何　静，申向东，董　伟

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特　010018)



在盐溶液下风积沙水泥砂浆的抗冻性能研究

何静，申向东，董伟

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特010018)

研究内掺风积沙代替相同质量普通砂的风积沙水泥砂浆在盐溶液下进行快速冻融循环试验，达到一定冻融次数后分析强度、质量损失和相对动弹模量的变化情况及变化规律。结果表明：掺适量风积沙可提高砂浆抗冻性能。为解释掺风积沙提高砂浆抗冻性能原因，进行了电镜扫描试验和气泡特征参数测试，由试验得出：掺适量风积沙可以改善砂浆微观结构和气泡结构。

风积沙水泥砂浆； 抗冻性； 电镜扫描； 气泡特征参数

1　引　言

风积沙属于特细砂，是一种被风吹、积淀的沙层，多见于沙漠、戈壁，分布广泛。对建筑行业而言，建筑用砂越来越紧缺；对环境保护而言，沙漠化越来越严重。风积沙是一种危害物，也是一种资源，若能风积沙替代部分建筑用砂，不仅可解决建筑用砂紧缺问题，还可缓解沙害利于环保。已有多位学者[1-4]对风积沙物理化学性质[5]、力学性质[6]、击实特征[7]等各项性能开展研究，表明风积沙可作配制混凝土、砂浆的补充资源和缺乏砂资源地区的细骨料，已将风积沙砂浆、混凝土在工程实践中得到应用。北方地区冬天经常下雪，使人行道路、行车路面冻结，为方便行车行人，人们在路面上倾洒除冰盐使冻冰冻雪融化。除冰盐中的主要成分氯盐对路面产生侵蚀，使路面快速破坏，使用年限大大减少，维护成本增加。为解决这些问题，本文在氯盐环境下将风积沙代替普通砂进行风积沙水泥砂浆抗冻试验，在一定冻融次数后分析其强度、质量损失和相对动弹模量的变化情况及变化规律。再进行电镜扫描试验和气泡特征参数测试，研究风积沙如何影响砂浆的微观结构和抗冻性。

2　试　验

试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)进行，冻融循环试验试件尺寸采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。将标准养护到26 d的试件在盐溶液中浸泡2 d，直到试块内部达到饱水状态后取出测其初始强度、质量和相对动弹模量，再进行冻融循环试验，在达到一定冻融循环次数后，检查试块外观情况，测其强度、质量损失和相对动弹模量。

2.1试验材料

试验原材料主要有水泥、风积沙、普通砂、自来水。水泥为冀东P·O 42.5级普通水泥，其各项性能指标如表1；细骨料为天然普通砂，II区中砂，级配良好，含泥量1.8%，堆积密度1550 kg/m3，表观密度2600 kg/m3；试验中的风积沙来自内蒙古鄂尔多斯库布其沙漠，颗粒粒径分布见图1，风积沙粒径基本都小于300 μm，其中100～250 μm颗粒占78.02%。风积沙的微观形态见图2，由图2可得：风积沙的表面光滑且致密，形体呈无规则几何结构，棱角凸出，拥有一定级配，可配制水泥砂浆。风积沙的EDS见图9。盐溶液是用除冰盐和水配制，盐溶液浓度为4%的质量分数，水为普通自来水，除冰盐是含NaCl和CaCl2的复合型氯盐。

表1　冀东P·O 42.5级水泥性能指标

图1　风积沙粒径分布Fig.1　Particle size distributions of aeolian sand

图2　风积沙的SEM照Fig.2　SEM of aeolian sand

2.2试验配合比

试验采用不掺风积沙的水泥砂浆M10为基准组(HO)，试验组分别以10%、15%、20%、30%和40%质量的风积沙替代同等质量的普通砂来配制风积沙水泥砂浆。其具体配合比见表2。

表2　风积沙水泥砂浆配合比及材料用量

续表

3　结果与讨论

3.1强度变化

风积沙水泥砂浆强度与冻融次数的关系见图3，由图3可知：随冻融次数增加，水泥砂浆强度呈下降趋势；在相同冻融次数下，水泥砂浆强度随风积沙掺量增加呈先增加后下降趋势。HB组强度下降最少，剩余强度最大；基准组(HO组)强度下降较HB组多，且剩余强度较少；当风积沙掺量增加至40%时，强度下降最多且最快，剩余强度最少。HO、HD、HE冻融40次时强度下降已超过25%，但其质量损失未超过5%和相对动弹模量下降未超过60%，说明质量与相对动弹模量对砂浆抗冻性能评价具有滞后性。当冻融60次时，各组不仅强度下降超过25%，而且质量损失超过5%，相对动弹模量下降超过60%。掺入适量风积沙可提高水泥砂浆的强度，但掺量过多又导致强度降低，本试验得出风积沙的较优掺量为15%。

