寒区公路泡沫混凝土抗冻融性能试验研究★

陈海洋

(黑龙江省龙建路桥第二工程有限公司,黑龙江 哈尔滨 150027)

与普通混凝土相比,泡沫混凝土具有质轻、隔热、环保、成本低等优点,已用于桥涵台背回填、软土地基加固等工程。目前对于泡沫混凝土路用性能的研究,已经取得了一定的成果。宋强等[1]研究揭示出,抗压强度和导热系数是泡沫混凝土最主要的性能参数,泡沫混凝土密度是影响其强度的主要因素。Osman Gencel等[2]通过在泡沫混凝土中添加玄武岩纤维与硅灰来提高泡沫混凝土的结构完整性,增强其抗冻耐久性。汪迎红[3]发现与堆载预压法相比,采用泡沫混凝土进行路堤填筑沉降量降低近50%。吴雨明[4]研究寒冷地区低温环境对泡沫混凝土的强度影响,通过交叉对比试验对不同配合比的泡沫混凝土进行25次冻融循环的试验,发现掺加19 mm聚丙烯纤维和聚羧酸高效减水剂后,在经过冻融循环后,强度最低损失幅度为4.4%。刘军等[5]、魏向明等[6]利用正交实验分析泡沫混凝土的最优方案和显著因素的影响关系。王蕾[7]针对冻土地区的路基填料开展冻融循环试验,发现粉黏粒掺量高对回弹模量的影响较大,在-5 ℃～0 ℃区间范围,土样的回弹模量快速下降,当粉黏粒掺量大于12%时,冻融循环和含水率对回弹模量折减系数影响较大。综上所述,尽管众多文献报道了不同配合比掺料及添加剂对泡沫混凝土的抗压强度、导热系数及抗冻耐久性的影响规律,但对于东北严寒地区的泡沫混凝土路用性能及冻融循环条件下泡沫混凝土的强度特性研究依然鲜见报道。

规划建设中的黑龙江省安达市农村公路改造工程项目SGI标段,该地区冬季严寒,持续时间长。根据中国气象网数据,近50年以来,安达地区最低气温为-41.8 ℃,其1月、2月、12月平均气温为-20.9 ℃,-15.9 ℃和-17.4 ℃。当地的路基土长期处于冻融循环条件下,出现冻胀、翻浆等路基病害,威胁道路的运营。因此,对该地区桥涵台背回填、软土地基加固工程中采用的泡沫混凝土开展冻融循环作用下的抗冻耐久性能的研究就显得十分必要[8]。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

选用哈尔滨天鹅牌P.O42.5普通硅酸盐水泥,水泥基本物理力学性能指标见表1;选用哈尔滨市依兰地区粉煤灰厂生产的一级粉煤灰,粉煤灰的化学成分见表2。泡沫选用物理发泡剂,制备泡沫应符合泡沫的指标参数。

表1 水泥的基本物理力学性能指标

表2 粉煤灰化学成分组成

1.2 试验方法

按水胶比确定用水量,用注射器量取泡沫剂放入水中,高速搅拌2 min起泡,搅拌同时均匀加入胶凝材料,然后注入100 mm×100 mm×100 mm模内成型,制作好的试件放入恒温箱中标准养护28 d。一共制备9组,每组6个,共计54个试件。

采用DP CDR-2快速冻融系统,冻融方式为水冻-水融法,设定4 h冻融循环一次,受冻和融化温度设置范围取为-20 ℃～+20 ℃,控制精度±0.5 ℃,冻融循环介质为-45 ℃防冻液。

依JG/T 266—2011泡沫混凝土,在室温下(20 ℃±1 ℃)应用YAW-2000型微机控制电液伺服压力试验机对试件进行施压,加荷速度为0.25 MPa/s,加载数据和破坏荷载由数据记录仪器自动记录。

2 试验结果及试验内容

2.1 有机硅烷对泡沫混凝土抗冻性影响

平均将9个配合比的试件分成两批,第一批试件不做任何处理,第二批试件在放入快速冻融箱之前涂刷2遍有机硅烷防水涂料。采用L9(34)的正交试验,将不同水胶比、粉煤灰掺量、硅灰掺量及矿粉掺量作为4个影响因素,并分别标记为因素A,B,C,D,以进行15次冻融循环后试件的抗压强度为例,得到表3和图1结果。

