轮载作用下矿物掺和料对混凝土力学性能的影响研究

张迪+方琳+王建伟+蒋莉

摘 要：为了评价轮载作用下矿物掺和料对路面混凝土力学性能的影响，通过试验，研究了在轮载作用下，水灰比、粉煤灰掺量和矿渣掺量对混凝土不同龄期的动态弹性模量和抗折强度的影响。结果表明，水灰比越大、轮载作用次数越多，动态弹性模量和抗折强度越小；随着粉煤灰掺量和矿渣掺量的增大，混凝土不同龄期的动态弹性模量和抗折强度都出现先增大后减小的变化趋势；轮载作用次数对混凝土28 d动态弹性模量和抗折强度的影响程度大于56 d。关键词：混凝土；轮载作用；力学性能；矿物掺和料

中图分类号：U414.01 文献标志码：B

文章编号：1000-033X（2016）05-0071-05

Abstract： In order to evaluate the effect of mineral admixture on the mechanical properties of pavement concrete under vehicle load， the influence of water-cement ratio， fly ash and slag content on the flexural strength and dynamic elastic modulus of concrete at different ages under vehicle load was studied through tests. The results show that the greater water-cement ratio and the more times of vehicle load， the smaller the dynamic elastic modulus and flexural strength； with the increase of fly ash and slag amount， the dynamic elastic modulus and flexural strength of concrete both present the trend of going up first and then diminishing； the influence of loading times on the dynamic elastic modulus and flexural strength of 28 d is bigger than that of 56 d.

Key words： concrete； vehicle load； mechanical property； mineral admixture

0 引 言

水泥混凝土路面相比于沥青路面具有强度高、稳定性好、耐磨耗以及养护费用少等优点[1-2]。众所周知，混凝土的抗折强度、动态弹性模量等力学指标对水泥混凝土路面的使用性能和耐久性有很大影响，其中，抗折强度不足会引发路面的脆性断裂[3-5]。研究表明，在混凝土中添加适量的粉煤灰、矿渣等矿物掺和料，不仅能改善混凝土的抗碳化性能、抗开裂能力，也能改善混凝土的抗折强度、抗疲劳开裂等力学性能[6-11]。混凝土在使用时要经受车辆轮载的重复作用，因此其力学性能必定会下降。目前许多研究成果主要集中在未经轮载作用的矿物掺和料混凝土力学性能的影响方面，对经轮载重复作用后路面混凝土力学性能的研究较少。本文为模拟路面混凝土的实际工作状态，研究不同轮载次数作用后，粉煤灰和矿渣对混凝土不同龄期的动态回弹模量和抗折强度受到的影响，为研究路面混凝土的力学性能提供了一种新的思路。

1 试 验

1.1 原材料

水泥选用四川德阳特种水泥厂生产的P.O42.5水泥，其初凝时间为185 min，终凝时间为240 min，材料组成见表1。粗集料为5～20 mm连续级配碎石；细集料采用普通河砂，细度模数为2.7。矿物掺和料选用Ⅰ级粉煤灰和磨细矿渣，比表面积分别为562和500，均符合国家标准，主要化学组成分别见表2、3。减水剂为聚羧酸系高效减水剂。不同水灰比下的混凝土配合比见表4。

1.2 试验方法

混凝土试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，1 d后脱模，随后在标准养护室分别养护28 d和56 d。为了模拟混凝土路面的实际受力状况，将不同养护龄期、水灰比、粉煤灰掺量和矿渣掺量的混凝土试件置于沥青混合料车辙试验仪上。试件固定后，在室温下，调整轮胎压力为0.7 MPa，进行轮碾，加载不同的次数（10 000次和20 000次）后，按标准方法测定混凝土试件的动态弹性模量和抗折强度。文中粉煤灰掺量和矿渣掺量均以粉煤灰和矿渣替代水泥用量的比例记。

