冯宝君

(葫芦岛市绥中县水利建筑工程公司，辽宁 葫芦岛 125200)

由于受到冻融破坏作用北方寒区水工构筑物难以维持长效运行，研究混凝土抗冻耐久性及其冻融破坏机理，并提出行之有效的混凝土性能改善措施显得非常重要。目前，学术界对混凝土冻融破坏普遍认可的是渗透压和静水压两种理论，但实践表明混凝土浆体与冻融作用密切相关[1-3]。在混凝土中掺入轻质颗粒或内部多孔隙的固体掺加剂，能够有效缓解冻融破坏时混凝土的冻胀应力，将轻质颗粒掺入干硬性混凝土能够发挥缓解冻胀应力的作用，这也是一种改善低塑性混凝土抗冻性的重要途径。

为改善北方寒区水工混凝土抗冻性，文章选用橡胶粉、EPS颗粒(可发性聚苯乙烯)和陶砂3种轻质材料，其中橡胶粉和EPS颗粒属弹性固体材料，陶砂属轻质骨料，深入探讨了不同轻质颗粒及其掺量对砂浆抗冻性的影响，旨在为北方寒区水工混凝土方案设计提供一定参考。

1 试验方法

1.1 原材料准备

试验所用材料有水、水泥、粉煤灰、橡胶粉、普通中砂、陶砂、EPS颗粒，其中水泥为P·O 42.5“海螺牌”硅酸盐水泥；粉煤灰为Ⅱ级；普通中砂的细度模数2.4，普通中砂颗粒级配，见表1。试验所用陶砂1h吸水率6.5%，表观密度1780kg/m3，细度模数1.6，级数为700，陶砂级配，见表2。EPS颗粒吸水率1.5%，表观密度20.5kg/m3。

表1 普通中砂颗粒级配

表2 陶砂级配

1.2 方案设计

在低塑性砂浆中掺入不同类型的轻质颗粒，并利用快速冻融法测试砂浆抗冻性，其中EPS颗粒和陶砂设计掺量为2%、4%、6%，橡胶粉设计掺量为1%、2%。低塑性砂浆试件质量按每冻融循环5次测试一次，以质量损失达到5%作为冻融循环终止条件。冻融循环后取出试件，依次测试抗压强度，探讨不同冻融循环下低塑性砂浆的抗压强度和质量损失状况。

1.3 试验方法

试验设计低塑性砂浆试件尺寸70mm×70mm×70mm，砂浆含气量利用水泥砂浆含气筒测试，成型后利用承压板和压重块碾压，按表面压强4.8kPa设计试件成型总质量，将粗骨料剔除测试凝胶砂砾石低塑性砂浆抗冻性[4]。试验过程中标准养护各组试件，为保证试件处于饱水状态，待养护至规定龄期的前3d取水浸入水中，利用CDR-5快速冻融试验机测试试件的抗冻性，完成冻融试验后再测试各组试件的抗压强度[5]。

2 掺轻质颗粒的低塑性砂浆抗冻性

2.1 不同陶砂掺量

随着冻融循环次数的增加，不同陶砂掺量的低塑性砂浆抗压强度及质量损失情况，冻融作用下掺陶砂砂浆试件性能变化，见图1。由图1(a)可知，冻融循环≤10次时不同陶砂掺量的砂浆试件质量损失均在1%以内，冻融循环达到15次后各组试件出现明显的质量损失，当冻融循环达到20次时试件质量损失>5%，即发生严重的破坏。由图1(b)可知，冻融循环达到20次情况下，低塑性砂浆强度损失随陶砂掺量的增加而减小，基准砂浆和掺2%、4%、6%陶砂砂浆的抗压强度损失分别为51.8%、45.2%、38.4%、25.1%。总体而言，将陶砂掺入低塑性砂浆中能够明显改善其抗冻性能，并且抗冻性随陶砂掺量的增加而增强。

(a)质量损失 (b)强度损失图1 冻融作用下掺陶砂砂浆试件性能变化

2.2 不同EPS颗粒掺量

随着冻融循环次数的增加，不同EPS颗粒掺量的低塑性砂浆抗压强度及质量损失情况，冻融作用下掺EPS颗粒砂浆试件性能变化，见图2。由图2(a)可知，掺EPS颗粒的砂浆冻融破坏与掺陶砂相似，冻融循环≤10次时不同EPS颗粒掺量的砂浆试件质量损失均在1%以内，冻融循环达到15次后各试件出现明显的质量损失，当冻融循环达到20次时试件质量损失>5%，即发生严重的破坏。在冻融次数相同的条件下，掺6%EPS颗粒的砂浆试件质量损失略高于基准组。由图2(b)可知，冻融循环达到20次情况下，掺EPS颗粒的低塑性砂浆强度损失略低于基准组，并且低塑性砂浆掺不同EPS掺量时其强度损失相差不大，但低塑性砂浆掺6%EPS颗粒的强度损失高于掺4%的强度损失。总体而言，将适量EPS颗粒掺入低塑性砂浆中能够在一定程度上改善其抗冻性能[6]，并且EPS颗粒掺量一般≤4%。