表3 正交试验结果

从表3可知,通过各因素28 d抗压强度的均值可以得出不管涂刷有机硅烷防水涂料与否,最优配合比组合均为A1B3C3D1;相比未涂防水涂料的泡沫混凝土,外涂有机硅烷防水涂料的泡沫混凝土抗压强度都有一定程度提高,4个因素抗压强度均值的最大值分别提高10.4%,8.5%,20.0%,7.1%。

从图1(a)可知,随着水胶比的增大,未刷涂防水涂料的泡沫混凝土抗压强度随之降低,而外涂防水涂料的泡沫混凝土抗压强度先减小后增大,外涂防水涂料的抗压强度都大于未涂的泡沫混凝土抗压强度;由图1(b)可知,随着粉煤灰掺量的增加,未涂和外涂防水涂料的泡沫混凝土抗压强度都先减小后增大,变化趋势相似且都在粉煤灰掺量取25%时,抗压强度取得最大值;由图1(c)可知,外涂防水涂料的泡沫混凝土抗压强度始终大于未涂的,且抗压强度都随着硅灰掺量的增加而减小,在硅灰掺量为15%时,抗压强度均取得最大值;由图1(d)可知,两种情况下都随着矿粉掺量的增大而减小,并且当矿粉掺量占料浆的比例为10%时,抗压强度取得最大值。

2.2 泡沫混凝土的抗冻性研究

对外刷2遍有机硅烷的9组配合比试件进行F200冻融循环试验,经冻融循环后的质量损失率见表4,强度损失率见图2。按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的规定,质量损失率不大于5%,强度损失率不大于20%为合格指标[9]。

表4 冻融试验质量损失率

第1组冻融循环50次时强度损失率为1.76%,冻融循环100次时质量损失率已大于5%,其抗冻能力为50次。同理,第2组—第9组试件的抗冻能力分别为50次,100次,50次,150次,100次,150次,50次,200次。

上述9组试件的数据结果均符合F50及以上抗冻融评定标准,因此针对泡沫混凝土冻融循环50次时,进一步开展有关泡沫混凝土抗冻性的研究和讨论。

由图3(a)可以看出,泡沫混凝土的冻融质量损失率随水胶比的上升先减小后增大,当水胶质量比为0.45时,泡沫混凝土的冻融质量损失率最大,为-0.23%。冻融质量损失率为负值说明质量不减反增,由于冻融水矿物质和泡沫混凝土的溶出物反应沉淀所致。冻融强度损失率随水胶比的增大先减小后趋于平缓,当水胶质量比为0.50时,冻融强度损失率最小,为2.45%。整体上较大的水胶比有利于提高泡沫混凝土的抗冻性。

由图3(b)可以看出,泡沫混凝土的冻融质量损失率随粉煤灰掺量的增加而减小,当粉煤灰掺量为15%时,泡沫混凝土的冻融质量损失率最大,为0.84%;冻融强度损失率随粉煤灰掺量的增大先增大后减小,当粉煤灰掺量为15%时,冻融强度损失率最小,为1.35%。

由图3(c)可以看出,泡沫混凝土的冻融质量损失率随硅灰掺量的增加而减小,当硅灰掺量为5%时,泡沫混凝土的冻融质量损失率最大,为-0.12%;冻融强度损失随硅灰掺量的增大而减小,增加硅灰的掺量,可以降低质量损失率和强度损失率。

由图3(d)可以看出,泡沫混凝土的冻融强度损失率随矿粉掺量的增大先增大后减小,当矿粉掺量为10%时,冻融强度损失最小,为1.24%;当矿粉掺量为20%时,冻融强度损失率最大,为3.99%,较小的矿粉掺量有利于泡沫混凝土的抗冻。

3 结论

1)涂刷有机硅烷防水涂料与否,正交试验得到的最优组合均为A1B3C3D1,确定泡沫混凝土最佳配合比为水胶质量比取0.45,粉煤灰∶硅灰∶矿粉质量比为25∶15∶10。2)经历冻融循环后外涂有机硅烷防水涂料的泡沫混凝土抗压强度均高于同配合比的未涂防水涂料的泡沫混凝土的抗压强度,平均提高10%左右,涂刷有机硅烷等防水涂料可提高其在寒区的使用性能。3)强度损失率并不一定与质量损失率的变化趋势一致,当冻融循环产生了一定的质量损失,泡沫混凝土内部可通过特定的重组和架构形成了新的稳定结构。