二灰碎石基层材料抗冻性研究 

王保龙 李迎春　钱春香 

【南京市公路建设处　南京　210008】【东南大学材料科学与工程系　南京　210096】

　

摘　要　本研究进行了多组防冻剂方案的二灰碎石抗冻试验，分析试验结果，得出了有关二灰碎石防冻剂研究的几点思路
关键词　公路　基层　二灰碎石　防冻剂　研究


　　石灰、粉煤灰稳定碎石结构简称“二灰碎石”。它是通过无机结合料石灰、粉煤灰胶结碎石产生强度的一种半刚性结构。冬季TRANBBS施工时，二灰碎石强度发展缓慢，不足以抵抗冻害，所以必须采取覆盖等防冻措施。即使如此，通常在日平均气温为５℃以下时停止施工。因此，开展二灰碎石抗冻性能的研究具有重要意义。
研究目的是研制二灰碎石冬季用的防冻剂，要求适应于南京及附近地区的冬季施工，最低气温在－５℃～－７℃左右。根据防冻机理，本研究主要从掺加化学添加剂降低溶液的冰点、掺加水泥提高早期强度、掺加引气剂提高冻融循环能力三种TRANBBS技术途径开展研究。
１　试验研究
１?１　原材料性能
①　粉煤灰
　　本试验使用两种粉煤灰以便比较。一种是Ⅱ级粉煤灰，另一种是Ⅲ级粉煤灰。它们的各项性能指标的测试结果分别列于表１、２中。
②石灰
本试验采用宁高公路南京段施工用消石灰。据测试，其活性ＣａＯ＋ＭｇＯ的含量为５８?８％，按标准属于Ⅲ级灰。本试验所用的消石灰均过筛５ｍｍ。
③碎石和米砂
本试验采用的碎石和米砂也取自宁高公路南京段施工现场。对碎石进行标准压碎值指标试验，其质量损失为２０?１％。碎石与米砂的配比为６０∶４０，集料级配符合连续级配的要求。
④水泥：本试验采用普通４２５＃硅酸盐水泥。
１?２　试验方法
本研究方案列于表３。冻融条件为－８℃冻４小时，再标准养护融２０小时。
　本试验成型的是Φ１０ｃｍ×１０ｃｍ的试件。二灰碎石的配合比为消石灰∶粉煤灰∶集料＝６∶１３∶８１?重量比?，集料中碎石∶米砂＝６０∶４０?重量比?，最佳含水率为８?９％，化学添加剂的总用量为水量的１５％，水泥用量为等量取代１５％的胶凝材料?石灰＋粉煤灰?，引气剂用量为胶凝材料的５／１００００。
１?３　试验结果与分析
二灰碎石７、２８天标准养护的强度、冻后强度以及冻稳系数?冻融后的强度与冻融前的强度之比?示于图１、２和表４。
从以上图表可得出以下几点结论：
?１?掺加水泥对二灰碎石的抗冻能力有显著的提高作用，无论是在早期，还是在后期。
凡是掺加了水泥的１１、１２、１３、１４组的试件都具有较强的抗冻能力，其本身的强度相对于其它组的试件普遍高出很多。
?２?有若干组的化学添加剂的防冻效果早期和后期都较好。
这几组效果较好的化学添加剂是第３组的ＮａＣｌ、第６组的Ｎａ２ＳＯ４－ＣＯ?ＮＨ２?２、第７组的ＮａＯＨ－ＣＯ?ＮＨ２?２和第８组的Ｋ２ＣＯ３－Ｎａ２ＣＯ３。本文认为它们虽然达到的效果都较好，但作用的方式却不尽相同。 
第３组ＮａＣｌ主要是以降低冰点的作用为主，由文献〔４〕的数据可知占水重１５％的纯ＮａＣｌ溶液的冰点为－９?５℃，低于－８℃，所以第３组试件在受冻时内部很可能并未结冰。ＮａＣｌ还具有一定的早强作用，这已被本试验的结果所证实。
第６组的ＮａＳＯ４和ＣＯ?ＮＨ２?２降低冰点的作用在本文的掺量范围内都不很突出，冰点都在－３℃以上，其防冻效果好的原因是冰晶畸变Ｎａ２ＳＯ４会与二灰碎石中的Ｃａ?ＯＨ?２和活性ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３反应生成钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙等产物，从而起到早强作用。具体的反应如下： 
　　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组的防冻效果好主要是发挥了ＮａＯＨ的早强和降低冰点的作用，ＣＯ?ＮＨ２?２的冰晶畸变作用。掺入或反应生成的强碱ＮａＯＨ能以分子扩散形式进入到粉煤灰硅铝玻璃体内部，使硅氧键破坏以致断裂：
≡Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ≡＋ＮａＯＨ?≡Ｓｉ－ＯＨ＋Ｎａ－Ｏ－Ｓｉ≡
同时提高液相介质的ＰＨ值，使液相中溶蚀的硅胶电离度增加：
　　Ｈ４ＳｉＯ４＝ｎＨ＋＋Ｈ４－ｎＳｉＯ４ｎ－?ｎ≤４?
当ＰＨ值提高，液相中氢离子浓度降低，平衡向生成硅酸根离子的方向移动，从而使稳定土中早期火山灰系列水化产物的生成量增加，强度相应提高。ＣＯ?ＮＨ２?２的作用则与上所述相同。
第８组的Ｋ２ＣＯ３－Ｎａ２ＣＯ３则主要起早强作用，降低冰点的作用则不太明显。早强作用是通过反应：
　　Ｋ２ＣＯ３＋Ｃａ?ＯＨ?２?ＣａＣＯ３?＋２ＫＯＨ；
　　Ｎａ２ＣＯ３＋Ｃａ?ＯＨ?２?ＣａＣＯ３?＋２ＮａＯＨ?
来实现的。并且同时生成一定数量的ＮａＯＨ，起了碱性激发作用，进一步促进了强度的增长。
?３?掺加引气剂有一定的效果
这说明加引气剂可以有效地提高二灰碎石试件的抗冻融循环能力，可以推测其机理的混凝土是相似的。引气剂兼有减水作用，从而使试件成型得更均匀密实，强度也有所提高。
另外，通过１２和１４组试件的性能比较，可以得出使用Ⅱ级粉煤灰比使用Ⅲ级粉煤灰的抗冻效果要好，其原因主要是Ⅱ级粉煤灰活性高，从而有更高的强度抵抗冻害。
２　结论
通过上述１４种试验方案的初步研究，可得出下列几点结论：
１?二灰碎石中掺加适量水泥，可显著改善抗冻性能，本研究采用１５％水泥等量取代石灰和粉煤灰胶凝材料；
２?掺加化学添加剂可以改善二灰碎石的抗冻性，但不同品种的添加剂的防冻效果有很大差异；
３?引气剂对二灰碎石的抗冻性也有一定作用。
参考文献
１.周云鳞，冰晶畸变与混凝土抗冻结构模型，低温建筑技术，１９８６年第二期
２.沙爱民，半刚性路面材料结构与性能，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.卢璋、洪雷，混凝土防冻剂作用机理研究，低温建筑技术，１９８８年第四期
５.冯浩、朱清江，混凝土外加剂工程应用手册，北京：中国建筑工业出版社，１９９９年