 2 0 3 Re s e a r c h o n I n flu e n c e o f S n o w M e l t i n g Ag e n t t o Di ffe r e n t Ce me n t Co n c r e t e i n Fr o s t Re s i s t a ne e Pe r f o r m a n c e DUAN Yong c an ( H e n a n Z h o n g y u a n E x p r e s s w a y I n c o r p o r a t e d C o m p a n y ， H e n a n P r o v i n c e ， Z h e n g z h o u ， H e n a n 4 5 0 0 0 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t N o w， t h e c o m mo n m e t h o d o f s n o w c l e a n i n g o n t h e p a v e me n t o r b r i d g e i s t o d i s p e n s e t h e s n o w- me l t i n g a g e n t whi c h ma y c o r r o d e t h e c o n c r e t e s i g ni fic a n t l y，a nd d e g r a d e t h e l o a d i n g c a pa c i t y a n d s e r v i c e l e v e 1 Ai mi n g t o t h i s c o n d i t i o n，t h i s p a pe r b a s e o n t he t e s t o f d i ffe r e n t wa t e r - b i n d e r r a t i o a n d rai n e r a l a d mi x t u r e c o n t e n t i n b r i n e s o l u t i o n o f f r e e z e t h a wi n g，a n d t h e c ha n g e r a t e o f d y n a mi c mo d u l u s a n d q u a l i t y wa s me a s ur e dTh e r e s u l t s h o ws t h a t c o n c r e t e i n l o we r wa t e r bi nd e r r a t i o c a n r e s i s t f r e e z e t ha wi n g be t t e r i n b r i n e e n v i r o n me n t ；t he mi n e r a l a d mi x t u r e c o n t e n t c a n b e n e fit t he c o n c r e t e p e rfo r ma n c e o f f r e e z i n g r e s i s t a n c e，a n d t h e mi x t u r e o f FA a nd SF p e r f o r m b e t t e r t h a n t h a t o f F A Ke y w o r d s c o n c r e t e ； s n o w m e l t i n g a g e n t ；f r e e z i n g r e s i s t a n c e ；w a t e r - b i n d e r r a t i o ； mi n e r a l a d - mi x t u r e c o n t e n t 在我国北方大部分地区， 最为常见 的道路桥梁 结 构设施 的除雪 办 法 为 撒 布融 雪 剂 ， 雪 剂 是一 种常见的工业粗盐 ， 其 主要成分为 N a C 1 ， 并含 有一 定的 C a C 1 ： 、 Mg C 1 ： 等 ， 融雪剂溶于雪水后 ， 降低 了雪水的凝 冰点 ， 从而达到除雪 的 目的， 但 与此 同 时， 融雪剂盐溶液 中 c l 一 离子对混凝土也存在严重 的侵蚀作用 ， 尤其在冬季低温条件下， 反复的冻融循 环伴随氯离子的侵蚀 ， 会严重影响水泥混凝土路面、 桥面板、 水工构造物等结构 。