寒冷地区硅粉增强玄武岩纤维路面混凝土抗冻性能研究

2023-01-30申爱琴崔洪旭郭寅川周康平

硅酸盐通报 2022年12期

申爱琴，崔洪旭，郭寅川，周康平

(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064)

0 引言

路面混凝土在浇筑成型、凝结硬化以及养护等过程中会产生早期收缩裂缝，而早期收缩裂缝是造成混凝土耐久性下降的重要原因[1-2]。玄武岩纤维掺入混凝土可以起到良好的增韧阻裂效果，显著地提升混凝土抗弯拉强度及收缩抗裂性能[3-5]，但在经历较为严重的冻融破坏后，玄武岩纤维与水泥石界面区的粘结性下降，影响了寒冷地区混凝土抗渗抗冻等耐久性能[6-8]。

研究表明，混凝土中掺入不同粒径的硅粉均能有效提高其抗弯拉强度、疲劳性能以及抗冻性能[9-11]，同时硅粉的掺入可以改善混凝土的孔隙缺陷，细化孔径，降低孔隙率，优化界面结构[12-14]。根据硅粉的改性效果，学者们开展了硅粉复合改性玄武岩纤维混凝土的研究。研究发现，掺入硅灰可以提高玄武岩纤维砂浆的剪切黏结强度和抗折强度，对纤维基体过渡区有积极的影响[15-18]，通过混掺硅粉与玄武岩纤维得到的复合改性混凝土，其强度和抗裂性明显要优于纤维混凝土[19]。

综上所述，玄武岩纤维混凝土抗冻性能影响了其在寒冷地区的推广程度。硅粉复合改性玄武岩纤维混凝土可以有效提高抗弯拉强度，但目前国内外针对硅粉增强玄武岩纤维混凝土的研究主要集中于水泥砂浆层面[15-16]，并未对路面混凝土展开针对性研究,且目前研究针对硅粉对玄武岩纤维路面混凝土抗冻性能的增强效果以及硅粉增强玄武岩纤维混凝土的微观机理研究尚浅。本文基于上述不足，研究了寒冷地区不同掺量硅粉对玄武岩纤维路面混凝土抗冻性能的增强效果，借助压汞法(mercury intrusion porosimetry, MIP)和扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)讨论了掺加硅粉对玄武岩纤维路面混凝土的孔结构以及界面过渡区的影响，探讨硅粉增强玄武岩纤维路面混凝土的微观机理，推动玄武岩纤维在寒冷地区的路用进程。

1 实验

1.1 原材料

水泥选用礼泉海螺水泥公司生产的“海螺牌”P·O 42.5；粗集料选用富平创奇公司生产的石灰岩碎石，级配范围为4.75～19 mm，分为4.75～9.5 mm和9.5 mm～19 mm两档，掺比为m(4.75～9.5 mm) ∶m(9.5～19 mm)=2 ∶8，表观密度为2.715 g/cm3；细集料选用西安和英建材有限公司生产的机制砂，表观密度为2.652 g/cm3，细度模数为2.8，属于中砂；减水剂选用厦门市华星化工实业有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂；玄武岩纤维选用浙江石金玄武岩纤维公司生产的纤维，直径20 μm，长度12 mm，其相关技术指标如表1所示；硅粉选用灵寿县怡然矿产品加工厂生产的二氧化硅含量为97%(质量分数)的硅粉，硅粉中值粒径D50=2 μm，D90=7 μm，其相关技术指标如表2所示。

表1 玄武岩纤维各项技术指标Table 1 Various technical indicators of basalt fiber

表2 硅粉各项技术指标Table 2 Various technical indicators of silica powder

1.2 配合比设计

本研究参考《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420—2020)进行配合比设计，同时依据《矿物掺合料应用技术规范》(GB/T 51003—2014)要求，硅粉掺量最大不超过10%(质量分数，下同)。设计3%、6%、9%掺量的硅粉增强玄武岩纤维路面混凝土，分别编号为SF-3%、SF-6%、SF-9%，与编号为JZ的不掺加硅粉的基准玄武岩纤维路面混凝土形成对照试验。每组制备4根件，共16个件。当硅粉掺量为9%时，玄武岩纤维掺量为0.04%，水胶比为0.36，减水剂掺量为1.4%。硅粉采用内掺的方式加入混凝土，替代部分水泥用量，不同掺量的硅粉增强玄武岩纤维路面混凝土配合比如表3所示。

