道路混凝土微观结构与抗冻性影响机理研究*

郭寅川，翟超伟，李 鹏，申爱琴

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

道路混凝土在拌和过程中，为了保证其施工和易性，混凝土拌和用水通常多于水泥水化用水。道路混凝土中孔隙水在结冰过程中会产生体积膨胀与迁移，引起各种内部压力，当压力超过混凝土能承受的应力时，混凝土会产生细微裂纹。当环境温度升高，冰融化后应力又得到缓解，细微裂纹因毛细现象而吸水饱满，这样交替应力的反复作用最终使混凝土发生内部疲劳损伤开裂和表面剥蚀等破坏[1]。在我国寒冷冰冻地区，几乎100%的道路混凝土会局部或者大面积的遭受不同程度的冻融破坏，此外这种破坏在长江以北黄河以南的中部地区也广泛存在。因此，从微观层次对道路混凝土抗冻性进行机理分析并采取必要防范措施至关重要。

道路混凝土的微观结构决定着其宏观路用性能，在抗冻性方面也不例外，混凝土内部不同尺度的孔结构直接影响到宏观抗冻性，进而影响到水泥路面的使用寿命[2]。混凝土是一种由水泥砂浆及粗骨料组成的多孔复合结构，其气孔结构和孔结构与抗冻性有着密切联系。从抗冻角度来讲，气孔结构参数主要包括气孔含量，平均气孔孔径和气孔间距；孔结构参数则主要包括孔隙率，平均孔径和孔级配[3]。国外研究人员对混凝土冻融破坏的研究始源于T.C.POWERS[4]，其对冻融破坏的机理进行了研究，提出了相关假说，并逐渐认识到了对微观结构研究的重要性。北美、欧洲、日本等16个国家指出寒冷地区的混凝土破坏主要是由于温度变化导致孔结构的破坏，从而致使混凝土宏观性能的丧失[5]。E.VEJMELKOV等[6]指出在混凝土中掺加矿渣可提高微观结构的致密性，从而提高了混凝土的透气和吸水性能。J.F.HUO等[7]研究了石灰石粉末和硅粉含量对道路混凝土抗冻性的影响。孙增智[8]研究了道路混凝土抗盐冻性设计的影响因素。文献[9-12] 研究了混凝土抗冻性试验方法及评价参数，并分别提出了评价指标。ZHOU Yixia[13]研究了掺硅灰的道路混凝土的抗冻性。张士萍等[14]研究了孔结构对混凝土抗冻性的影响，证明混凝土抗冻性与孔结构关系密切。杨晨晨等[15]研究了掺纤维橡胶沥青混凝土的抗冻性。目前的研究大都着眼于对不同道路混凝土的宏观性能研究及评价方法的改善，对道路混凝土宏观抗冻性性能劣化与微观结构变化之间关系的研究尚少，因而无法从本质上揭示道路混凝土破坏的机理。

为了探讨道路混凝土的微观构造与抗冻性之间的关系，通过不同途径变化水灰比和掺入引气剂，对不同水灰比和不同含气量的道路混凝土进行了宏观抗冻性试验，借助课题组自主研发的基于数字图像处理技术的scanning electron microscope- image pro-plus方法(简称SEM-IPP)和压汞试验法，对不同条件下的道路混凝土进行了气孔结构、孔结构测试和微观形貌分析，深入研究了混凝土的微观构造与抗冻性之间的关系，并分析了抗冻性影响机理，从本质上认识了道路混凝土抗冻性变化规律和影响机理，对改善道路混凝土抗冻性有重要指导意义。

1 试 验

1.1 原材料

水泥选用陕西耀县秦岭牌P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，各项技术指标见表1。

表1 水泥的技术性质测试结果Table 1 Technical indicators of cement

细集料选用西安灞河中砂，细度模数为2.6。粗集料选用陕西泾阳石灰岩碎石，表观密度为2.82 g/cm3，最大粒径为26.5 mm。试验用水采用西安市自来水，减水剂选用陕西西安恒升外加剂厂产HSG高效减水剂，减水率30%，最佳掺量0.8%～1.5%。引气剂为江苏南京产JM-200C型引气剂，掺量0.5/10 000～0.8/10 000。