3.2质量变化

风积沙水泥砂浆质量损失与冻融次数的关系见图4，由图4可知：在冻融循环10次时，水泥砂浆质量有所增加，质量损失率呈负增长；随冻融次数增加，水泥砂浆质量呈下降趋势，质量损失率逐渐增加；在相同冻融次数下，水泥砂浆质量损失率随风积沙掺量增加呈先减少后增加趋势。HB组质量损失率下降最少；基准组(HO组)质量损失率下降较HB组多；当风积沙掺量增加至40%时，质量损失率下降最多且最快。当冻融60次时，各组质量损失率下降超过5%。

图3　冻融循环后的抗压强度Fig3　Compressive strength after the freeze-thaw circles

图4　冻融循环后的质量损失率Fig4　Mass loss rate after the freeze-thaw circles

3.3相对动弹模量变化

风积沙水泥砂浆相对动弹模量与冻融次数的关系见图5，由图5可知：随冻融次数增加，水泥砂浆相对动弹模量呈下降趋势；在相同冻融次数下，水泥砂浆相对动弹模量随风积沙掺量增加呈先增加后下降趋势。HB组相对动弹模量下降最少，剩余相对动弹模量最大；基准组(HO组)相对动弹模量下降较HB组多，且剩余相对动弹模量较少；当风积沙掺量增加至40%时，相对动弹模量下降最多且最快，剩余相对动弹模量最少。当冻融60次时，各组相对动弹模量下降超过60%。

3.4微结构分析

由3.1～3.3可得：本试验的最优组为HB组，且冻融40次时强度已下降25%可结束试验。则选取冻融前和冻融40次后的基准组(HO组)、最优组(HB组)、对比组(HE组)进行电镜扫描试验，分析风积沙水泥砂浆微观结构的变化情况[8-11]。

图5　冻融循环后的相对动弹模量Fig5　Relative dynamic elastic after the freeze-thaw circles

图6　HO组的SEM照片(a)HO组冻融前;(b)HO组冻融后Fig.6　SEM images of group HO

图7　HB组的SEM照片(a)HB组冻融前;(b)HB组冻融后Fig.7　SEM Photograph of group HB

对比分析冻融前图6a～8a可得：图6a中针状结晶产物很少，水泥石与普通砂形成整体，内部较致密；图7a中针状结晶产物较多，水化产物将水泥石与普通砂交织成连续的网状整体结构，内部紧致密实；图8a中针状结晶产物很多，过多的水化产物使砂浆内部膨胀开裂，形成明显初始损伤裂缝。对比分析冻融后图6b～8b可得：图6b中基本没有针状结晶产物，内部特别疏松，水泥石松散掉落，细骨料脱落，形成大量孔洞，缝隙大量产生；图7b中有少量的针状结晶产物附着在水泥基体上，内部较疏松，水泥石较松散有少量脱落，细骨料慢慢脱落，形成少量孔洞，缝隙慢慢开展；图8b中基本没有针状结晶产物，内部很疏松，水泥石松散有部分掉落，细骨料碎裂脱落，形成大量孔洞，缝隙产生较多[12-14]。

图8　HE组的SEM照片(a)HE组冻融前;(b)HE组冻融后Fig.8　SEM images of group HE

图9　风积沙的EDS分析Fig.9　Energy dispersive spectrometeranalysis of aeolian sand

由电镜图6a～8a可知各组生成的水化产物量不同，使各组砂浆表现出不同的抗冻性能。而本试验的变量是风积沙掺量，说明风积沙掺入对砂浆抗冻性能有一定影响，为研究风积沙如何影响砂浆抗冻性能，特对风积沙进行了EDS分析(如图9)。由图9得出：风积沙含有大量的Ca元素、Si元素，说明风积沙含有大量活性成分，将促进水泥发生水化反应生成水化硅酸钙(C-S-H)等凝胶，使砂浆的密实度提高，对砂浆起到增强作用[15-17]。综上所述，掺入适量风积沙确能提高砂浆抗冻性能。