表3 硅粉增强玄武岩纤维路面混凝土配合比Table 3 Mix ratio of silica powder reinforced basalt fiber pavement concrete

1.3 试验方法

采用快冻法测试路面混凝土的抗冻性能，仪器选用快速冻融试验机。由寒冷地区最冷月平均温度可知，最低温度处于-20 ℃以下。根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420—2020)快冻法测试混凝土抗冻性能对冻融温度的规定，快冻法测试中路面混凝土下限温度选为((-20～-25)±2) ℃，上限温度选为(5±2) ℃。

压汞仪选用型号为AutoPore IV9500，将10 mm×10 mm×10 mm的样品放入盛有无水乙醇的容器中浸泡达到终止水化的目的，试验之前放入60 ℃的烘箱中烘至恒重。利用SEM研究硅粉复合改性玄武岩纤维路面混凝土的界面区结构的演化规律,试件处理如下：对试件进行破碎处理，从中部取样，由于取的样品表面不规整，所以需要使用200～2 000目中的粗砂纸进行粗磨，再使用细砂纸进行细磨成尺寸为10 mm×10 mm×10 mm的样品。

2 结果与讨论

2.1 基于快冻法的硅粉增强玄武岩纤维路面混凝土抗冻性能研究

将质量变化率、相对动弹性模量及抗弯拉强度作为抗冻性能评价指标，质量变化率、相对动弹性模量分别通过式(1)和(2)计算。

(1)

式中：Wn为经n次冻融循环后的试件质量变化率，%；m0为试件冻融试验前的试件质量，kg；mn为n次冻融循环后的试件质量，kg。

(2)

式中：P为经n次冻融循环后试件的相对动弹性模量，%；fn为冻融n次循环后试件的横向基频，Hz；f0为试验前的试件横向基频，Hz。

图1为不同硅粉掺量下的硅粉增强玄武岩纤维路面混凝土在-20 ℃冻融环境中的质量变化率及相对动弹性模量试验结果。

由图1(a)试验结果可知，随着冻融次数的增加，四组混凝土质量变化率均呈现增加的趋势，但质量变化率增长速率各不相同。在冻融320次后，基准组混凝土质量变化率为1.62%，而硅粉掺量为3%、6%、9%的复合改性路面混凝土质量变化率分别为1.23%、0.97%、0.61%，随着硅粉掺量的增加，玄武岩纤维路面混凝土质量变化率逐渐减小。与基准组相比，硅粉掺量为3%、6%、9%的复合改性路面混凝土质量变化率分别降低了24.07%、40.12%、62.35%，硅粉复合改性玄武岩纤维路面混凝土质量损失速率明显降低，说明抗冻性能显著提高。

由图1(b)试验结果可知，从冻融0次到320次过程中，各组混凝土相对动弹性模量均呈现减小的趋势。在冻融循环320次后，基准组、3%、6%、9%硅粉掺量组相对动弹性模量分别为80.77%、85.95%、89.67%、92.63%。与基准组相比，3%、6%、9%硅粉掺量组相对动弹性模量分别提高了6.41%、11.02%、14.68%。相对动弹性模量可以反映混凝土在冻融过程中的损伤程度，所以随着硅粉掺量的增加，玄武岩纤维路面混凝土相对动弹性模量逐渐增大，内部损伤程度减小。

图1 不同硅粉掺量下路面混凝土的质量变化率及相对动弹性模量Fig.1 Mass change rate and relative dynamic elastic modulus of pavement concrete under different silica powder content