2 轮载作用下混凝土的力学性能

2.1 水灰比对力学性能的影响

水灰比分别控制为0.35、0.38和0.41，测定混凝土试件经轮载作用后不同龄期的动态弹性模量和抗折强度，试验结果见图1、2。

从图1可以看出，混凝土28 d和56 d的动态弹性模量都随水灰比的增大而减小。在未施加轮载时，当水灰比由0.35增大至0.38和0.41时，28 d的动态弹性模量分别由49.6 MPa降低至46.4 MPa和44.3 MPa。相同条件下，混凝土56 d的动态弹性模量大于28 d的动态弹性模量。随着轮载作用次数的增多，28 d和56 d的动态弹性模量都逐渐降低，而低水灰比的混凝土在承受轮载后的动态弹性模量依然大于高水灰比的混凝土。当水灰比为0.35时，混凝土28 d的动态弹性模量在承受10 000次轮载和20 000次轮载后分别为47.1 MPa和44.6 MPa，相比于未施加轮载时，分别降低2.5 MPa和3.0 MPa。

从图2可以看出，随着水灰比的增大，混凝土28 d和56 d的抗折强度大幅降低。未施加荷载时，当水灰比由0.35增大至0.38和0.41时，28 d的抗折强度分别由6.13 MPa降低为5.84 MPa和5.12 MPa，分别降低了4.7%和16.2%。这主要是因为，随着水灰比的增大，混凝土内部自由水分蒸发引起的孔隙逐渐增多，混凝土密实度降低，因此抗折强度降低。当水灰比相同时，随着轮载作用下次数的增多，混凝土不同龄期的抗折强度逐渐降低。当水灰比为0.35时，混凝土施加20 000次轮载后，28 d的抗折强度从6.13 MPa降低为5.51 MPa，56 d的抗折强度从6.32 MPa降低为5.83 MPa，分别降低了10.1%和7.8%。可以看出，随着龄期的延长，轮载作用对抗折强度的影响不断降低。这是因为，施加轮载时，混凝土内部的微裂缝逐渐扩展，混凝土内部损伤逐渐加重，因此抗折强度降低，随着龄期的延长，水泥水化引起混凝土抗折强度的增长部分抵消了轮载作用的影响，因此龄期越长，轮载对抗折强度的影响越小。

2.2 粉煤灰对力学性能的影响

控制水灰比为0.38，测定不同粉煤灰掺量（0、10%、20%和30%）时不同养护龄期混凝土经轮载后的动态弹性模量和抗折强度，试验结果分别见图3、4。

从图3可以看出，在轮载作用下，混凝土28 d的动态弹性模量随着粉煤灰掺量的增多逐渐减小，其中当掺量低于20%时，28 d动态弹性模量的减小幅度很小；当掺量大于20%时，随着粉煤灰掺量的增多，动态弹性模量大幅降低。而58 d的动态弹性模量随着粉煤灰掺量的增多表现出先增大后减小的趋势，其中当掺量为20%时，56 d的动态弹性模量达到最大值。在承受轮载20 000次后，当粉煤灰掺量由0增大至20%和30%时，56 d的动态弹性模量分别由43.4 MPa变为45.6 MPa和43.8 MPa。试验表明，粉煤灰对提高混凝土的抗轮载作用是有利的，但其最佳掺量应为20%。这是因为，粉煤灰颗粒的弹性模量大于水泥颗粒，当粉煤灰填充在混凝土内部时，混凝土整体的模量提高，因此抗轮载作用增强；但由于粉煤灰具有活性效应，当龄期小于28 d时，其活性未完全激发，因此28 d的弹性模量会随粉煤灰掺量的增多而降低，当龄期超过56 d后，粉煤灰活性被完全激发，因此动态弹性模量大幅增大。

从图4可以看出，混凝土28 d和56 d的抗折强度随粉煤灰的增大都呈现先增大后减小的趋势，当粉煤灰掺量为20%时，各龄期的抗折强度均达到最大值。相同粉煤灰掺量下，轮载作用对28 d抗折强度的影响大于56 d，例如当粉煤灰掺量为20%时，轮载由10 000次增大至20 000次，混凝土28 d的抗折强度由6.14 MPa降低为5.89 MPa，降低了4.1%，而56 d的抗折强度由6.74 MPa降低为6.55 MPa，降低了2.8%。因此从提高抗折强度的角度考虑，粉煤灰的最佳掺量也应为20%。当龄期较短时，在轮载作用下，粉煤灰颗粒水化不充分，同等条件下粉煤灰与水泥水化产物Ca（OH）2之间发生反应生成的C-S-H凝胶较少，基体与骨料颗粒之间的粘结力较弱，抗折荷载作用下骨料颗粒易与基体发生脱离，因此轮载作用对28 d的抗折强度影响较大；随着龄期的延长，粉煤灰颗粒进一步水化，C-S-H凝胶增多，混凝土密实度增大，强度相对提高，因此抗轮载作用较显著。