3.5气泡特征参数分析

由3.1～3.3可得：本试验的最优组为HB组，且冻融40次时强度已下降25%可结束试验。本论文选取冻融40次后的基准组(HO组)、最优组(HB组)、对比组(HE组)进行气泡特征参数测试(试验仪器采用RapidAir457混凝土气孔结构分析仪)，分析掺入风积沙改善砂浆抗冻性能的原因。

表3　风积沙水泥砂浆气泡参数

气泡间距系数是表征混凝土抗冻性的重要指标，首先提出气泡间距系数的学者是Powers[18]，他认为当气泡间距系数小于250 μm(临界气泡间距系数)时，混凝土具有良好的抗冻性。其后Pigeon[19,20]进一步阐述了气泡间距系数的优点在于少做或不做冻融循环试验直接测其气泡间距系数也可判定混凝土抗冻性能的好坏状况。总结相关学者[21-23]研究得出以下结论：(1)气泡间距系数越小，比表面积越大，其抗冻性越好；(2)含气量在一定范围内越大抗冻性能越好，但含气量超过限值反而降低抗冻性能；(3)气泡弦长小且气泡弦长小的气泡数量越多其抗冻性越好。

由表3得出：(1)HB组的气泡间距系数最小，HO组次之，HE组最大；(2)HB组的比表面积最大，HO组次之，HE组最小；(3)HB组的含气量最小，HO组次之，HE组最大；(4)HO组的气泡个数最多，HB组次之，HE组最少，但其气泡平均弦长最大是HE组，HO组次之，最小是HB组。得出最终结论是HB组抗冻性最好，与本试验结果一致，且符合相关学者研究。再综合对比表3数据：未掺风积沙的HO组气泡数量最多但气泡平均弦长较大，说明弦长较长的气泡数量较多；掺入适量风积沙的HB组气泡平均弦长最小而气泡数量较多，说明掺入风积沙使气泡弦长变短，弦长较短的气泡数量多，含气量适当减少，比表面积略有提高，气泡间距系数稍有降低，抗冻性优于基准组(HO组)；掺入风积沙过多的HE组气泡平均弦长最长但气泡数量、比表面积大大减少，而含气量、气泡间距系数增大，抗冻性差于基准组(HO组)。因此掺入适量风积沙对水泥砂浆内部起挤压紧密作用，提高密实度，能改善水泥砂浆内部孔隙，大孔减少，细小孔增多，提高抗冻性能；而掺过多风积沙使水泥砂浆内部挤压过甚，细小气泡较少，抗冻性能下降。气泡特征参数测试得出的结论与电镜试验得出的结论一致。

4　结　论

(1)随着冻融次数增加，强度损失、质量损失、相对动弹模量损失不断增大。试验冻融40次时，强度下降已达25%可结束试验，但其质量下降未超过5%，相对动弹模量下降未超过60%，说明质量与相对动弹模量对砂浆抗冻性能评价具有滞后性。掺入适量风积沙可提高水泥砂浆的强度，但掺量过多又导致强度降低，本试验得出风积沙的较优掺量为15%;

(2)通过电镜扫描试验和气泡特征参数测试说明：掺入适量风积沙对水泥砂浆内部起挤压紧密作用，提高密实度，进而改善水泥砂浆内部孔隙，大孔减少，细小孔增多，提高抗冻性能；而掺过多风积沙使水泥砂浆内部挤压过甚，细小气泡较少，抗冻性能下降。

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Experiment Research of Aeolian Sand Cement Mortar Frost Resistance in Saline Solution

HEJing,SHENXiang-dong,DONGWei

(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

By mixing mass fraction of aeolian sand to replace the same weight of river sand to configure cement mortar, which carried out rapid freeze-thaw cycle test in saline solution. The change range and change law of compressive strength, mass loss, relative dynamic elastic modulus were analyzed after the certain freeze-thaw times. Results show: adding moderate aeolian sand can improve frost resistance of mortar. In order to explain the reasons for the improvement of frost resistance of mortar, We performed scanning electron microscopic experiment and air void characteristic parameters testing. The tests indicated: adding moderate aeolian sand can improve the microstructure and air void structure of mortar.

aeolian sand cement mortar;frost resistance;scanning electron microscope;air void characteristic parameters

国家自然科学基金资助项目(51569021)；高等学校博士学科点专项科研基金(20121515110002)；内蒙古自治区应用与研究开发科技计划项目(20130425)

何静(1990-)，女，硕士研究生.主要从事新型建筑材料方面的研究.

申向东，教授，博导.

TQ175

A

1001-1625(2016)04-1159-05