劉策

(中建路橋集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050000)

1 前言

水泥混凝土由于其強度高、耐久性好、使用壽命長等優(yōu)點被廣泛用于路面、橋梁等道路工程結(jié)構(gòu)物中，然而實際工作下的道路混凝土暴露于自然環(huán)境中，受到溫度、腐蝕、應(yīng)力等環(huán)境因素的綜合作用。特別是中國北方地區(qū)冬季采用除冰鹽清除路面、橋面積雪，道路混凝土受到鹽凍腐蝕作用表面剝蝕、微裂紋擴展，導(dǎo)致水泥漿體剝落、宏觀裂縫產(chǎn)生、內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，最終造成道路混凝土宏觀性能迅速衰減、耐久性劣化。針對道路混凝土鹽凍破壞，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，鹽凍作用并非凍融及除冰鹽腐蝕作用簡單線性疊加，除冰鹽作用增加了混凝土的飽水度導(dǎo)致凍融破壞程度增強；Rosli通過研究認(rèn)為鹽凍作用在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生滲透壓、結(jié)晶膨脹壓、溫度梯度，混凝土內(nèi)部各種應(yīng)力作用造成破壞；Nili等研究了混凝土原材料對鹽凍破壞的影響，結(jié)果表明：摻加摻合料可以明顯改善混凝土的細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土抗鹽凍剝蝕能力；Wang通過試驗研究認(rèn)為水泥混凝土的氣泡間距系數(shù)是影響混凝土抗鹽凍性能的重要因素，鹽凍剝蝕作用隨著混凝土含氣量的增加而降低；李文婷的研究結(jié)果表明混凝土內(nèi)部含氣量過大會造成內(nèi)部孔隙連通，使得混凝土內(nèi)部吸水性增大，造成更嚴(yán)重的破壞；楊全兵通過研究得到鹽凍作用會造成混凝土嚴(yán)重剝蝕破壞，且低濃度的鹽溶液比高濃度鹽溶液產(chǎn)生的破壞嚴(yán)重，當(dāng)鹽溶液濃度為2%～6%時鹽凍破壞最嚴(yán)重；曹瑞實通過室內(nèi)試驗得到除冰鹽濃度為3%時混凝土的鹽凍破壞比濃度為20%時嚴(yán)重。

關(guān)于道路混凝土鹽凍破壞的研究目前已取得大量成果，但大部分研究主要集中在混凝土材料方面，通過研究混凝土配合比及外加劑提高混凝土抗鹽凍性能，針對鹽凍作用下的混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究較少?；炷良?xì)觀結(jié)構(gòu)損傷是其宏觀性能衰減的本質(zhì)，宏觀耐久性劣化是內(nèi)部細(xì)觀孔隙、裂隙發(fā)展的外在表現(xiàn)。該文從道路混凝土宏觀性能與細(xì)觀結(jié)構(gòu)入手，多尺度研究道路混凝土抗鹽凍性能，揭示在凍融與除冰鹽共同作用工作環(huán)境中的道路混凝土損傷機理。

2 試驗方法

2.1 原材料與配合比設(shè)計

水泥為P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥，比表面積370 m2/kg；細(xì)集料采用長江中砂，細(xì)度模數(shù)2.8，含泥量0.8%，表觀密度2 610 kg/m3；粗集料采用石灰?guī)r碎石，最大粒徑19 mm，含泥量0.5%，表觀密度2 700 kg/m3；摻合料采用Ⅰ級粉煤灰和S95礦粉，粉煤灰的比表面積與表觀密度為454 m2/kg、2 240 kg/m3，礦粉的比表面積和表觀密度為416 m2/kg、2 800 kg/m3；減水劑采用聚羧酸高性能減水劑，減水率30%，含氣量3%，引氣劑采用GYQ-001；拌和水采用自來水。路面混凝土設(shè)計彎拉強度為4.5 MPa，配合比設(shè)計按照J(rèn)TG/T F30-2014《公路水泥混凝土路面施工細(xì)則》中的方法進(jìn)行。已有研究結(jié)果表明含氣量對混凝土凍融影響較為顯著，此次配合比設(shè)計將含氣量作為配合比設(shè)計因素進(jìn)行試配調(diào)整，最終確定最優(yōu)的路面混凝土配合比如表1所示。

