疲勞荷載作用下納米SiO2改性路面混凝土抗凍性及孔結構研究

周學翔，鄭文詩，吳聰

（廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530000）

0 引言

中國地域遼闊，寒冷地區分布廣泛，主要集中在東北、西北一帶，寒區氣候環境特殊，凍融循環是其主要特點。常年凍融循環對分布在寒區的道路、橋梁混凝土耐久性造成了極大損傷，影響其美觀性及使用壽命［1-2］。特別是針對路面混凝土，其斷面較厚，導熱性差，寒區溫差大，混凝土板上下溫度不均，易產生裂縫，在冬末初春時分，路面融化的雨水沿著裂縫進入混凝土板內，隨著溫度的降低、升高，繼而加劇凍融循環破壞［3-5］。由此可見，改善寒區路面混凝土抗凍性是提高其耐久性的關鍵。

關于提高混凝土耐久性的研究，國內外學者做了大量的研究工作。郭寅川等［6］研究采用水性環氧樹脂改善橋面板混凝土的耐久性，研究發現：水性環氧樹脂與水泥石結合形成致密的三維網狀結構，有利于增強混凝土抗彎拉性和疲勞性能。針對抗凍性，Liu 等［7］向混凝土中摻入硅灰提高其抗凍性，通過掃描電鏡等手段，發現硅粉顯著改善了混凝土孔結構，空隙率減小，對比基準組，相對動彈模量及質量損失率有了較好改善；董玉文等［8］對比研究不同凍融次數及橡膠粉摻量對混凝土抗凍性的影響，結果表明：在凍融次數較小時，橡膠粉對其抗凍性影響不大，當凍融次數增大到150 次時，隨著橡膠粉摻量增加，混凝土質量損失率先減小后增大，橡膠粉摻量為15 kg/m3的試件質量損失率比基準組下降3.23%。除了硅灰、橡膠粉，也有學者研究不同石墨烯摻量下混凝土抗凍性的變化規律，從試驗結果得出0.1%摻量的石墨烯抗壓強度和抗凍性最好，主要是由于其在水泥漿中形成的相互交叉的微晶體結構，彌補了混凝土結構疏散的弊端，從而減少了凍融循環對其破壞［9-11］。高國華等［12］指出納米SiO2能夠有效增強石料裹漿能力，在電子顯微鏡觀察下，納米SiO2明顯改善了混凝土界面過渡區的微觀結構，使其更加致密，孔隙明顯降低，從宏觀上表現出其抗凍性極大提高；Puentes 等［13］、Said 等［14］同樣認為，納米SiO2可降低混凝土空隙率，增強混凝土密實性、強度及抗凍性。

綜上所述，國內外學者對混凝土抗凍性的研究較單一，未考慮路面荷載因素?；诖?，本文將納米材料摻入混凝土中，納米材料種類較多，但大多價格昂貴且稀少，考慮到納米SiO2價格低廉、易獲取，且具有表面能等優點，選取納米SiO2用于改性混凝土抗凍性，通過采集質量損失率、動彈模量以及剩余抗拉強度等數據，研究納米SiO2對混凝土抗凍性的改善效果，同時對其施加疲勞荷載，模擬車輛荷載作用下納米SiO2對路面混凝土抗凍性的改善效果。

1 試驗設計

1.1 原材料

選用秦嶺牌P.O42.5 普通硅酸鹽水泥；粗集料采用石灰巖；細集料選用0～5 mm 機制砂；減水劑采用聚羧酸高性能減水劑；水為普通飲用水；納米SiO2采用親水型氣相納米SiO2，其外觀呈白色粉末狀，具體技術指標如表1 所示。

表1 納米SiO2化學組成及主要技術參數

1.2 配合比設計

為比較納米SiO2摻量對路面混凝土抗凍性的影響，本文設計了基準組與納米組混凝土配合比，如表2 所示?；谘芯空咔捌诖罅康纳皾{試驗結果，對納米SiO2摻量范圍進行了優選，最終確定納米SiO2摻量為1%、2%、3%。

表2 納米SiO2改性路面混凝土配合比

2 試驗方法及方案

2.1 疲勞加載模擬試驗

為了更真實地反映車輪荷載在水泥混凝土路面的受力狀況，本文采用MTS 萬能試驗機，如圖1所示，鑒于車輛在路面行駛是一個動態疲勞加載過程，試驗選取10 Hz 加載頻率，控制加載應力，選擇正弦波加載形式，采用100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件進行疲勞加載。同時考慮到納米SiO2改性混凝土試件在疲勞荷載作用下的階段性破壞，本文設計了分階段疲勞加載方案，基于路面軸載分布狀況，選擇0.7 荷載應力水平，將疲勞加載分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（疲勞加載次數為0、4 萬次、8 萬次）3 個作用階段，每個階段都在前一步驟結束后進行，同時設計了基準組和不同納米SiO2摻量混凝土，研究納米SiO2摻量對混凝土疲勞加載的影響。

