安 超

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

水泥混凝土路面是我國(guó)道路路面的重要形式。粉煤灰是燃煤排放的重要工業(yè)廢棄物，如今作為水泥的替代物，廣泛運(yùn)用于混凝土制備使用過程中。而在我國(guó)西部、北部道路工程項(xiàng)目中，混凝土路面極易受到低溫凍融循環(huán)作用，嚴(yán)重影響混凝土路面的使用壽命及質(zhì)量。因此，研究?jī)鋈谘h(huán)條件下路用粉煤灰混凝土的物理力學(xué)特征，對(duì)預(yù)測(cè)在凍融循環(huán)條件下混凝土路面的物理力學(xué)性能劣化具有重要意義，進(jìn)而有效規(guī)避相關(guān)工程事故。

基于這一復(fù)雜研究背景，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究[1-4]。吳文燕、李小山[5]借助熱分析技術(shù)定量分析了不同粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗凍融與硫酸鹽復(fù)合侵蝕能力的影響。侯鐵軍[6]圍繞試件的質(zhì)量損失規(guī)律、相對(duì)動(dòng)彈模量參數(shù)研究了粉煤灰混凝土的凍融性質(zhì)。吳、孟曉宇等[7]對(duì)不同摻量的粉煤灰透水混凝土試樣進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試，并在硫酸鈉溶液中對(duì)試件進(jìn)行快速凍融循環(huán)試驗(yàn)，得到透水混凝土強(qiáng)度和抗凍性與粉煤灰摻量間的關(guān)系。張鵬坤[8]通過開展不同加載速率下的單軸壓縮試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，并采用CT細(xì)觀無損檢測(cè)技術(shù)，分析了凍融循環(huán)作用下混凝土的損傷機(jī)理和動(dòng)態(tài)破損機(jī)理。

本文以凍融循環(huán)次數(shù)為研究參量，開展室內(nèi)試驗(yàn)，分別研究10%、20%摻比粉煤灰混凝土及普通混凝土的凍融質(zhì)量損失率及孔隙率變化，并探究其力學(xué)性能特征，進(jìn)而為實(shí)際工程提供理論支持。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

本試驗(yàn)分別制備普通混凝土與摻粉煤灰混凝土試樣，依照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081—2002），混凝土強(qiáng)度按C60等級(jí)配置，試驗(yàn)尺寸為（100×100×100）mm，試樣使用水泥為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥450 kg/m3，細(xì)骨料為河沙744 kg/m3，粗骨料為顆粒級(jí)配4～18 mm小石，粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰，水為pH=8.47的自來水。每立方米普通混凝土與摻粉煤灰混凝土試樣的配合比設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 普通混凝土與摻粉煤灰混凝土配置參數(shù)

將試驗(yàn)材料分別按照試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行充分?jǐn)嚢?、注模、振搗、靜置凝固成型、脫模打磨及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d（室溫20℃±2℃、相對(duì)濕度大于等于95%），獲得標(biāo)準(zhǔn)混凝土試樣。

1.2 試驗(yàn)方法

為模擬混凝土構(gòu)件在自然環(huán)境下的凍融循環(huán)狀態(tài)，本文選用開放性飽水凍融試驗(yàn)法，按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）進(jìn)行，利用全自動(dòng)凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)，分別對(duì)普通混凝土試樣與摻粉煤灰混凝土試樣進(jìn)行飽水凍融循環(huán)試驗(yàn)，凍融溫度為-16℃～5℃，凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)與融化時(shí)長(zhǎng)均為2 h，分別設(shè)置凍融循環(huán)次數(shù)為1、5、10、20、30、40、50次。

凍融循環(huán)結(jié)束后，對(duì)比測(cè)量混凝土試樣凍融前后的飽水質(zhì)量，計(jì)算獲得試樣的凍融質(zhì)量損失率ηn。之后采用飽水法測(cè)定混凝土試樣的孔隙率φn。最后利用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，設(shè)置加載速率為0.002 mm/s進(jìn)行加載直至試樣破壞，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，獲得不同凍融循環(huán)次數(shù)下的普通混凝土與摻10%、20%粉煤灰混凝土的彈性模量Ec與抗壓強(qiáng)度σc。