表1 道路混凝土配合比

2.2 鹽凍試驗設(shè)計

此次鹽凍試驗除冰鹽采用NaCl，由于道路上的除冰鹽隨著時間的推移濃度在變化，參考已有研究成果此次除冰鹽溶液濃度采用4%模擬道路混凝土真實鹽凍環(huán)境條件。凍融循環(huán)采用快速凍融法，凍融溫度-18～5 ℃，每個凍融循環(huán)作用4 h。試驗采用100 mm×100 mm×100 mm的試件作為研究對象，每凍融25次測試試件的宏觀性能及細(xì)觀結(jié)構(gòu)，當(dāng)凍融次數(shù)超過300次或相對動彈性模量下降為60%時結(jié)束試驗。

2.3 宏觀性能測試

常用的混凝土鹽凍損傷宏觀表征參數(shù)采用質(zhì)量損失、相對動彈性模量等，由于鹽凍作用會產(chǎn)生鹽脹破壞導(dǎo)致鹽溶液中的氯離子與水泥石發(fā)生反應(yīng)生成水化產(chǎn)物，造成質(zhì)量與模量的增加，不能夠準(zhǔn)確評價混凝土鹽凍損傷。此次研究采用相對動彈性模量和累積剝落量表征宏觀性能損失，測試采用規(guī)范JTG E30-2005中規(guī)定的方法測定，相對動彈性模量根據(jù)測試所得的結(jié)果按式(1)計算：

(1)

式中：Er為經(jīng)過疲勞荷載與硫酸鹽耦合作用后試件的相對動彈性模量(%)；E0、Er分別為耦合作用前后試件的動彈性模量(MPa)；f0、fr分別為耦合作用前、后試件橫向振動時的基振頻率(Hz)。

2.4 細(xì)觀結(jié)構(gòu)測試

細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)的定量表征通過壓汞法實現(xiàn)，細(xì)觀形貌定性表征通過掃描電鏡SEM實現(xiàn)。采用AutoPore IV 9510型壓汞儀，測定路面混凝土的孔徑分布。壓汞法及掃描電鏡對應(yīng)的樣品為10 mm×10 mm×10 mm，取樣后用無水乙醇浸泡終止水化，完成后對樣品進(jìn)行清洗并放入烘箱中烘干。

3 宏觀性能試驗結(jié)果分析

3.1 相對動彈性模量

按照設(shè)計的試驗方案對試件進(jìn)行鹽凍及凍融試驗，每組3個試件，完成后測試試件相對動彈性模量，測試結(jié)果的平均值作為試驗結(jié)果，如圖1、2所示。

圖1 凍融作用下道路混凝土動彈性模量

從圖1可以得到：在凍融作用下道路混凝土的相對動彈性模量不斷衰減，隨著混凝土含氣量的增加，相對動彈性模量衰減速率逐漸減緩。當(dāng)混凝土含氣量為2%時，凍融循環(huán)75次后相對動彈性模量衰減為54%，混凝土內(nèi)部損傷嚴(yán)重發(fā)生破壞；當(dāng)凍融循環(huán)150次后，含氣量為6%的混凝土動彈性模量比含氣量為4%的混凝土高4.2%?？梢?，混凝土內(nèi)部的含氣量增加，內(nèi)部孔隙隨之增加，有利于抗凍性能的提升。

圖2 鹽凍作用下道路混凝土動彈性模量

從圖2可以得到：道路混凝土相對動彈性模量隨著鹽凍作用次數(shù)的增加逐漸減小，當(dāng)鹽凍50次后動彈性模量衰減程度增大。當(dāng)?shù)缆坊炷梁瑲饬吭黾訒r，動彈性模量的衰減程度減緩；鹽凍150次時，與含氣量為6%的試件相比，4%含氣量的試件在鹽凍作用下的相對動彈性模量降低9.3%。與凍融單因素相比，鹽凍作用下試件的劣化更嚴(yán)重，當(dāng)凍融150次后鹽凍下試件動彈性模量比凍融單因素時低11.4%(含氣量4%)、6.3%(含氣量6%)。由此可知，道路混凝土內(nèi)部含氣能夠一定程度上抑制鹽凍破壞，含氣量越高這種抑制作用越顯著。