1.2 宏观试验方法

道路水泥混凝土试件成型采用课题组前期配合比设计结果，其中砂率为0.32，减水剂用量为1%，水灰比和单位用水量根据考察因素不同而不同，具体取值见表2。抗冻试验参考JTG E 30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中快冻法进行，宏观抗冻性试验试件制备尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，以相对动弹模量和剥蚀量为评价指标，研究经不同途径改变水灰比和不同含气量条件下道路混凝土抗冻性的变化规律。

表2 抗冻性试验方案Table 2 Test scheme for frost resistance

1.3 微观结构参数测试

微观试验所用试样均采用28 d龄期条件下不同水灰比和含气量的道路混凝土试件制备而成。

气孔结构测试方法采用课题组自主研发的一种基于数字图像分析与处理技术的新型测试方法SEM-IPP，该方法采用电子显微镜成像，观察范围及层次比气孔参数测量显微镜大幅提高，同时采用Image Pro-plus 6.0软件对SEM图像处理，处理后图像可获取不同水灰比和含气量条件下道路混凝土气孔结构参数，从而更全面准确的反映试件的微观结构性质。SEM-IPP试件取样时首先采用切割机从规定龄期的道路混凝土试件上切割1 cm × 1 cm的试样，然后经边缘打磨后形成0.5 cm × 0.5 cm的方形试样。SEM-IPP测试方法流程如图1，图2为测试各阶段试件处理图。

图1 SEM-IPP测试方法流程Fig. 1 Test method of SEM-IPP flow chart

图2 SEM-IPP测试各阶段处理图Fig. 2 Processing chart of various stages of SEM-IPP

孔结构各参数的测试采用压汞法，试验仪器为Autoscan 60水银压汞仪。分别对不同水灰比和含气量条件下的试样进行压汞试验，取样时首先采用切割机将试件粗略切为小块试样，然后通过砂纸将试样打磨成圆球状，并将打磨后试样浸泡在酒精中使之停止水化，烘干后置于干燥小瓶。

同时借助扫描电镜对不同水灰比(改变用水量)和不同含气量的道路混凝土试件进行微观形貌观测。

2 抗冻性试验结果与分析

2.1 不同水灰比条件下试验结果与分析

2.1.1 用水量对抗冻性能的影响

不同水灰比(改变用水量)65 d龄期的道路混凝土的相对动弹模量DF及剥蚀量Q试验结果见表3。

表3 不同水灰比(改变用水量)试件抗冻性试验结果Table 3 Frost resistance test of different water-cement ratio (change inconsumption of water)

注：表中的“xx次”均指冻融了“xx次”(下同)。

由表3可知，当固定水泥用量为360 kg/m3时，用水量对道路混凝土抗冻性影响较大，当相对动弹模量降低到60%时，用水量为144 kg/m3的混凝土的冻融次数大于用水量为158 kg/m3的混凝土的冻融次数；在相同冻融次数下用水量为144 kg/m3的混凝土剥蚀量明显低于用水量为158 kg/m3时的剥蚀量，且随着冻融次数的增加，剥蚀量的差异越大。当水灰比从0.44降低到0.40时，经120次冻融相对动弹模量提高15%，剥蚀量降低11%。

2.1.2 水泥用量对抗冻性能的影响

不同水灰比(改变水泥用量)道路混凝土28 d龄期的相对动弹模量DF及剥蚀量Q试验结果见表4。

表4 不同水灰比(改变水泥用量)试件抗冻性试验结果Table 4 Frost resistance test of different water-cement ratio (change inconsumption of cement )