在盐溶液条件下 ， 混凝土的抗冻性衰减速率远高于普通冻融损坏 ， 在 不采取相应防治措 施的情况下， 水泥混凝土构造物 往往在 12 a内就剥蚀严重 ， 承载能力下降 ， 内部 钢筋 锈蚀严 重 ， 造 成 巨大 的社会 资源浪 费 。 在 国内外的相关研究中， 有研究表明混凝 土的 水胶 比与粉煤灰 、 硅灰等矿物掺合料的掺入 ， 会明显 的影响到混凝土在融雪剂盐溶液下的抗侵蚀能力 ， 改变其抗冻性 ， 但是影响规律并不相同 I 6 。有鉴 于此 ， 本 文通过 制备 不 同水灰 比、 不 同矿物 掺合 料 的 水泥 混凝 土试件 ， 根 据 水 泥 混凝 土所 受 冻 融条 件 设 计实验 ， 并测定其在经历冻融循环后的动弹模量变 化率 和质 量损失 ， 以表征 混凝 土试件 的抗冻 性 。 1 试验原材料 1 1 原材 料 水泥( C) ：山东 山水水泥有限公司生产的普通 硅酸盐水泥 ， 强度等级为4 2 5 ； 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 3 0 作者简介 】段永灿 ( 1 9 6 4 一) ， 男 ， 河南新 郑人 ， 硕士研究生 ， 研究方向 ： 土木工程。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 段永灿 ： 融雪剂对不 同水泥混凝土抗冻性 能影 响研究 2 9 3 ， 粉煤灰( F A ) ： 为济阳县河源化工厂生产分选 2 试验 方法 a k I级 仞 ,M ：t 胍- f r ： ； 一 硅灰 ( s t ) ： 济宁铁合金厂生产 ； 砂( s ) ：中砂 ， 细度模数 2 7， 区级配合格 ； 石 ( G) ：52 5 mm 石 灰 石 碎 石 ， 压 碎 指 标 7 8 。 上述部分材料的化学组成如表 1 所示。 表 1 试验 用水泥、 粉煤灰 以及硅灰化学组成 T a b l e 1 C h e mi c a l c o mp o s i t i o n o f c e me n t ，fl y a s h a n d s i l i c a f ume i n t h e t e s t 1 2融雪 剂溶液 浓度 实验方案确定 中， 需根据实际工况下融雪剂浓 度确定试验 中的盐溶 液浓度 ， 以最大限度 的还原水 泥 混凝 土所 受融雪 剂 侵蚀 的状 态 。通过 查 询相关 融 雪剂撒布规程， 通常状态下每厘米积雪对应 的融雪 剂撒 布量 为 2 0 g m 。而 常规 的雪 水 当量值 为 O 2， 即每厘米积雪 溶化后 可换 算成 积水深 度 0 2 c m。 由上述参数确定 ， 融雪剂盐溶液在实际工况下浓度 为 1 0 g L ， 故本试验中的融雪剂浓度也为 1 0 g L 。 1 3融 雪 剂 组 成 融雪剂通常使用工业粗盐 ， 通过化学成分分析 ， 本 文 中融雪 剂 的主要 成分 如表 2所 示 。 表 2试 验 用 融 雪剂 主 要 成 分 Ta b l e 2 Ma i n c o mp on e n t o f s n o w me l t i ng a g en t 1 4混 凝 土 配 合 比 为 研究 不 同水 胶 比混凝 土 ， 本 文 选 用 了水 胶 比 为 0 3 2 、 0 3 6以及 0 4 0空 白混凝 土 ， 其编 号 分别 为 J 一 3 2 、 J 一 3 6 、 J 一 4 0 。此外 ， 为确定不同外掺剂的掺人 对 混凝 土抗 冻性 的 影 响 ， 在 控 制 水 胶 比为 0 4的情 况下 ， 分别选用了粉煤灰 ( F A) 单掺和粉煤灰 以及硅 灰复合混凝土 ， 其编号分别 为 F A、 F A+s F 。