圖1 MTS 萬能試驗機

2.2 疲勞荷載作用下混凝土凍融測試方法

研究表明：疲勞荷載和凍融循環共同作用下，混凝土質量損失、彎拉強度下降更加明顯，微觀上則表現出混凝土裂縫延長加寬、孔結構的擴展貫通等［15-17］。因此，本節將開展在疲勞荷載作用下混凝土抗凍性測試。同時為了研究納米SiO2改性混凝土在最不利條件下的凍融損壞情況，試驗將凍融循環溫度范圍設置為-20～5 ℃?；谇拔牡钠诩虞d試驗，對于每一組混凝土試件，在每個疲勞加載階段結束后，采用快凍法對混凝土試件進行凍融，試驗凍融次數初定為300 次，直到滿足規范規定的試驗停止標準，所用凍融機如圖2 所示。凍融結束后，對凍融后試件測試剩余彎拉強度，基于以上試驗結果，對基準組混凝土及一組最優的納米摻量混凝土，采用壓汞儀測試兩組試件孔結構參數及孔徑分布，同時借助光學電子顯微鏡觀察混凝土試件孔隙結構，試驗設備如圖3 所示，具體試驗方案見表3。

圖2 混凝土凍融試驗機及凍融試件

圖3 混凝土孔隙測試設備

表3 試驗方案設計

3 結果及討論

3.1 納米SiO2改性混凝土抗凍性隨荷載作用階段的變化規律

對納米SiO2改性混凝土試件分階段疲勞加載后，對應不同加載階段，分別進行凍融循環，試驗結果如圖4～6 所示。

圖4 作用階段Ⅰ下納米SiO2改性混凝土抗凍性變化規律

圖5 作用階段Ⅱ下納米SiO2改性混凝土抗凍性變化規律

圖6 作用階段Ⅲ下納米SiO2改性混凝土抗凍性變化規律

從圖4～6 可知：在0.7 應力水平作用下，不論是在哪種疲勞荷載作用階段，對于基準組混凝土和摻納米SiO2組混凝土，都表現出隨著凍融循環次數的增加，混凝土質量損失率逐漸增大，相對動彈模量逐漸減小。對比未加載的凍融組試件，當疲勞荷載次數增加到4 萬、8 萬次時，其混凝土的凍融損傷現象更嚴重。同時也可以看出：納米SiO2對混凝土抗凍性具有明顯改善效果，其中2%納米SiO2摻量的混凝土質量損失最少、相對動彈模量最大、抗凍性最好，且隨著納米SiO2摻量從1% 增加到3%，混凝土質量損失率呈現先減小后增大的趨勢，說明納米SiO2摻量并不是越多越好，這與詹培敏等［18］的研究結論相一致。

納米SiO2對混凝土抗凍性的改善，主要與納米SiO2的填充效應有關，納米SiO2分子尺寸小，能夠有效填充混凝土內部孔隙結構，增加混凝土結構的均勻性和致密性，從而提高抗凍性。當疲勞荷載作用次數增大時，會破壞混凝土內部結構，特別是加大混凝土裂紋的擴展延伸，導致在相同凍融次數下，混凝土凍融破壞更嚴重。但是當納米SiO2摻量過多時，會降低水泥漿體的流動性，導致納米SiO2在水泥漿中分散不均勻，在混凝土試件成型中，造成大孔增多，孔隙劣化加重，反而會不利于改善混凝土抗凍性［19］。

3.2 納米SiO2混凝土凍融后剩余彎拉強度

通過對混凝土試件抗凍性試驗結果分析可以看出：在凍融循環和疲勞荷載的共同作用下，納米SiO2改性路面混凝土試件的抗凍性更好，說明摻加適量納米SiO2的確能夠改善混凝土抗凍性。然而對于路面混凝土，更重要的是其在凍融及荷載作用后，剩余抗彎拉強度能否滿足道路使用要求，這直接關系到路面結構的使用安全。圖7 為不同納米SiO2摻量下路面混凝土試件在不同荷載作用階段下，經過300 次凍融循環后的剩余抗彎拉強度。

圖7 納米SiO2改性路面混凝土凍融后剩余抗彎拉強度

由圖7 可知：隨納米SiO2摻量的增加，混凝土凍融后剩余抗彎拉強度變化規律與抗凍性指標一致，均先增加后減小，在納米SiO2摻量為2%時，剩余抗彎拉強度最大。在疲勞荷載次數為0、4 萬、8 萬次時，相比基準組，2%納米SiO2摻量組混凝土剩余抗彎拉強度分別增加了47.58%、68.79%及160.24%，疲勞荷載作用次數越大，納米SiO2對混凝土凍融后剩余抗彎拉強度提升效果越明顯。當納米SiO2摻量增加到3%時，對混凝土剩余抗彎拉強度增加效果減弱，在疲勞荷載作用8 萬次后，其剩余抗彎拉強度僅比基準組提高11.16%。分析原因認為，這主要與納米SiO2的高化學活性與火山灰效應有關，在混凝土強度形成過程中，納米SiO2參與了水泥的水化反應，與水化產物氫氧化鈣反應生成C—H—S 凝膠，填充界面過渡區孔隙，從而增強了水泥漿界面強度，在混凝土后期經歷凍融循環和疲勞荷載交替作用后，剩余抗彎拉強度也更高［20］。

