郭寅川，申愛琴，王 劍，趙洪基

（長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

新疆果子溝特大橋所處位置屬于典型的高寒區(qū)域，該地區(qū)冬季為了降低路面或橋面的冰點(diǎn)，大量使用除冰鹽，使該地區(qū)橋梁混凝土受到鹽類腐蝕，特別是氯離子大量滲入，從而改變了橋梁水泥混凝土內(nèi)部組織及結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響了橋梁的使用性能及耐久性能［1－2］.除冰鹽的存在使得鹽分伴隨著消融的雪水流入橋梁各結(jié)構(gòu)部位，造成凍融環(huán)境下鹽分在混凝土中遷移，形成除冰鹽與凍融耦合狀態(tài)下的侵蝕破壞，使混凝土構(gòu)造物表面保護(hù)層大面積地起皮和剝落，混凝土變得松散，其內(nèi)部配筋裸露并受到腐蝕.因此，高寒地區(qū)橋梁各結(jié)構(gòu)部位混凝土必須具備良好的抗?jié)B性以及抗氯鹽腐蝕性能.

水泥混凝土的抗?jié)B性和抗氯鹽腐蝕性能是混凝土耐久性研究中的熱點(diǎn).Saito 等［3］和Izquierdo等［4］研究了混凝土的凍融破壞過程；Picandet等［5］，F(xiàn)eldman等［6］和Marzouk 等［7］對(duì)水泥混凝土的氯離子滲透性進(jìn)行了深入研究.謝友均等［8］研究了礦物摻和料對(duì)混凝土氯離子滲透性的影響；洪雷等［9－10］研究了荷載、齡期和凍融循環(huán)對(duì)混凝土氯離子滲透性的影響；陳妤等［11］，李曄等［12］，洪錦祥等［13］，貢金鑫等［14］則研究了凍融循環(huán)對(duì)水泥混凝土的損傷和耐久性的影響.以往的研究多集中于普通水泥混凝土的抗?jié)B性、抗氯離子腐蝕或抗凍性等方面，而對(duì)高寒區(qū)域橋梁混凝土的抗氯離子滲透性研究很少.該區(qū)域橋梁混凝土的破壞方式與單純的凍融破壞方式不同，除冰鹽的存在會(huì)使混凝土內(nèi)產(chǎn)生的滲透壓增大，飽水度提高，結(jié)冰壓力增大，從而加劇混凝土的凍融破壞，嚴(yán)重影響橋梁的使用性能和安全性.隨著西部高寒地區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加速，該研究對(duì)提高高寒地區(qū)這種特殊環(huán)境條件下橋梁混凝土的耐久性有著重要的意義.

本文將通過正交試驗(yàn)研究水膠比、粉煤灰摻量、用水量和引氣劑摻量等因素對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響規(guī)律，揭示高寒地區(qū)橋梁混凝土抗氯離子滲透性能的改善機(jī)理，進(jìn)而提出基于抗氯離子滲透性能的高寒地區(qū)耐久性橋梁混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)，為高寒地區(qū)橋梁混凝土設(shè)計(jì)提供理論及技術(shù)依據(jù).

1 混凝土試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥：天山42.5R 普通硅酸鹽水泥；粗集料：果子溝口河漫灘天然卵石；細(xì)集料：果子溝口河漫灘天然砂及砂礫；外摻料：奎屯熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰；外加劑：新疆天山建材精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)的FDN－15高效緩凝減水劑和JM－200C型引氣劑.

1.2 配合比設(shè)計(jì)

（1）C50主塔泵送混凝土 主塔為果子溝特大橋最主要的受力結(jié)構(gòu)部分.為保證橋梁的使用壽命與結(jié)構(gòu)安全，其各項(xiàng)耐久性設(shè)計(jì)指標(biāo)均較其他橋梁結(jié)構(gòu)部位高，必須滿足最不利條件下的耐久性設(shè)計(jì)值.因此，主塔混凝土的抗氯離子滲透性可按照橋面板抗氯離子滲透性要求進(jìn)行設(shè)計(jì).針對(duì)高塔泵送的施工工藝以及索塔混凝土處于大風(fēng)、日照等冷熱干濕循環(huán)環(huán)境，此處混凝土配合比設(shè)計(jì)以提高混凝土的工作性、外觀質(zhì)量、抗裂和抗凍性能為原則.結(jié)合主塔混凝土耐久性要求及特點(diǎn)，認(rèn)為水膠比1）本文所涉及的水膠比、摻量等除特別說明外均為質(zhì)量比或質(zhì)量分?jǐn)?shù).mW／mB，粉煤灰摻量wFA，用水量mW和引氣劑摻量φA是影響主塔混凝土性能的4個(gè)重要因素，這4個(gè)參數(shù)的選用范圍將在很大程度上影響混凝土的各項(xiàng)性能.通過檢測(cè)不同砂率下新拌混凝土的工作性，確定砂率為43%時(shí)其工作性滿足設(shè)計(jì)要求及強(qiáng)度要求.