本文中 所用混凝土配合 比如表 3所示。 表 3试 验 用 混 凝 土 配合 比 ( m k g ) Ta b l e 3 Mi x pr o p o r t i o n o f t he c e me n t c o n c r e t e 水胶 比编 号W B C F A S F S G W J一3 2 0 3 2 4 5 0 0 0 6 8 0 l 1 0 6 1 4 4 J一3 6 0 3 6 4 0 0 0 0 6 8 0 l 1 0 6 1 4 4 J一4 0 0 4 3 6 0 0 0 6 8 0 1 1 0 6 1 4 4 FA O 4 2 8 8 7 2 0 6 8 0 l 1 0 6 1 4 4 F A +S F 0 4 2 5 9 2 7 2 2 8 8 6 8 0 l l O 6 1 4 4 2 1冻 融 循 环 机 制 冻融温度控制设备选用 K D R m型混凝土快速 冻融机 ， 试件采用 1 0 0 m m 1 0 0 mm 1 0 0 m m立 方体试件 ， 每组试验设 3组平行试 件， 拆模后 养生 2 8 d 。在冻融过程 中， 为尽可能的模拟真实 自然条 件下的冻融过程 ， 冻融温度介于 一1 8一l 0， 高低 温极限温度分别控温 8 h ， 升降温时间为 4 h ， 每个冻 融 循环 过 程为 2 4 h 。 试 验用混凝土试件处于融雪剂溶液全浸 泡状 态 ， 在冻融循环过程中， 每 1 0个循 环周期更换一次 融雪剂溶液 以保证盐溶液浓度稳定。 2 2混凝 土抗 冻性 测量 指标 本文中混凝土抗冻性的评价指标选取了相对动 弹模量变化率( P) 以及质量变化率 ( ) 。其中， 相 对动弹模量变化率( P) 的计算方法如公式( 1 ) 所示 ： f 一 f P ： 1 0 0 ( 1 ) 山n 其 中： P为经历了 n次冻融循环后 的相对动弹模量 变化 率 为经 历 了 n次 冻 融 循 环 后 混 凝 土 试 件 的 横向 自振频率； 为未经冻融循环混凝土时间的横 向 自振频率。 质量变化率( ) 的计算方法如公式( 2 ) 所示： C 一 G W =_ - = 1 0 0 ( 2 ) b 0 其 中： 为经历了 7 , 次冻融循环后的质量变化率； G 为经历 了 b 次冻融循环后混凝土试件质量； G 。 为 未经冻融的混凝土时间质量。 3 试 验结果及讨论 3 1相对 动 弹模量 变化 率 在混凝 土试件的冻融循环试验 中， 共进行了 4 2 个冻融循环， 每隔 7 d测量一次试验指标 ， 所测不 同 水胶 比空 白混 凝 土相对 动弹模 量 变化 率 以及不 同矿 物掺合料对混凝土抗冻性的影响分别如图 1所示 。 由图 1 ( a ) 中所 示数 据可 以发 现 ， 随 着混 凝 土试 件水胶 比由0 3 2提高到 0 4 0 ， 所测试件 的相对 动 弹模量变化率 的变化逐渐增大 ， 在试验初期 ， 0 3 6 与 0 4 0试件水胶 比试件的相对动弹模量变化率相 近， 均大于 0 3 2试件组 ， 但随着冻融循环次数 的增 加 ， 0 4 0水胶 比组试件 的相 对 动 弹模 量 变 化速 率 逐 渐升高 ， 最终整体趋势体现为， 水泥混凝土的抗冻性 随着水胶 比的提高而下降。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 9 4 公路工程 4 O卷 而 由图 1 ( b ) 中所示外掺剂对水泥混凝 土抗冻 性的影响中， 可以发现混凝土经过粉煤灰 以及硅灰 等矿物掺合料的二次水化后 ， 其在融雪剂溶液作用 下的抗冻性能明显提高 ， 且优于通过调整水胶 比而 得到的抗冻性提高。而在矿物掺合料的抗冻性改善 效果对比中 ， 可以发现 F A与 s F混掺 的混凝 土抗冻 性能要略优于 F A单掺混凝土。 