圖1 試驗(yàn)進(jìn)程

2 物理特征變化

2.1 凍融質(zhì)量損失率

為測(cè)定不同凍融次數(shù)下混凝土的凍融質(zhì)量損失率，需將未凍融混凝土標(biāo)準(zhǔn)試樣在105℃的烘干機(jī)中烘干36 h，混凝土試樣的凍融前干燥質(zhì)量為W1.凍融試驗(yàn)后將混凝土試樣干燥得質(zhì)量為W2，計(jì)算試樣凍融質(zhì)量損失率如式（1）：

由式（1）可計(jì)算獲得粉煤灰摻量分別為0%、10%、20%的混凝土試樣的凍融質(zhì)量損失率ηn隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。

由圖2可知，隨著凍融次數(shù)由0次增至50次，不同粉煤灰摻量的混凝土試樣凍融質(zhì)量損失率逐漸增大，普通混凝土由0%增至4.57%，摻10%粉煤灰混凝土由0%增至3.33%，摻20%粉煤灰混凝土由0%增至2.81%。在0～30次凍融循環(huán)下，凍融質(zhì)量損失率增幅逐漸增大；在30次循環(huán)后，試樣凍融質(zhì)量損失率增長(zhǎng)減慢。造成此類現(xiàn)象是因?yàn)?，在凍融初期伴隨凍融次數(shù)增加試樣內(nèi)部微裂紋逐漸擴(kuò)張，內(nèi)部微小破裂逐漸增多，導(dǎo)致試樣凍融質(zhì)量損失率增長(zhǎng)幅度增大；凍融次數(shù)達(dá)到30次后，試樣微裂隙大幅擴(kuò)張，凍融作用不足以致混凝土骨料發(fā)生破壞，質(zhì)量損失率增長(zhǎng)幅度減小。

圖2 凍融質(zhì)量損失率特征

對(duì)比不同粉煤灰摻量的混凝土試樣凍融質(zhì)量損失率可以發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰摻量增多，試樣凍融質(zhì)量損失率逐漸減少，質(zhì)量損失率對(duì)凍融次數(shù)增長(zhǎng)的靈敏程度減弱，混凝土抗凍性能提高。

2.2 孔隙率變化規(guī)律

本試驗(yàn)采用飽水法測(cè)定混凝土的孔隙率。首先將不同次數(shù)凍融循環(huán)后的混凝土試樣在105℃的烘干機(jī)中烘干36 h，在干燥環(huán)境下將試樣冷卻至常溫（20℃～25℃），稱量試樣質(zhì)量為W2，之后將干燥試樣完全浸泡48 h以上，當(dāng)每間隔1 h測(cè)量混凝土質(zhì)量變化小于試樣總質(zhì)量的1%時(shí)，認(rèn)為混凝土試樣達(dá)到飽水狀態(tài)，取出試樣擦干表面水分，稱量試樣質(zhì)量為W3.最后，采用靜水天平測(cè)量試樣懸吊在水中的質(zhì)量W4，可得試樣孔隙率計(jì)算方法如式（2）：

通過孔隙率測(cè)定試驗(yàn)可測(cè)得初始及不同次數(shù)凍融循環(huán)后的普通混凝土試樣、摻10%粉煤灰混凝土試樣與摻20%粉煤灰混凝土試樣的孔隙率，得出各混凝土試樣孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，如表2所示。

表2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土孔隙率φn %

由表2可得出不同粉煤灰摻量混凝土試樣的孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，如圖3所示。

對(duì)不同粉煤灰摻量的混凝土試樣孔隙率變化規(guī)律進(jìn)行擬合，可得出凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)試樣孔隙率影響規(guī)律的函數(shù)關(guān)系：