2.3 矿渣对力学性能的影响

控制水灰比为0.38，测定不同矿渣掺量（0、30%、40%和50%）时不同养护龄期混凝土经轮载后的动态弹性模量和抗折强度，试验结果分别见图5、6。

从图5可以看出，在轮载作用下，混凝土28 d和56 d的动态弹性模量都随着矿渣掺量的增加先增大后减小，当矿渣掺量为30%时，混凝土各龄期的动态弹性模量达到最大值。但28 d的动态弹性模量随着轮载作用次数的增多大幅降低，而56 d的动态弹性模量随轮载作用次数减小的趋势较小。例如，当矿渣掺量为30%时，轮载作用次数由10 000次增大至20 000次时，28 d的动态弹性模量从43.3 MPa降低为41.4 MPa，而56 d的动态弹性模量从46.2 MPa降低为45.3 MPa，降低幅度分别为1.9 MPa和0.9 MPa。这是因为，当矿渣掺量较低时，矿渣与水泥的水化产物Ca（OH）2发生水化反应生成C-S-H凝胶，改善了界面的粘结性，加强了骨料与基体的粘结力，因此弹性模量有所增大；而当掺量大于30%时，由于矿渣颗粒的弹性模量低于水泥颗粒，大掺量的矿渣颗粒填充在混凝土内部会使混凝土整体的弹性模量降低。

从图6可以看出，随着矿渣掺量的增多，混凝土不同龄期的抗折强度都出现先增大后减小的变化趋势，当矿渣掺量为30%时，抗折强度达到最大值；各掺量下，施加轮载后混凝土的抗折强度都会降低，其中轮载作用对56 d抗折强度的影响小于对28 d的影响，说明矿渣掺量并不是越多越好，大掺量的矿渣反而会使混凝土的抗轮载作用降低。这主要是因为，当矿渣掺量小于30%时，矿渣的二次水化反应生成C-S-H凝胶，改善了混凝土的界面过渡区，因此混凝土抗轮载作用增强；而当矿渣掺量大于30%时，矿渣颗粒的火山灰效应无法完全发挥，因此混凝土的抗轮载作用降低。因此，从抗轮载能力方面考虑，建议矿渣的最大掺量不宜大于30%。

3 结 语

（1）当水灰比相同时，随着轮载作用次数的增多，混凝土不同龄期的动态弹性模量和抗折强度都逐渐降低；当轮载作用次数相同时，水灰比越大，不同动态弹性模量和抗折强度越小，且低水灰比的混凝土在承受轮载后其动态弹性模量和抗折强度依然大于高水灰比的混凝土。

（2）随着粉煤灰掺量的增大，除28 d的动态弹性模量外，混凝土其他各龄期的动态弹性模量和抗折强度都出现先增大后减小的变化趋势。其中当粉煤灰掺量为20%时，动态弹性模量和抗折强度都达到最大值，此时混凝土抗轮载能力最强，因此建议掺加粉煤灰以提高路面混凝土的抗轮载能力时其掺量不宜大于20%。

（3）混凝土各龄期的动态弹性模量和抗折强度都随着矿渣掺量的增多呈现先增大后减小的变化规律，其中当掺量为30%时，各项指标均有最大值，混凝土的抗轮载能力最佳。

（4）掺加矿物掺和料后，轮载作用次数对混凝土28 d动态弹性模量和抗折强度的影响程度大于56 d的，表明矿物掺和料后期的水化作用能够适当增强混凝土的抗轮载能力。

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[责任编辑：杜卫华]