、 褂 删 教 需 冻融次数 ， 次 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 冻融 次数 次 ( a )不同水胶 比空 白混 凝土 ( b ) 不 同矿物掺 合料对 混凝 土 相对动弹模量变化率对比 相对动弹模量变化率影响对 比 图 l 不 同水胶 比和不 同矿物掺合料分别 对混凝土相对 动 弹模 量变化率对 比 Fi g u r e 1 Co mpa r a t i o n o f t h e c ha n g i n g r a t e o f d y na mi c mo du l u s o f bl a n k c o n c r e t e i n di ffe r e n t wa t e r b i n d e r r a t i o a n d c o mpa r a t i o n o f t h e c h a n g i ng r a t e o f dy na mi c mo du l u s o f c o n c r e t e s mi xe d wi t h di ffe r e nt mi n e r a l a dmi x t u r e s 通 过 查 阅 相关 混凝 土抗 盐 冻 性 能 的研 究 文 献 中， 发现在毛细管吸水试验 中， 含 盐量较高 的试验 组 ， 到达 平衡 的试 件 较 快 ， 所需 饱 水 时 间较 短 ， 而在 失水 时， 则平衡时间长， 难 以失水。该试验结果说 明 ， 处 于融 雪剂盐 溶液 中的混 凝土试 件 ， 内部饱 水度 高于元 盐 时 ， 在冻 融 过 程 中 ， 内部 可 冻水 更 多 ， 由此 而导致的在盐冻过程中， 混凝土空隙内部的冻结压 更强 ， 从而造成混凝土内部的结构性损坏。此外， 处 于盐溶液中的混凝 土试件 内外存在浓度差 ， 冻结 时 会产生额外的应力差， 改变 了混凝 土在冻融损坏过 程中的动弹模量以及质量损失 ， 但并未从本质上改 变 混凝 土 的损坏 机理 。 在 不 同水胶 比的试验 中 ， 通常水 胶 比越小 ， 混凝 土空隙率越低 ， 所受冻结压更小， 从而造成的损坏较 小 。 同理 ， 掺入 了 S F与 F A 的混 凝 土 ， 由 于 发 生 了 二次水化作用 ， 改善了混凝土的空隙分布， 降低了空 隙率 ， 提高混凝土的密实性 ， 所渗入的盐溶液更少 ， 导致的混凝土损伤更小。 3 2质量 变化 率 在混 凝 土 的冻 融 循环 过 程 中 ， 同样 每 7个 循 环 测定 一次 质量 变化 ， 所 测 不 同水 胶 比空 白混 凝 土 质 量变化率以及外掺矿物掺合料的影响分别如图 2所 刁 o 、 瓣 咖 悠 冻融次 数 次 冻 融次数 次 ( a )不同水胶 比空白混凝土 ( h )不同矿物掺合料对水泥 质量变化率对比 混凝土质量变化率影响对比 图 2 不同水胶 比和不 同矿物掺 合料分别对水泥混凝土 质 量变化 率影响对 比 Fi g u r e 2 Co mp a r a t i o n o f q u a l i t y c ha ng i n g r a t i o o f bl a n k c o n c r e t e i n di f f e r e n t wa t e r bi n de r r a t i o a n d C O mp a r a t i o n o f qu a l i t y c h a ng i n g r a t i o o f c o n c r e t e i n di ffe r e n t mi ne r a l a d mi x t u r e 由 图 2所示 随 冻 融循 环 的进 行 ， 混 凝 土试 件质 量的变化率随水胶 比的减小而逐渐增大 ， 随着矿物 掺合料的掺人而降低 ， 其中 F A与 s F混掺的混凝土 随着冻融循环次数的不断提高 ， 在冻融循环次数超 过 3 0次时， 其质量损失低于 F A单掺混凝 土， 由质 量损失所反应的混凝土在盐冻循环作用下的结构损 伤与相对动弹模量变化率具有相似的规律。 