二灰碎石基層材料抗凍性研究 

王保龍 李迎春　錢春香 

【南京市公路建設(shè)處　南京　210008】【東南大學(xué)材料科學(xué)與工程系　南京　210096】

　

摘　要　本研究進(jìn)行了多組防凍劑方案的二灰碎石抗凍試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果，得出了有關(guān)二灰碎石防凍劑研究的幾點(diǎn)思路
關(guān)鍵詞　公路　基層　二灰碎石　防凍劑　研究


　　石灰、粉煤灰穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱“二灰碎石”。它是通過(guò)無(wú)機(jī)結(jié)合料石灰、粉煤灰膠結(jié)碎石產(chǎn)生強(qiáng)度的一種半剛性結(jié)構(gòu)。冬季TRANBBS施工時(shí)，二灰碎石強(qiáng)度發(fā)展緩慢，不足以抵抗凍害，所以必須采取覆蓋等防凍措施。即使如此，通常在日平均氣溫為５℃以下時(shí)停止施工。因此，開(kāi)展二灰碎石抗凍性能的研究具有重要意義。
研究目的是研制二灰碎石冬季用的防凍劑，要求適應(yīng)于南京及附近地區(qū)的冬季施工，最低氣溫在－５℃～－７℃左右。根據(jù)防凍機(jī)理，本研究主要從摻加化學(xué)添加劑降低溶液的冰點(diǎn)、摻加水泥提高早期強(qiáng)度、摻加引氣劑提高凍融循環(huán)能力三種TRANBBS技術(shù)途徑開(kāi)展研究。
１　試驗(yàn)研究
１?１　原材料性能
①　粉煤灰
　　本試驗(yàn)使用兩種粉煤灰以便比較。一種是Ⅱ級(jí)粉煤灰，另一種是Ⅲ級(jí)粉煤灰。它們的各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果分別列于表１、２中。
②石灰
本試驗(yàn)采用寧高公路南京段施工用消石灰。據(jù)測(cè)試，其活性ＣａＯ＋ＭｇＯ的含量為５８?８％，按標(biāo)準(zhǔn)屬于Ⅲ級(jí)灰。本試驗(yàn)所用的消石灰均過(guò)篩５ｍｍ。
③碎石和米砂
本試驗(yàn)采用的碎石和米砂也取自寧高公路南京段施工現(xiàn)場(chǎng)。對(duì)碎石進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)壓碎值指標(biāo)試驗(yàn)，其質(zhì)量損失為２０?１％。碎石與米砂的配比為６０∶４０，集料級(jí)配符合連續(xù)級(jí)配的要求。
④水泥：本試驗(yàn)采用普通４２５＃硅酸鹽水泥。
１?２　試驗(yàn)方法
本研究方案列于表３。凍融條件為－８℃凍４小時(shí)，再標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)融２０小時(shí)。
　本試驗(yàn)成型的是Φ１０ｃｍ×１０ｃｍ的試件。二灰碎石的配合比為消石灰∶粉煤灰∶集料＝６∶１３∶８１?重量比?，集料中碎石∶米砂＝６０∶４０?重量比?，最佳含水率為８?９％，化學(xué)添加劑的總用量為水量的１５％，水泥用量為等量取代１５％的膠凝材料?石灰＋粉煤灰?，引氣劑用量為膠凝材料的５／１００００。
１?３　試驗(yàn)結(jié)果與分析
二灰碎石７、２８天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度、凍后強(qiáng)度以及凍穩(wěn)系數(shù)?凍融后的強(qiáng)度與凍融前的強(qiáng)度之比?示于圖１、２和表４。
從以上圖表可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：
?１?摻加水泥對(duì)二灰碎石的抗凍能力有顯著的提高作用，無(wú)論是在早期，還是在后期。
凡是摻加了水泥的１１、１２、１３、１４組的試件都具有較強(qiáng)的抗凍能力，其本身的強(qiáng)度相對(duì)于其它組的試件普遍高出很多。
?２?有若干組的化學(xué)添加劑的防凍效果早期和后期都較好。
這幾組效果較好的化學(xué)添加劑是第３組的ＮａＣｌ、第６組的Ｎａ２ＳＯ４－ＣＯ?ＮＨ２?２、第７組的ＮａＯＨ－ＣＯ?ＮＨ２?２和第８組的Ｋ２ＣＯ３－Ｎａ２ＣＯ３。本文認(rèn)為它們雖然達(dá)到的效果都較好，但作用的方式卻不盡相同。 
