二灰碎石基層材料抗凍性研究 

王保龍 李迎春　錢春香 

【南京市公路建設處　南京　210008】【東南大學材料科學與工程系　南京　210096】

　

摘　要　本研究進行了多組防凍劑方案的二灰碎石抗凍試驗，分析試驗結果，得出了有關二灰碎石防凍劑研究的幾點思路
關鍵詞　公路　基層　二灰碎石　防凍劑　研究


　　石灰、粉煤灰穩定碎石結構簡稱“二灰碎石”。它是通過無機結合料石灰、粉煤灰膠結碎石產生強度的一種半剛性結構。冬季TRANBBS施工時，二灰碎石強度發展緩慢，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℃以下時停止施工。因此，開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，要求適應于南京及附近地區的冬季施工，最低氣溫在－５℃～－７℃左右。根據防凍機理，本研究主要從摻加化學添加劑降低溶液的冰點、摻加水泥提高早期強度、摻加引氣劑提高凍融循環能力三種TRANBBS技術途徑開展研究。
１　試驗研究
１?１　原材料性能
①　粉煤灰
　　本試驗使用兩種粉煤灰以便比較。一種是Ⅱ級粉煤灰，另一種是Ⅲ級粉煤灰。它們的各項性能指標的測試結果分別列于表１、２中。
②石灰
本試驗采用寧高公路南京段施工用消石灰。據測試，其活性ＣａＯ＋ＭｇＯ的含量為５８?８％，按標準屬于Ⅲ級灰。本試驗所用的消石灰均過篩５ｍｍ。
③碎石和米砂
本試驗采用的碎石和米砂也取自寧高公路南京段施工現場。對碎石進行標準壓碎值指標試驗，其質量損失為２０?１％。碎石與米砂的配比為６０∶４０，集料級配符合連續級配的要求。
④水泥：本試驗采用普通４２５＃硅酸鹽水泥。
１?２　試驗方法
本研究方案列于表３。凍融條件為－８℃凍４小時，再標準養護融２０小時。
　本試驗成型的是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　試驗結果與分析
二灰碎石７、２８天標準養護的強度、凍后強度以及凍穩系數?凍融后的強度與凍融前的強度之比?示于圖１、２和表４。
從以上圖表可得出以下幾點結論：
?１?摻加水泥對二灰碎石的抗凍能力有顯著的提高作用，無論是在早期，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的抗凍能力，其本身的強度相對于其它組的試件普遍高出很多。
?２?有若干組的化學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。本文認為它們雖然達到的效果都較好，但作用的方式卻不盡相同。 
第３組ＮａＣｌ主要是以降低冰點的作用為主，由文獻〔４〕的數據可知占水重１５％的純ＮａＣｌ溶液的冰點為－９?５℃，低于－８℃，所以第３組試件在受凍時內部很可能并未結冰。ＮａＣｌ還具有一定的早強作用，這已被本試驗的結果所證實。
第６組的ＮａＳＯ４和ＣＯ?ＮＨ２?２降低冰點的作用在本文的摻量范圍內都不很突出，冰點都在－３℃以上，其防凍效果好的原因是冰晶畸變Ｎａ２ＳＯ４會與二灰碎石中的Ｃａ?ＯＨ?２和活性ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３反應生成鈣礬石和單硫型水化硫鋁酸鈣等產物，從而起到早強作用。具體的反應如下： 
　　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揮了ＮａＯＨ的早強和降低冰點的作用，ＣＯ?ＮＨ２?２的冰晶畸變作用。摻入或反應生成的強堿ＮａＯＨ能以分子擴散形式進入到粉煤灰硅鋁玻璃體內部，使硅氧鍵破壞以致斷裂：
≡Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ≡＋ＮａＯＨ?≡Ｓｉ－ＯＨ＋Ｎａ－Ｏ－Ｓｉ≡
同時提高液相介質的ＰＨ值，使液相中溶蝕的硅膠電離度增加：
　　Ｈ４ＳｉＯ４＝ｎＨ＋＋Ｈ４－ｎＳｉＯ４ｎ－?ｎ≤４?
當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，從而使穩定土中早期火山灰系列水化產物的生成量增加，強度相應提高。ＣＯ?ＮＨ２?２的作用則與上所述相同。
第８組的Ｋ２ＣＯ３－Ｎａ２ＣＯ３則主要起早強作用，降低冰點的作用則不太明顯。早強作用是通過反應：
　　Ｋ２ＣＯ３＋Ｃａ?ＯＨ?２?ＣａＣＯ３?＋２ＫＯＨ；
　　Ｎａ２ＣＯ３＋Ｃａ?ＯＨ?２?ＣａＣＯ３?＋２ＮａＯＨ?
來實現的。并且同時生成一定數量的ＮａＯＨ，起了堿性激發作用，進一步促進了強度的增長。
?３?摻加引氣劑有一定的效果
這說明加引氣劑可以有效地提高二灰碎石試件的抗凍融循環能力，可以推測其機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，強度也有所提高。
另外，通過１２和１４組試件的性能比較，可以得出使用Ⅱ級粉煤灰比使用Ⅲ級粉煤灰的抗凍效果要好，其原因主要是Ⅱ級粉煤灰活性高，從而有更高的強度抵抗凍害。
２　結論
通過上述１４種試驗方案的初步研究，可得出下列幾點結論：
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?引氣劑對二灰碎石的抗凍性也有一定作用。
參考文獻
１.周云鱗，冰晶畸變與混凝土抗凍結構模型，低溫建筑技術，１９８６年第二期
２.沙愛民，半剛性路面材料結構與性能，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理研究，低溫建筑技術，１９８８年第四期
５.馮浩、朱清江，混凝土外加劑工程應用手冊，北京：中國建筑工業出版社，１９９９年