图2 冻融前后路面混凝土抗弯拉强度Fig.2 Flexural tensile strength of pavement concrete before and after freeze-thaw cycles

图2为冻融320次前后不同硅粉掺量复合改性玄武岩纤维路面混凝土抗弯拉强度的试验结果。

由图2可知，无论冻融前后，掺加硅粉组抗弯拉强度均比基准组大，且随着硅粉掺量的增加抗弯拉强度随之增高。冻融320次后，与基准组相比，3%、6%、9%硅粉掺量组抗弯拉强度分别提高了13.00%，35.16%，43.89%。所以硅粉掺量越高，玄武岩纤维路面混凝土冻融后的抗弯拉强度损失越小，力学性能越好，抵抗冻融破坏能力越强。

综合质量变化率和相对动弹模量以及抗弯拉强度在冻融前后的变化规律，可以认为，硅粉的掺入延缓了玄武岩纤维混凝土内部损伤进程，提高了玄武岩纤维混凝土的抗冻性能，且9%硅粉掺量相比于3%、6%掺量的硅粉增强玄武岩纤维混凝土抗冻性能改善效果更加明显。

2.2 基于MIP的孔结构分析

9%掺量的硅粉增强玄武岩纤维混凝土与基准混凝土的在冻融作用下的孔隙参数如图3所示。

冻融150次后，9%硅粉掺量的玄武岩纤维路面混凝土和基准混凝土的各孔结构参数均增大。由图3(a)、(b)可知，与无冻融作用相比，冻融条件下基准混凝土总孔隙面积增加了62.69%，而9%硅粉掺量的复合改性路面混凝土总孔隙面积增加了43.42%，相比基准组减少了19.27%；基准混凝土总孔隙量增加了58.57%， 9%硅粉掺量的复合改性路面混凝土总孔隙量增加了52.94%，相比基准组减少了5.63%。由此可见，冻融作用对混凝土的总孔隙面积和总孔隙量影响显著，加快了混凝土内部损伤程度，降低了混凝土的耐久性能，而硅粉的掺入在一定程度上可以减缓冻融作用下混凝土的孔隙发展。

由图3(c)、(d)可知，与无冻融作用相比，冻融条件下基准混凝土孔隙率增加了48.41%，而9%硅粉掺量的复合改性路面混凝土孔隙率增加了41.28%。基准混凝土冻融前后平均孔径从34.6 nm上升到36.2 nm，而9%硅粉掺量的玄武岩纤维路面混凝土冻融前后平均孔径从24.2 nm上升到25.5 nm，冻融150次后的硅粉复合改性混凝土相比基准混凝土平均孔径减小了10.7 nm。硅粉的掺入可以使玄武岩纤维路面混凝土孔隙率增长速率变慢，平均孔径增加量减小，细化孔隙结构。

表4为冻融作用下硅粉掺量为0%、9%的复合改性路面混凝土孔径分布。

由表4可知，与无冻融作用相比，冻融150次后基准混凝土无害孔和少害孔比例分别降低了16.56%、10.77%，而9%硅粉掺量的复合改性路面混凝土无害孔和少害孔比例分别降低了4.75%、1.48%，基准混凝土有害孔和多害孔比例分别增加了10.70%、14.37%，而9%硅粉掺量的复合改性路面混凝土有害孔和多害孔比例分别增加了10.01%、4.13%，相比于基准组减少了0.69%、10.24%。可以看出，掺入硅粉明显减缓了无害孔和少害孔比例的衰减速率以及有害孔和多害孔比例的增加速率，从而有效抵制了外界冻融作用对混凝土的破坏。

图3 冻融作用下路面混凝土孔隙参数试验结果Fig.3 Test results of pavement concrete pore parameters under freeze-thaw action

表4 冻融作用下复合改性路面混凝土孔径分布Table 4 Pore size distribution of composite modified pavement concrete under freeze-thaw action