第３組ＮａＣｌ主要是以降低冰點(diǎn)的作用為主，由文獻(xiàn)〔４〕的數(shù)據(jù)可知占水重１５％的純ＮａＣｌ溶液的冰點(diǎn)為－９?５℃，低于－８℃，所以第３組試件在受凍時(shí)內(nèi)部很可能并未結(jié)冰。ＮａＣｌ還具有一定的早強(qiáng)作用，這已被本試驗(yàn)的結(jié)果所證實(shí)。
第６組的ＮａＳＯ４和ＣＯ?ＮＨ２?２降低冰點(diǎn)的作用在本文的摻量范圍內(nèi)都不很突出，冰點(diǎn)都在－３℃以上，其防凍效果好的原因是冰晶畸變Ｎａ２ＳＯ４會(huì)與二灰碎石中的Ｃａ?ＯＨ?２和活性ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３反應(yīng)生成鈣礬石和單硫型水化硫鋁酸鈣等產(chǎn)物，從而起到早強(qiáng)作用。具體的反應(yīng)如下： 
　　Ｎａ２ＳＯ４＋Ｃａ?ＯＨ?２?ＣａＳＯ４＋ＮａＯＨ?
　　３Ｃａ?ＯＨ?２＋Ａｌ２Ｏ３＋３ＣａＳＯ４＋２８Ｈ２Ｏ?３ＣａＯ·Ａｌ２Ｏ３·３ＣａＳＯ４·３１Ｈ２Ｏ
　　３Ｃａ?ＯＨ?２＋Ａｌ２Ｏ３＋ＣａＳＯ４＋９Ｈ２Ｏ?３ＣａＯ·
Ａｌ２Ｏ３·ＣａＳＯ４·１２Ｈ２Ｏ
　　第７組的防凍效果好主要是發(fā)揮了ＮａＯＨ的早強(qiáng)和降低冰點(diǎn)的作用，ＣＯ?ＮＨ２?２的冰晶畸變作用。摻入或反應(yīng)生成的強(qiáng)堿ＮａＯＨ能以分子擴(kuò)散形式進(jìn)入到粉煤灰硅鋁玻璃體內(nèi)部，使硅氧鍵破壞以致斷裂：
≡Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ≡＋ＮａＯＨ?≡Ｓｉ－ＯＨ＋Ｎａ－Ｏ－Ｓｉ≡
同時(shí)提高液相介質(zhì)的ＰＨ值，使液相中溶蝕的硅膠電離度增加：
　　Ｈ４ＳｉＯ４＝ｎＨ＋＋Ｈ４－ｎＳｉＯ４ｎ－?ｎ≤４?
當(dāng)ＰＨ值提高，液相中氫離子濃度降低，平衡向生成硅酸根離子的方向移動(dòng)，從而使穩(wěn)定土中早期火山灰系列水化產(chǎn)物的生成量增加，強(qiáng)度相應(yīng)提高。ＣＯ?ＮＨ２?２的作用則與上所述相同。
第８組的Ｋ２ＣＯ３－Ｎａ２ＣＯ３則主要起早強(qiáng)作用，降低冰點(diǎn)的作用則不太明顯。早強(qiáng)作用是通過(guò)反應(yīng)：
　　Ｋ２ＣＯ３＋Ｃａ?ＯＨ?２?ＣａＣＯ３?＋２ＫＯＨ；
　　Ｎａ２ＣＯ３＋Ｃａ?ＯＨ?２?ＣａＣＯ３?＋２ＮａＯＨ?
來(lái)實(shí)現(xiàn)的。并且同時(shí)生成一定數(shù)量的ＮａＯＨ，起了堿性激發(fā)作用，進(jìn)一步促進(jìn)了強(qiáng)度的增長(zhǎng)。
?３?摻加引氣劑有一定的效果
這說(shuō)明加引氣劑可以有效地提高二灰碎石試件的抗凍融循環(huán)能力，可以推測(cè)其機(jī)理的混凝土是相似的。引氣劑兼有減水作用，從而使試件成型得更均勻密實(shí)，強(qiáng)度也有所提高。
另外，通過(guò)１２和１４組試件的性能比較，可以得出使用Ⅱ級(jí)粉煤灰比使用Ⅲ級(jí)粉煤灰的抗凍效果要好，其原因主要是Ⅱ級(jí)粉煤灰活性高，從而有更高的強(qiáng)度抵抗凍害。
２　結(jié)論
通過(guò)上述１４種試驗(yàn)方案的初步研究，可得出下列幾點(diǎn)結(jié)論：
１?二灰碎石中摻加適量水泥，可顯著改善抗凍性能，本研究采用１５％水泥等量取代石灰和粉煤灰膠凝材料；
２?摻加化學(xué)添加劑可以改善二灰碎石的抗凍性，但不同品種的添加劑的防凍效果有很大差異；
３?引氣劑對(duì)二灰碎石的抗凍性也有一定作用。
參考文獻(xiàn)
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２.沙愛(ài)民，半剛性路面材料結(jié)構(gòu)與性能，北京：人民TRANBBS交通出版社，１９９８年４月，第一版
３.Ｒ?Ｃ?Ｗｅａｓｔ?ＣＲＣ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ?４５ｔｙ? ５１ｔｈｅｄ．?Ｂ１４８，Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｕｂｂｅｒ Ｐｕｂ．?Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ Ｏｈｉｏ
４.盧璋、洪雷，混凝土防凍劑作用機(jī)理研究，低溫建筑技術(shù)，１９８８年第四期
５.馮浩、朱清江，混凝土外加劑工程應(yīng)用手冊(cè)，北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，１９９９年