(a)质量损失 (b)强度损失图2 冻融作用下掺EPS颗粒砂浆试件性能变化

2.3 不同橡胶粉掺量

本试验以40、60、80、100目4种粒径的橡胶粉作为轻质材料，按1%、2%掺量将个粒径材料加入低塑性砂浆试件中，测试不同冻融循环下各组砂浆试件的抗压强度及质量损失，冻融作用下掺橡胶粉砂浆试件性能变化，见图3。由图3(a)可知，掺橡胶粉的砂浆冻融破坏与掺陶砂、EPS颗粒相似，冻融循环≤10次时不同橡胶粉掺量的砂浆试件质量损失均在1%以内，冻融循环达到15次后各试件出现明显的质量损失，当冻融循环达到20次时试件质量损失>5%，即发生严重的破坏。由图3(b)可知，冻融循环达到20次情况下，掺橡胶粉的低塑性砂浆强度损失明显低于基准组，并且掺量越高试件的强度损失越小；在相同掺量条件下，各组试件的砂浆强度损失程度相差不大，并且橡胶粉粒径越大则砂浆强度损失也越大。总体而言，将适量橡胶粉掺入低塑性砂浆中能够明显改善其抗冻性，橡胶粉掺量越大、粒径越小其改善砂浆抗冻性的效果就越好[7]。

(c)质量损失 (b)强度损失图3 冻融作用下掺橡胶粉砂浆试件性能变化

2.4 轻质颗粒改善砂浆抗冻性机理

在低塑性砂浆中掺入橡胶粉、EPS颗粒和陶砂，由于内部大孔隙较多直接用DSX软件分析会引起误差的增大，因此孔隙分析时选用普通砂浆。对掺不同轻质颗粒的普通砂浆利用DSX软件分析其孔隙率，结果显示掺橡胶粉、EPS颗粒和陶砂的砂浆内孔隙率依次为9.12%、9.57%、7.34%，这与基准组的8.81%相差并不明显，研究表明将轻质颗粒掺入普通砂浆中其改善砂浆孔隙结构的作用不大[8-9]。

未掺轻质颗粒的低塑性砂浆胶砂比为1:4.6，橡胶粉、EPS颗粒和陶砂的掺入明显提高了低塑性砂浆的含气量，并且掺量越高含气量越高[10]。将轻质颗粒掺入低塑性砂浆中能够在一定程度上改善其抗冻性，具体而言：在砂浆搅拌过程中陶砂内部的大量小孔能够吸收水分，在水化过程中孔隙内的水分可迁移至水泥石中，从而发挥一定的养护作用，且内部孔隙处于不饱和状态，砂浆受冻时陶砂中的孔隙能够在很大程度上缓解砂浆的冻胀破坏；EPS颗粒具有吸水率小、表面光滑、内部多孔隙等特征[11]，水分无法通过孔隙渗入内部，受冻时能够抵消砂浆的冻融应力；橡胶粉具有一定的弹塑性且内部密实，受冻融破坏时橡胶粉能够抵抗砂浆受到的冻胀应力[12-18]。

3 结 论

文章探讨了橡胶粉、EPS颗粒(可发性聚苯乙烯)和陶砂3种轻质材料改善低塑性砂浆的抗冻性能，并在此基础上探讨了其作用机理，主要结论为：

1)由于胶砂比较低低塑性砂浆的抗压强度明显低于普通砂浆，将轻质颗粒掺入低塑性混凝土中，在一定程度上降低了砂浆抗压强度，并且砂浆抗压强度损失随轻质颗粒掺量的增加而增大，其中砂浆强度受陶砂的影响最低。

2)采用轻质颗粒改善普通砂浆和低塑性砂浆的抗冻性时，EPS颗粒掺量一般≤4%，其中橡胶粉对砂浆抗冻性的改善效果由于EPS颗粒和陶砂，并且橡胶粉掺量越高、粒径越小则抗冻性改善效果越明显。