圖3 孔隙率變化特征

試樣孔隙率與凍融循環(huán)次數(shù)的映射關(guān)系滿足對(duì)數(shù)型函數(shù)。由圖3可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)由1次增至30次，混凝土孔隙率逐漸增大，30次循環(huán)后，孔隙率增幅逐漸減小直至平緩。這表明前30次凍融產(chǎn)生的裂隙壓力主要作用于骨料間，使孔隙率增大。而30次循環(huán)后骨料間孔隙已增至最大值，而凍融作用并不足以破壞混凝土骨料，因此試樣孔隙率增幅減少。普通混凝土、摻10%粉煤灰混凝土及摻20%粉煤灰混凝土在經(jīng)過30次凍融循環(huán)后，孔隙率分別由12.49%增至14.92%、9.07%增至11.34%、7.85%增至10.05%，對(duì)應(yīng)增幅分別為19.46%、25.03%及28.03%。同時(shí)，對(duì)比不同粉煤灰摻量可以發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰摻量增加，混凝土試樣的孔隙率總體呈減小規(guī)律。

3 力學(xué)特征

將不同次數(shù)凍融循環(huán)后的混凝土試樣利用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，獲得3種粉煤灰摻量下，凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)混凝土試樣力學(xué)性能的影響規(guī)律?；炷恋膹椥阅Ａ縀c與抗壓強(qiáng)度σc參數(shù)變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4a可知，隨著粉煤灰摻量增加，混凝土試樣的彈性模量總體呈減小趨勢(shì)。并且不同粉煤灰摻量的混凝土試樣的彈性模量均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小，減小速率由快至慢。隨著凍融循環(huán)次數(shù)由1次增至50次，普通混凝土試樣彈性模量由31.54 GPa減少為25.02 GPa，降幅20.67%；摻10%粉煤灰混凝土試樣的彈性模量由27.85 GPa減少為23.89 GPa，降幅16.58%；摻20%粉煤灰混凝土試樣的彈性模量由25.34 GPa降至23.09 GPa，降幅為9.74%。由此可見，隨著粉煤灰摻量逐漸增多，凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)試樣彈性模量降幅的影響逐漸減小。

圖4 試樣靜力學(xué)參數(shù)特征

圖4b可以看出，粉煤灰摻量增多會(huì)使混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度減小。并且隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多，不同粉煤灰摻量混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度逐漸減小，減小幅度由快減慢。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)從1次增加至50次，普通混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度由59.34 MPa降為42.94 MPa，降幅31.33%；摻10%粉煤灰混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度由55.43 MPa降為41.86 MPa，降幅為24.48%；摻20%粉煤灰混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度由48.85 MPa降為37.79 MPa，降幅為22.64%。隨著粉煤灰摻量增多，凍融循環(huán)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度逐漸減弱。

4 結(jié)論

本文為研究粉煤灰混凝土路面受凍融作用后的物理力學(xué)特征，對(duì)不同粉煤灰摻量的混凝土試樣進(jìn)行不同循環(huán)次數(shù)的凍融試驗(yàn)，探究其凍融質(zhì)量損失率與孔隙率的變化特征，并開展靜力學(xué)試驗(yàn)，探究粉煤灰混凝土力學(xué)性能特征，具體結(jié)論如下：

a）凍融循環(huán)次數(shù)增加會(huì)使粉煤灰混凝土凍融質(zhì)量損失率增加，增幅由快減慢。并且提高粉煤灰摻量可降低混凝土的凍融質(zhì)量損失率，提高混凝土抗凍性能。

b）隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，混凝土試樣孔隙率呈對(duì)數(shù)形式增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率由快減慢。同時(shí)，隨著粉煤灰摻量增加，混凝土試樣的孔隙率總體減小。

c）混凝土試樣的彈性模量隨粉煤灰摻量增加，總體呈減小趨勢(shì)。并且不同粉煤灰摻量的混凝土試樣的彈性模量均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小，減小速率由快至慢。

d）粉煤灰摻量增多會(huì)使混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度減小。并且不同粉煤灰摻量混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)增多逐漸減小。