季冻区混凝土应用性能试验探究

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摘要：从北方季冻区公路养护工程实际出发，针对利用传统硅酸盐水泥作为基材的混凝土快速修补材料，将富含Al2O3，SiO2，含硫氧化物的激发剂来激发水泥加快水化形成稳定的钙矾石，以提升快修混凝土早期强度。同时将三萜皂甙类引气剂添加到混合料中，改善水泥混凝土的和易性，增大其密实度，从而提高此类快修混凝土的耐久性能。最后通过强度、冻融循环、电通量试验和耐磨试验验证了此种快速修补混凝土的应用性能。

关键词：季冻区；早强混凝土；钙矾石；三萜皂甙；激发剂

1概述

随着我国经济的高速发展，交通运输与道路养护之间的矛盾日益明显，道路损坏后不能及时恢复交通势必给道路运输造成巨大的压力［1］。随之而产生了大量的道路、桥梁等混凝土结构及路面因超负荷服役而发生破损，亟需维修加固或快速修补，进而一种具有凝结时间短、早期强度高特点的快速修补混凝土被广泛应用于桥梁、港口等混凝土结构维修加固和混凝土路面的快速维修以及军工抢修等快速抢修抢建工程中［2－4］。我国从2000年开始，对早强混凝土进行了广泛的研究，陈德鹏等利用研发的能够明显改善混凝土早期强度、与减水剂有良好相容性的三元复合早强掺合剂配制早强混凝土，使其5H的抗折强度达到3．7MPa［5］。KwangHoSho和KyoungMinKin等利用硅酸盐水泥生产过程中分离过滤后的水泥（SBFC），结果发现掺入20％的超细水泥后，相对于不掺情况，初凝、终凝时间缩短了超过3％，24h抗压强度提高了57％［6－7］。近两年，很多学者也对新型早强混凝土进行了大量的研究，如丁斌等则从早强型混凝土的制备方法的角度，将早强混凝土材料的制备分为掺早强剂、使用特种水泥和掺高分子聚合物三种，认为其中掺早强剂的方法为最优［8］。邓攀、翁晓波等针对配合比这一技术指标配制出纤维早强混凝土，其施工性好，24h的抗折强度满足通车要求［9］。经过大量研究及工程实践应用，人们发现此类快速修补工程中仅仅要求快速修补混凝土具有良好的力学性能、工作性能是不够的，还应该具有良好的耐久性能，特别是在我国季冻区范围内，正负温度交替变化使得道路桥梁混凝土冻融破坏非常严重，因此，还要求其具有良好抗冻性、抗渗性等耐久性能。因此，本文以普通硅酸盐水泥为基材，通过掺加矿物微粉激发剂、三萜皂甙类混凝土引气剂，并添加适量石膏，配制了一种新型快速修补混凝土，通过电镜测试，揭示其水化、硬化过程中的微观特征及对其进行力学性能、耐久性，揭示其早强、快硬、高耐久性机理及其优良的工作性能，为我国季冻区路桥新型快速修补混凝土产品的研发及应用积累了宝贵的研究经验及成果。

2试验材料及分析

2．1试验用材料

本试验选用的胶凝材料为P．O42．5普通硅酸盐水泥，通过试验测得其物理力学性能指标如表1所示。本试验所采用的激发剂为矿渣微粉，其化学组成中Al2O3的质量分数为36％、皂甙的质量分数为55％。其目的为激发水泥基水化时迅速产生钙矾石，提升修补混凝土早期强度。细骨料砂则选用天然河砂，含泥量控制在1．5％以下，经过洗砂后备用。本试验将其与上述水泥按自行研发设计配比，配制满足JT／T1211．1—2018公路工程水泥混凝土用快速修补材料第1部分：水泥基修补材料标准中CRRM－Ⅲ型性能要求的快速修补砂浆备用。粗骨料则选用碎石，粒径在5mm～25mm间且连续级配良好，保证其压碎指标在10％以下。此外，本试验为了保证拌制混凝土的和易性，还选用了三萜皂甙类混凝土引气剂，其主要成分为天然皂甙呈类黄色粉末，其皂甙类的质量分数55％以上，pH＞6。

2．2试验配合比设计

将制备完成的快速修补砂浆与粗骨料、激发剂、引气剂等掺合剂按表2配合比制成试验用C35强度等级的快速修补混凝土。

3试验

3．1试验内容

试验内容见图1。

3．2试验结果及分析

3．2．1强度试验结果。混凝土力学性能试验参照GB／T50081—2019混凝土物理力学性能试验方法标准，分别制作抗压、抗折试件，进行强度测试。不同试验组、不同龄期下标准试件的抗压强度和抗折强度试验结果如图2，图3所示。从强度试验结果图2，图3来看，激发剂添加量RC1组4h的抗压强度和抗折强度提升最快、最高，这是由于激发剂遇水泥水化后迅速激发其产生强度供给明显的钙矾石的原因其早强效果最佳。而RC2组和RC3组则依次次之，这说明激发剂添加量在40kg／m3时其所达到的早强效果最为理想。究其原因是因为在这种条件下，激发剂促使水化开始后所生产的钙矾石晶体析出最为明显所致。3．2．2耐久性能试验结果。1）抗冻性能。混凝土抗冻性（快冻法）参照GB／T50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准，在标准养护28d后进行，其结果如图4所示。从图4可以看出，随着冻融循环周期的增加，所有试验组的质量损失都逐渐增加。其中RC0组的质量损失最大，这是由于该组试件没有添加激发剂和引气剂，其在28d养护完成后标准试件的密实程度没有其他组别的优良，因此，在快速冻融试验中表现质量损失最明显。与之相反，RC1组则由于添加了激发剂、引气剂，导致其在整个水化过程中钙矾石等水化产物充分生成，整体试件的密实程度更为突出，因此其在冻融循环条件下质量损失最少，抗冻效果最佳。2）抗渗性能（电通量）试验。将试件养护28d后，进行电通量试验测试其抗渗性能，结果从图5中可以看出各组添加掺合剂的试件电通量结果都优于RC0组，这跟其中是否添加掺合剂有直接关系，也就是说添加了掺合剂后其试件的密实程度都有所提升，而其中尤以RC1组抗渗效果最优，进一步验证了40kg／m3的激发剂添加量是最优添加量。

4结论

本试验通过在传统混凝土中添加激发剂以达到水化过程开始后快速产生钙矾石晶体，进而发挥其早强作用。同时通过添加性能稳定的三萜皂甙引气剂改善其拌合物和易性来提升其硬化后的密实度，并通过对照试验找出最优激发剂的添加比例。1）通过强度试验和耐久性对比试验，证明了添加适量激发剂的混凝土拌合物，可以实现快凝早强的工程需求，并且其4h的强度可以达到抗压强度标准值的90％以上。2）通过分析明确了这种自主研发添加激发剂的快速修补混凝土随着水化作用的开始钙矾石晶体析出非常明显、且晶核扩大，此时其强度伴随着C2S，C3S，C3A等水化产物增加迅速凝结硬化，强度增加，在激发剂中AlO2－离子的供给充分条件下，其强度进一步趋近于最大值的基本特征。3）确定了此种符合我国季冻区路、桥C35强度的新型快速修补混凝土中激发剂添加的最优比例为40kg／m3。上述研究成果为我国北方地区的路、桥快速修补混凝土材料的研发提供了有意义的研究成果及宝贵经验。

作者:郭金波 屈丰来 刘晓洲 欧阳奇 单位:辽宁省交通规划设计院有限责任公司 衢州学院建筑工程学院