（2）C40橋墩與橋面板混凝土 冬季除冰鹽直接撒布于橋面板上，之后除冰鹽又與消融的雪水向下流入橋梁其他結(jié)構(gòu)部位，使得橋墩等下部支撐構(gòu)造物遭受氯離子腐蝕，造成大面積的腐蝕破壞.同樣，C40橋面板與橋墩混凝土配合比正交因素為mW／mB，wFA，mW，φA.通過對(duì)不同砂率下混凝土工作性測(cè)試，確定砂率為42%.

（3）C30大體積承臺(tái)混凝土 大體積承臺(tái)用混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30，泵送高度達(dá)60～100m，設(shè)計(jì)坍落度為160～180mm.結(jié)合大體積承臺(tái)混凝土耐久性設(shè)計(jì)要求，確定正交因素為mW／mB，wFA，mW，φA.通過對(duì)不同砂率下混凝土工作性的測(cè)試，確定砂率為43%.

設(shè)計(jì)的正交因素表與正交試驗(yàn)表見表1，2.

表1 混凝土正交因素表Table 1 Perpendicular factors of concrete

2 抗氯離子滲透性能研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試方法

在評(píng)價(jià)氯離子滲透能力方面，ASTM C1202法是目前應(yīng)用最為普及的抗氯離子滲透性測(cè)評(píng)方法，本研究選用浙江紹興肯特公司生產(chǎn)的KENTCC1202型混凝土氯離子滲透儀進(jìn)行試驗(yàn).

具體試驗(yàn)過程為：先將φ100×50mm 的混凝土圓柱型切片試塊放入真空室內(nèi)進(jìn)行真空飽水處理（24h），然后通過EJU 夾具將其與滲透儀控制器相連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測(cè)在6h內(nèi)通過的電量.試塊一邊浸入3% NaCl陰極電解液中，另一邊浸入1.2% NaOH 陽極電解液中，試驗(yàn)過程中試塊兩邊保持60V 的恒定電壓.以庫(kù)侖表示通過的總電量值，從而表征試塊的抗氯離子滲透性能.電通量越大，則氯離子滲透性越大，對(duì)混凝土的腐蝕作用也越大，電量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比見表3.

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 2 Design of orthogonal test

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述方法，對(duì)果子溝特大橋不同部位C50，C40及C30混凝土56d抗氯離子滲透性進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示.

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，可進(jìn)行方差分析，從而尋求出對(duì)測(cè)試指標(biāo)影響最敏感的因素.根據(jù)C50混凝土正交試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析的各因素顯著性概率F 值見表5（C30，C40混凝土正交試驗(yàn)的方差規(guī)律與其基本一致）.由表5分析可知，影響高寒地區(qū)混凝土抗氯離子滲透性的因素顯著性順序依次為：水膠比、用水量、粉煤灰摻量、引氣劑摻量.其中，水膠比和用水量的影響較為顯著.

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 水膠比對(duì)氯離子滲透性的影響

分析上述表格可知：水膠比對(duì)混凝土抗氯離子滲透性影響最為顯著.對(duì)于C30 混凝土而言，當(dāng)水膠比由0.39增大到0.45時(shí)，其電通量由1 211.8C增大到1 840.7C，增大約50%；而C40混凝土水膠比由0.34增大到0.40時(shí)，其電通量也逐漸提高，增大約30%.由此可知低水膠比有利于提高混凝土抗氯離子滲透性能，較大的水膠比會(huì)使混凝土抗氯離子滲透性能明顯降低，且水膠比越大，混凝土的抗氯離子滲透性能下降越快.與C30，C40混凝土不同，C50混凝土的水膠比由0.29增大到0.35 時(shí)，其電通量有所降低，減小約20%.究其原因，認(rèn)為試驗(yàn)中C50混凝土選取水膠比較低，混凝土水泥用量較大，導(dǎo)致其水化反應(yīng)速度較快.快速的水化使得混凝土水化熱較高，水的蒸發(fā)量和消耗量過大，容易在混凝土內(nèi)部形成許多微裂紋或連通孔隙.正是這些裂紋或孔隙的存在，導(dǎo)致C50混凝土電通量變化規(guī)律的異常及其電通量變化幅度較小的試驗(yàn)結(jié)果.但從試驗(yàn)整體情況來看，較低的水膠比使C50混凝土的電通量整體上小于C30和C40混凝土.因此C50混凝土試驗(yàn)結(jié)果的異常并不影響得出下列結(jié)論：在新疆高寒地區(qū)混凝土設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量采用較低的水膠比以保證其具有良好的抗氯離子滲透性能.

2.4.2 用水量對(duì)氯離子滲透性的影響

由表5可知，用水量對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響顯著性僅次于水膠比.為了更好地說明不同用水量對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能影響的差異，固定水泥用量為380kg及粉煤灰摻量為10%，改變用水量，分析對(duì)比所測(cè)得的電通量，見圖1.