由表4可知，当固定用水量为160 kg/m3时，道路混凝土的抗冻性随水泥用量的增大有所提高。当水灰比从0.44降至0.40时，经过180次冻融循环作用的道路混凝土剥蚀量减少11%，相对动弹模量增加14%。

2.2 不同含气量条件下试验结果与分析

由2.1节水灰比的分析可知水灰比大的道路混凝土抗冻性较差，为了更直观反映引气剂对道路混凝土抗冻性的作用效果，试验选取了较高的水灰比0.44。试验结果如图3。

图3 含气量对抗冻性的影响Fig. 3 Effect of gas content on frost resistance

由图3可知，未掺引气剂时，相对动弹性模量随冻融循环次数的增加而迅速减小，剥蚀量随冻融循环次数的增加而迅速增大。掺入引气剂后，道路混凝土的抗冻性得到改善，且随着引气剂掺入量的增加改善效果增强。这是由于在混凝土中掺入引气剂，形成大量均匀、稳定和封闭的微小气孔，减缓由于内部孔隙水结冰引起的冻胀压力和渗透压力，从而提高混凝土抵抗冻融破坏的能力。引气剂掺量为1/10 000的道路混凝土相比不掺引气剂的混凝土，含气量增加3%，经过180次冻融循环作用后其相对动弹模量增加53%，剥蚀量减少35%。

对比表4、图3可以看出，掺入引气剂对抗冻性改善的效果要远远优于减小水灰比对抗冻性改善的效果，改善效果约提高20%。

3 微观试验结果与抗冻性机理分析

3.1 水灰比对微观结构及抗冻性影响

3.1.1 气孔结构测试结果与抗冻性机理分析

通过SEM-IPP方法测试不同水灰比条件下试件的各气孔结构，获得各气孔结构参数数据见表5。

表5 不同水灰比条件下气孔结构测试结果Table 5 Test results of stomatal structure under different water-cement ratio

由表5可知，固定水泥用量为360 kg/m3时，随着用水量的降低，混凝土内部总气孔率、气孔的平均孔径及气孔间距分别下降30%、16%和22%；固定用水量为160 kg/m3时，随着水泥用量的增加，混凝土内部总气孔率、平均孔径及气孔间距分别降低了19%、24%和20%。可见，当水灰比从0.40增加至0.44时，各气孔结构参数均呈增大趋势，且通过改变用水量增大水灰比时，气孔结构参数增大趋势更为明显。

结合表4可知，随着混凝土内部总气孔率、气孔平均孔径及气孔间距的增大，道路混凝土的抗冻性随之降低。这一方面是由于低水灰比混凝土内部可冻水较少，抗压强度较大，有利于抵抗冻融破坏；另一方面低水灰比的平均孔径及气孔间距较小，较小孔径中的水具有较低的冰点，同时气孔间距越小，可大大缩短水迁移的行程，减小冻结区的压力，从而提高抗冻性。

3.1.2 孔结构测试结果与抗冻性机理分析

不同水灰比试件孔结构测试结果见表6。

表6 不同水灰比条件下孔结构测试结果Table 6 Pore structure test results under changing consumption of cement

由表6可知，当水灰比从0.40增大至0.44时，混凝土的孔隙率、平均孔径及50～100、100～200、>200 nm孔径所占百分比均增大，且孔隙率、平均孔径和>100 nm孔径所占百分比增幅较为明显，<50 nm孔径所占百分比减小。同时可以发现，当水灰比发生变化时，改变用水量较改变水泥用量测得的孔结构参数变化更为显著，当固定水泥用量为360 kg/m3，用水量从158 kg/m3下降至144 kg/m3时孔隙率降低34%，平均孔径下降25%，<50nm孔所占百分比增大4%，50～100、100～200、>200 nm孔径所占百分比分别降低2.5%、26%、44%。