通过对 比相关研究 ， 发现本文中所测试验结果 明显大于水冻融下的混凝土质量损失 ， 而在实际情 况下 ， 即使混凝土处在低浓度盐溶液的条件下， 经过 自然温度变化的影响 ， 其表面尚且严重剥落 ， 而试验 室的冻融强度要大于 自然环境 ， 所引起 的质量损失 更为严 重 。此外 ， 由于 试验 用 融 雪 剂 溶 液 的 主要 成 分为 N a C I ， 其对混凝 土的侵蚀尤 为严 重， 常常导致 混凝土表面起砂变酥并脱落， 使得 内部粗集料暴露 。 这是因为氢氧化钙在融雪剂溶液中溶解度大 ， 置于 氯盐中的混凝土， 其表面的氢氧化钙会 与氯化钠反 应生成氢氧化钙， 一方 面其 表面被侵蚀 ， 增 大空隙 率 ， 提高结冰量 ， 加剧混凝土的结构破坏； 另一方面， 该反应也夹具了混凝 土的质量损失。其次 ， 相关研 究表明 ， 盐溶液凝冰塑性小 ， 变形能力差 ， 限制膨胀 的作用力绝大部分需要由混凝 土孔壁承受 ， 导致混 凝 土破 坏 ， 质量 损失 加大 。 4 结论 通过实际工况下融雪剂撒布量 、 雪水当量等 参数， 确定实际情况下融雪剂溶液的浓度约为 1 0 g ( 下转第 3 2 1页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 李科成 ， 等 ： 水泥乳化沥青 胶浆及 混合 料性能研 究 3 2 1 影响了混合料的稳定度。 从低温试验的破坏应力和劲度模量结果可知， 随着水泥用量的增大 ， 破坏应力和劲度模量都增加， 说明随着水泥的逐步加入 ， 混合料逐渐 向着刚性发 展 ， 其变形能力降低 ； 而当乳化沥青用量增多时， 相 应 的破坏应力和劲度模 量都减低 ， 表明乳化沥青的 加入， 使得混合料 向着柔性发展， 其低温抗变形能力 提 高 。 4 结 论 对于单纯的乳化沥青 ， 其沥青颗粒的分布较 为分散 ， 即使是在破乳之后 ， 乳化沥青 的仍然呈现不 连续的分散 ， 并未形成较 为 明显 的沥青膜状结 构。 而水泥乳化沥青破乳后 的形成 了网状 的水泥及水化 物与 沥青 膜 的结构 体 系 。 当水泥用量不变时 ， 水泥乳化沥青混合料的 抗压强度 、 抗压模量和抗折强度 随着乳化沥青用量 的增加而降低 ， 而当乳化沥青用量不变时， 混合料的 强度随着水泥用量 的增加而增加。 当水 泥用量不 变时 ， 混合 料的高 温抗 车辙 性、 低温性能和水稳定性均随着乳化沥青用量而降 低 ； 而当乳化沥青用量不变时 ， 混合料的路用性能随 着水泥用量的增大而提高。 通过本文的分析未发现 明显的水泥和乳化 沥青的对应最佳用量 ， 因此在后续的分析和使用时 ， 应根据其性能的要求和经济性因素确定。 参考文献 张世龙 乳化沥青厂拌冷再生配合 比设计 J 科学技术与工 程 ， 2 0 l O， 1 O ( 3 5 ) 8 8 8 7 8 8 9 0 徐志元 ， 练可方 ， 徐伟 沥青及沥青混合 料老化试验方法 评价 分析 J 公路工程 , 2 0 1 1 ( 2 ) ： 1 7 6 1 7 7 杨宇亮 ， 孙 立军， 毛如麟 ， 等 回收 旧沥青混 合料 冷拌再 生技 术的研究 J 公路交通科技 ， 2 0 0 2 ， 1 9 ( 6 ) ： 3 8 4 O 张志祥 ， 吴建浩 再生沥青混合料 疲劳性能试 验研究 J 中 国公路学 报， 2 0 0 6 ， 1 9 ( 2 ) ： 3 1 3 5 李龙 沥青混合料再生利用研究 D 西安 ： 长安大学 ， 2 0 0 3 耿 九光 ， 陈忠达， 李龙 ， 等 水泥 一乳 化沥青 冷再 生混合 料配 合 比设计 J 长安 大学学报 (自然科学版 ) ， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 1 ) ： I O 一 1 4 胡力群 ， 沙爱 民 振碾式乳 化沥青 水泥混 凝土 的路用性 能 J 长安大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 7， 2 7 ( 2 ) ： 1 21 5， 2 9 俞 韶秋 水泥 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