表3 電量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表Table 3 Comparison of standard of electricity quantity

表4 橋梁不同部位混凝土氯離子滲透試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Chloride ion permeation test result in different parts of bridge concrete

表5 C50混凝土方差分析Table 5 Variance analysis of C50

圖1 用水量與電通量的關(guān)系Fig.1 Relationship of water content and electric flux

由圖1可知：當(dāng)固定混凝土中水泥用量和粉煤灰摻量時(shí)，混凝土的抗氯離子滲透性能隨著用水量的增加而降低.因此，為保證高寒地區(qū)混凝土具有良好的抗氯離子滲透性能，應(yīng)采用較低的用水量.當(dāng)抗?jié)B要求較高時(shí)，用水量應(yīng)低于150kg／m3；對(duì)其他抗?jié)B性要求較低的混凝土構(gòu)造物，其用水量也不宜過大.固定水泥用量而增加用水量，可以看作是水膠比不斷增大的過程，試驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步證明了過高的水膠比對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性能不利.因此，合理控制用水量與水泥用量，能較好地提高混凝土的抗氯離子滲透性能.

2.4.3 粉煤灰摻量對(duì)氯離子滲透性的影響

綜合表2，4可以看出，隨著粉煤灰摻量由10%增至30%，混凝土電通量總體呈下降的趨勢(shì)，即其抗氯離子滲透性逐漸增強(qiáng).當(dāng)水膠比低于0.40時(shí)，電通量下降的趨勢(shì)更為明顯，如C40，C50混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，可見添加粉煤灰能在一定程度上改善混凝土的抗氯離子滲透性能.但由于粉煤灰本身活性較低，摻量持續(xù)增大時(shí)對(duì)混凝土早期強(qiáng)度影響較大.考慮到粉煤灰的火山灰效應(yīng)能在后期逐漸發(fā)揮出來，它在改善混凝土拌和物的工作性、減少混凝土單位用水量的同時(shí)，也能減少多余水分在混凝土硬化后形成的較大孔隙，提高混凝土的致密性，因此，在合理控制優(yōu)質(zhì)粉煤灰摻量的同時(shí)延長(zhǎng)混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，可兼顧混凝土的抗氯離子滲透性能與早期強(qiáng)度.

2.4.4 引氣劑摻量對(duì)氯離子滲透性的影響

加入引氣劑對(duì)混凝土抗凍性能的改善效果顯著，但對(duì)其抗氯離子滲透性能的影響機(jī)理還有待深入分析.綜合表2和表4可以看出，在4種因素中，引氣劑摻量對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響最小.大量研究表明，引氣劑的摻入能夠在混凝土中引入適量的細(xì)小均勻且獨(dú)立而不連通的氣泡，有效割斷混凝土中的毛細(xì)孔通道，防止外界有害物質(zhì)的侵入，從而增強(qiáng)混凝土的抗氯離子滲透性能.但試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，過多的含氣量會(huì)降低混凝土內(nèi)部的密實(shí)性，可能導(dǎo)致混凝土抗氯離子滲透性能的下降.這主要是因?yàn)樵黾右龤鈩搅繒?huì)引入過多的氣孔，而這些氣孔又難以完全封閉，從而形成連通的孔隙.因此，控制混凝土中的適宜含氣量也是提高其抗?jié)B性能的關(guān)鍵.

3 基于抗氯離子滲透性的配合比建議值

綜上所述，參考相關(guān)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范，同時(shí)考慮到新疆南疆寒冷地區(qū)及北疆嚴(yán)寒／寒冷地區(qū)凍融環(huán)境的差異，提出了新疆高寒地區(qū)基于抗氯離子滲透性的橋梁混凝土材料組成參數(shù)取值范圍.橋梁主塔C50，橋面板及橋墩等C40 混凝土及大體積承臺(tái)C30混凝土的材料組成建議值見表6所示.

表6 高寒地區(qū)混凝土抗?jié)B性設(shè)計(jì)建議值Table 6 Suggestion of design of concrete with resistance to chloride ion permeation in alpine frigid region

4 結(jié)論

（1）影響高寒地區(qū)混凝土抗氯離子滲透性能的因素顯著性順序依次為：水膠比、用水量、粉煤灰摻量、引氣劑摻量.其中，水膠比和用水量的影響較為顯著.

（2）低水膠比有利于提高混凝土抗氯離子滲透性能，但水膠比低于0.30時(shí)對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的改善并不明顯，較大的水膠比會(huì)使混凝土抗氯離子滲透性能明顯降低.

（3）當(dāng)固定混凝土中水泥用量和粉煤灰摻量時(shí)，混凝土的抗氯離子滲透性能隨著用水量的增加而降低.當(dāng)抗?jié)B要求較高時(shí)，用水量應(yīng)低于150kg／m3；對(duì)其他抗?jié)B性要求較低的混凝土構(gòu)造物，其用水量也不宜超過165kg／m3.

（4）根據(jù)高寒地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)提出了基于混凝土抗氯離子滲透性能的配合比建議值，并在依托工程——新疆果子溝特大橋項(xiàng)目中取得了良好效果.

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