图4为冻融作用下硅粉掺量为0%、9%的复合改性路面混凝土临界孔径与最可几孔径试验结果。

由图4可知：基准混凝土冻融前后临界孔径增加了14.5 nm，而9%硅粉掺量的玄武岩纤维路面混凝土冻融前后临界孔径增加7.9 nm，相比基准混凝土冻融后9%硅粉掺量的混凝土临界孔径减小了36.8 nm；基准混凝土冻融前后的最可几孔径增加了10.1 nm，而9%硅粉掺量的复合改性路面混凝土冻融前后最可几孔径增加了6.1 nm，相比基准混凝土冻融后9%硅粉掺量的混凝土最可几孔径减小了18.0 nm；掺入硅粉可以减缓玄武岩纤维路面混凝土的孔隙劣化进程，从而抑制孔隙贯通和孔隙尺寸扩展，对内部孔隙结构起到优化作用。

图4 冻融作用下复合改性路面混凝土临界孔径及最可几孔径试验结果Fig.4 Test results of critical pore size and mean pore-size of pavement concrete under freeze-thaw action

2.3 基于SEM微观图像的界面区结构分析

图5为基准混凝土及9%硅粉掺量的复合改性路面混凝土冻融150次后纤维-水泥石界面区SEM照片。

图5 冻融循环150次纤维-水泥石界面区SEM照片Fig.5 SEM images of fiber-cement interface zone after 150 times freeze-thaw cycles

从图5可以看出，冻融150次后玄武岩纤维路面混凝土中玄武岩纤维与水泥石裹附不紧密，水化产物没有紧紧附着在纤维表面，水化产物与纤维表面存在明显间隙，玄武岩纤维与水泥石粘结性能变差，而玄武岩纤维对混凝土性能的改善主要是依靠水泥石将应力传递给玄武岩纤维，从而发挥玄武岩纤维对混凝土的增强作用，所以冻融作用明显减小了纤维对混凝土的增强作用。而与基准组相比，9%硅粉掺量的硅粉复合改性混凝土中的玄武岩纤维与水泥石裹附效果有所提高，纤维与水化产物之间间隙明显小于基准组，粘结性能变好，掺入硅粉减小了冻融作用对纤维-水泥石界面区结构的破坏程度。

图6为基准混凝土及9%硅粉掺量的复合改性路面混凝土在冻融150次后骨料-水泥石界面区SEM照片。

图6 冻融循环150次骨料-水泥石界面区SEM照片Fig.6 SEM images of aggregate-cement interface zone after 150 times freeze-thaw cycles

由图6可知，冻融150次后玄武岩纤维路面混凝土界面区结构发生了明显的劣化，混凝土界面区孔隙增多，微裂纹进一步扩展、贯通形成裂缝，裂缝长度及宽度均有所增加，而且界面区结构变得疏松，粘结性能变差。这主要是因为骨料和水泥石材料性质不同，在冻融环境下两种材料对温度敏感性有所差异，发生不同程度的膨胀收缩，从而产生应力，使孔隙变大、贯通，裂纹扩展为裂缝。而且冻融过程会产生双重压力，分别是水分冻结产生的膨胀压力及水分融化流动产生的渗透压力，混凝土在这双重压力作用下界面区骨料和水泥石应变不同，使界面区结构出现更多的裂缝和孔隙，导致骨料-水泥石界面区结构出现劣化。

与基准组相比，冻融150次后，9%硅粉掺量的玄武岩纤维路面混凝土的孔隙数量、裂纹贯通程度、裂缝宽度及长度均有所减小。主要是因为硅粉尺寸极小，可以填充在集料表面，消耗表面原先富集的水分，降低水胶比，从而改善界面区，减小界面的薄弱性，此外硅粉还可以优化胶凝材料的级配，减小混凝土孔隙。另外硅粉颗粒富含的SiO2成分可以与水泥水化产物C-H反应生成C-S-H凝胶，填补结构孔隙，减少界面区粗大晶体C-H含量，降低定向排列程度，从而显著降低有害介质对混凝土的侵蚀作用及冻融破坏作用。