3.3 納米SiO2混凝土孔結構變化規律

圖8 為基準組與納米SiO2摻量為2%時的混凝土孔結構參數在凍融循環和不同荷載交替作用時的變化規律。從圖8 可以看出：不論是基準混凝土還是摻納米SiO2混凝土組，隨著疲勞荷載作用次數的增加，混凝土各孔隙結構參數均增大，說明疲勞荷載作用次數加速了混凝土孔結構的劣化。當疲勞荷載作用次數逐漸增大到8 萬次，基準混凝土空隙率從13.745% 增加到23.112%，增幅為68.15%，摻納米SiO2混凝土空隙率從12.059%增加到17.526%，增幅為45.33%。對比基準混凝土，隨著納米SiO2的摻入，混凝土各孔隙結構參數增幅均明顯減小，說明納米SiO2能夠有效抑制疲勞荷載引起的混凝土孔隙增多和孔結構劣化，從而能夠降低混凝土在凍融循環時孔隙相互貫通的概率。與其余孔隙結構參數不同的是，納米SiO2混凝土總孔隙面積在各個荷載作用階段大于基準混凝土，這是由于在空隙率降低時，總孔隙面積越大，孔隙尺寸越?。?1］。圖9、10 為基準組與納米SiO2混凝土孔結構顯微掃描圖。從圖9、10 也可以看出：隨著疲勞荷載的進一步增大，納米SiO2能夠有效延緩孔結構的擴大、貫通。從圖9（c）可以看到：當疲勞荷載增加到8 萬次時，混凝土相鄰兩孔隙已經互相貫通，這會明顯加大混凝土凍融破壞。而納米組混凝土在疲勞荷載作用下，孔隙發展減緩，有利于增強混凝土抗凍性，這也從側面解釋了混凝土孔結構參數隨疲勞荷載的變化規律。

圖8 疲勞荷載和凍融循環交替作用下混凝土孔結構參數變化規律

圖9 基準混凝土孔結構隨疲勞荷載作用階段變化掃描圖

圖10 納米SiO2混凝土孔結構隨疲勞荷載作用階段變化掃描圖

另一方面，根據孔徑大小將混凝土中孔隙分為：無害孔（<20 nm）、少害孔（20～50 nm）、有害孔（50～200 nm）及多害孔（>200 nm）。研究疲勞荷載及凍融循環交替作用下混凝土孔徑分布情況，結果如圖11 所示。

圖11 疲勞荷載與凍融循環作用下混凝土孔徑分布情況

從圖11 可以看出：隨著疲勞荷載作用次數的增加，基準組與納米SiO2混凝土多害孔和有害孔所占比例增加，無害孔及少害孔逐漸減少。但是納米SiO2混凝土多害孔及有害孔的占比明顯小于基準混凝土，當疲勞荷載增加至8 萬次，且經過300 次凍融循環后，基準混凝土多害孔從42.35% 增加到55.74%，增幅為31.62%，而納米SiO2混凝土多害孔僅從18.97%增加到25.25%，表明納米SiO2的加入改善了混凝土內部孔徑分布，降低了多害孔及有害孔的占比，有效抑制孔隙結構的劣化。在混凝土路面經歷疲勞荷載及凍融循環作用時，納米SiO2能夠減小混凝土孔隙貫穿、劣化程度，改善孔徑分布情況，從而有效提高混凝土路面的抗凍性。

4 結論

（1）在疲勞荷載與凍融循環交替作用下，適量的納米SiO2能夠顯著降低混凝土路面的質量損失以及改善動彈模量，納米SiO2極小的分子尺寸以及在混凝土中起到的晶核作用，增強了混凝土結構的密實性及穩定性，從而提高其抵抗荷載及凍融的能力。

（2）納米SiO2改性混凝土試件在經歷疲勞荷載及凍融循環后，其剩余抗彎拉強度仍明顯大于基準混凝土，且隨著疲勞荷載作用次數的增加，剩余抗彎拉強度下降的幅度也小于基準混凝土。

（3）納米SiO2的加入細化了混凝土孔結構，使得混凝土結構更加緊湊密實，除此之外，納米SiO2改善了混凝土孔徑分布情況，有效阻斷孔隙間的貫穿連通，減少水分進入混凝土內部，降低混凝土路面凍融破壞風險。

（4）混凝土內部結構微觀形貌以及界面區裂縫等對掌握混凝土路面的凍融機理、了解納米SiO2在混凝土中扮演的角色十分重要，但是由于試驗條件限制，本文尚未涉及，后續將對納米SiO2改性混凝土路面的微觀作用機理展開研究。