结合表4可知，随着孔隙率、平均孔径及大孔比率的增大，混凝土的剥蚀量及动弹模量损失率增加，当孔隙率从0.25 cc/g增大到0.36 cc/g时，剥蚀量增大了13%，动弹模量损失率增加8.7%。这是因为孔隙率、平均孔径的增大增强了各种通道的连通性，在温度降低时更易结冰，同时大孔比率的增加使得孔径分布不均匀，易出现应力集中现象，由此会产生较大的压力使混凝土的内部微观结构遭到破坏，降低道路混凝土的抗冻性。

在同等水灰比条件下，降低用水量要较提高水泥用量更有利于道路混凝土微观结构的改善，从而更有利于混凝土抗冻性的提高。这是因为高水泥用量势必会增大用水量，高用水量导致混凝土内部的孔隙率、大孔比率等增加，同时也增大了混凝土内部孔通道的连通性，从而弱化了改善效果。

3.1.3 混凝土微观形貌与抗冻性机理分析

不同水灰比试件(改变用水量)2 500倍SEM照片如图4。

图4 不同水灰比(改变用水量)试件放大2 500倍SEM照片Fig. 4 SEM of different water-cement ratio (change consumption of water，×2 500)

由图4可知，当水灰比为0.40时，混凝土内部孔隙较小，浆体材料界面区的孔隙和裂缝不明显，混凝土内部结构密实，整个结构为一种连续密实结构；当水灰比增至0.44时，混凝土内部结构孔隙逐渐明显，浆体材料界面区出现裂缝，各孔隙之间大多为联通状态。可见随着用水量的增加，道路混凝土内部孔隙逐渐增大，裂缝随之扩展，增加了道路混凝土内部孔隙联通性，从而降低了其抗冻性。

3.2 含气量对微观结构及抗冻性影响

3.2.1 气孔结构测试结果与抗冻性机理分析

通过SEM—IPP方法测试相同水灰比、不同引气剂掺量条件下试件的各气孔结构，获得各气孔结构参数数据见表7。由表7可知，随着引气剂掺量的增加，总气孔率，气孔个数逐渐增加，平均孔径和气孔间距先急剧降低，随之趋于平稳。当引气剂掺量从0增加到1/10 000时，总气孔率和气孔个数分别增加95%和142%，平均孔径和气孔间距分别下降44%和51%。不同含气量条件下各气孔结构参数同180次冻融循环后抗冻性关系如图5。

表7 不同引气量条件下各气孔结构参数Table 7 Test results of stomatal structure under different air entraining content

图5 气孔结构参数同抗冻性关系Fig. 5 Relationship between stomatal structure parameters and frost resistance

由图5可知，试件经180次冻融循环后相对动弹模量和剥蚀量与各气孔结构参数有很强的线性相关性。相对动弹模量随总气孔率的增大而增大，随平均孔径和气孔间距的增大而减小，且在平均孔径较小时变化较为显著，当平均孔径从0.023 mm增加到0.025 mm时，道路混凝土经180次冻融循环后的相对动弹模量降低12%。剥蚀量随总气孔率的增大而减小，随平均孔径和气孔间距的增大而增大，且剥蚀量在总气孔率和平均孔径较小、气孔间距较大时变化较为显著，当总气孔率从0.024%增加到0.039%时，剥蚀量下降31%，当平均孔径从0.023 mm增加到0.025 mm时，剥蚀量增加7%，当气孔间距从0.265 mm增加到0.425 mm时，剥蚀量增加44%。

引气剂的加入增加了总气孔率，气孔主要起到储水的功能，在冻融过程中，结冰区的水会向气孔中转移，故在一定范围内，气孔含量越高，混凝土的抗冻性越好。同时引气剂的加入可明显减小气孔半径，增加小孔数量，降低平均孔径大小，使得气孔分布的更加均匀，气孔结构得到改善，从而有力提高了道路混凝土的抗冻性。

3.2.2 孔结构测试结果与抗冻性机理分析

相同水灰比，不同含气量试件孔结构测试结果见表8。由表8可知，随引气剂的增大孔隙率随之增大而平均孔径逐渐减小，<50 nm孔所占比例增大，其他孔径孔所占比例均呈下降趋势，且孔径越大下降趋势越为明显。当引气剂掺量从0增加到1/10 000时，孔隙率增加20%，平均孔径下降22%，<50 nm孔所占百分比增加25%，50～100、100～200、>200 nm孔所占百分比分别下降23%、39%、71%。不同含气量条件下各孔结构参数同180次冻融循环后抗冻性关系如图6。

表8 不同含气量试件的孔结构参数测试结果Table 8 Test results of pore structure under different air entraining content

图6 孔结构参数与抗冻性关系Fig. 6 Relationship between pore structure parameters and frost resistance

由图6可知，试件经180次冻融循环后的相对动弹模量与孔隙率和平均孔径有很强的线性相关性，试件剥蚀量与孔隙率、平均孔径及不同孔径孔所占百分比有较强相关性。随着孔隙率的提高，180次冻融循环后的相对动弹模量逐渐增加，剥蚀量先迅速减少后趋于平缓。随着平均孔径的增大，180次冻融循环后的相对动弹模量逐渐减小，剥蚀量先缓慢增加后急速增长。对比<50 nm孔所占百分比和>200 nm孔所占百分比与剥蚀量的关系发现，增大小孔所占比例可提高道路混凝土抗冻性。

综上所述，引气剂的加入使道路混凝土内部孔结构得到改善，增大孔隙率，降低平均孔径并使得孔结构分布更加均匀，从而提高了道路混凝土的抗冻性，这一点与引气剂掺量对气孔结构影响结论相同。

3.2.3 混凝土微观形貌与抗冻性机理分析

不同含气量试件2 000倍SEM照片如图7。

图7 不同含气量试样放大2000倍的SEM图像Fig. 7 SEM of different air entraining content (×2 000)

由图7可知，当引气剂掺量为0时，混凝土内部孔隙较多，界面区孔隙孔径和裂缝较大，混凝土内部结构松散，整个体系呈现一种非连续密实结构；当引气剂掺量为0.5/10 000时，混凝土内部结构得到改善，孔隙逐渐减小，密实度逐渐提高，界面区裂缝也逐步减小，整个体系逐渐趋向连续密实结构；当引气剂掺量达到1/10 000时，混凝土内部大孔孔隙逐渐消失，密实程度进一步提高，界面区裂缝逐渐难以识别，整体成为连续密实结构。可见随着引气剂的掺入，混凝土内部的大孔比例逐渐减少，小孔比例增多，界面区结构密实度提高、裂缝减少，混凝土内部结构得到大幅的改善，抗冻性得以显著提高。

4 结 论

1) 通过不同途径降低水灰比均可减小气孔间距和平均孔径，缩短水分迁移行程，削弱冻结区压力，从而改善道路混凝土抗冻性，且减少用水量对道路混凝土微观结构的改善效果较好。水灰比降低0.04，总气孔率、平均气孔孔径和气孔间距分别下降30%、16%和22%，孔隙率、平均孔径和>50 nm孔所占百分比分别下降34%、25%和5%，<50 nm孔所占百分比增大4%，抗冻性提高15%。

2) 掺入引气剂可显著改善道路混凝土内部气孔结构和孔结构，起到减小>100 nm孔所占比例、降低平均孔径和增强结构密实度的作用，从而提高道路混凝土抗冻性。当水灰比为0.44时，引气剂为1/10 000，平均气孔孔径和气孔间距分别下降44%和51%，平均孔径和>100 nm孔所占百分比分别下降22%和44%，<50 nm孔所占百分比增加25%，抗冻性提高35%左右。

3) 道路混凝土抗冻性随<50 nm孔所占百分比的增大而提高，随平均孔径、气孔间距、50～100 nm孔所占百分比、100～200 nm孔所占百分比和>200 nm孔所占百分比的增大而减小。在孔级配分配中，孔径越大的孔所占百分比越高对道路混凝土抗冻性越为不利。

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