3.2 累積剝落量

按照試驗方案對試件進(jìn)行凍融及鹽凍試驗，完成后測試道路混凝土剝落量，每組3個試件，取測試結(jié)果的平均值作為試驗結(jié)果，如圖3、4所示。

圖3 凍融作用下道路混凝土累積剝落量

圖4 鹽凍作用下道路混凝土累積剝落量

從圖3可知：在凍融作用下道路混凝土累積剝落量隨著凍融次數(shù)的增大逐漸增加，當(dāng)凍融次數(shù)小于75次時試件累積剝落量增長緩慢，凍融次數(shù)超過75次后試件的剝落量迅速增大，凍融100次后試件剝落量趨于穩(wěn)定。凍融次數(shù)一定時，凍融作用后期含氣量低的試件剝落更嚴(yán)重；當(dāng)凍融作用150次后，含氣量為4%的試件累積剝落量為0.357 g/m2，與含氣量為6%的試件相比增長16.7%。適當(dāng)提高道路混凝土含氣量可以改善凍融的剝落破壞。

由圖4可以得到：鹽凍作用下道路混凝土剝落腐蝕嚴(yán)重，當(dāng)試件含氣量為2%時，鹽凍75次后累積剝落量高達(dá)0.884 kg/m2，是凍融作用時的10.65倍，由此可知鹽凍作用對混凝土的剝落腐蝕比凍融單因素作用時顯著。試件含氣量為4%與6%時，隨著鹽凍次數(shù)的增加剝落量在鹽凍早期增長較快、后期增長速率有所減緩。隨著試件含氣量的增加累積剝蝕量減小，鹽凍作用150次后含氣量為4%的試件累積剝落量為0.488 kg/m2，與含氣量為6%的試件相比增長8.4%。與凍融單因素作用相比，鹽凍150次后試件的累積剝落量分別增長36.7%、47.1%，總體而言，由于除冰鹽的作用造成道路混凝土更嚴(yán)重的剝落腐蝕，增加混凝土內(nèi)部含氣量一定程度上可以改善鹽凍剝落破壞。

4 細(xì)觀結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果分析

4.1 孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

對經(jīng)歷凍融及鹽凍作用的試件取樣進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)測試，每個試件在不同位置取樣3個，孔隙特征參數(shù)測試結(jié)果取平均值作為整體試件的孔隙結(jié)構(gòu)測試結(jié)果，如圖5所示。

圖5 凍融、鹽凍作用下道路混凝土細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

圖5(a)為臨界孔徑的變化規(guī)律。從圖5(a)可以看出：凍融作用會造成混凝土內(nèi)部孔隙的臨界孔徑減小，意味著凍融及鹽凍作用下混凝土內(nèi)部連通較大孔隙的小孔孔徑變小，表明孔隙連通性提高、滲透路徑的曲折性降低。與試件初始臨界孔徑相比，凍融150次后臨界孔徑分別減小19%(含氣量2%)、20%(含氣量4%)、17%(含氣量6%)，鹽凍150次后臨界孔徑分別減小47%(含氣量2%)、23%(含氣量4%)、18%(含氣量6%)；隨著試件含氣量的增加臨界孔徑的減小趨勢變緩，意味著適當(dāng)增加混凝土內(nèi)部孔隙一定程度上可以提高抗鹽凍破壞，其原因可能為部分孔隙在鹽凍作用下緩解了膨脹壓及滲透壓產(chǎn)生的應(yīng)力，抑制了內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的劣化。

圖5(b)為最可幾孔徑的變化規(guī)律，最可幾孔徑為出現(xiàn)幾率最大的孔徑，孔徑小于該值則不能形成連通孔隙。從圖中可知：最可幾孔徑的變化規(guī)律與臨界孔徑一致，在凍融和鹽凍作用下不斷減小。與試件初始臨界孔徑相比，凍融150次后最可幾孔徑分別減小20%(含氣量2%)、36%(含氣量4%)、36%(含氣量6%)，鹽凍150次后臨界孔徑分別減小35%(含氣量2%)、35%(含氣量4%)、20%(含氣量6%)；隨著試件含氣量的增加最可幾孔徑的減小趨勢變緩。

圖5(c)為平均孔徑的變化規(guī)律，從圖5(c)可以看出：在凍融和鹽凍作用下平均孔徑不斷減小，意味著混凝土內(nèi)部孔隙細(xì)化。當(dāng)凍融作用150次后，與初始平均孔徑相比分別減小5.7%(含氣量2%)、0.6%(含氣量4%)、4.1%(含氣量6%)；當(dāng)鹽凍作用150次后，與初始平均孔徑相比分別減小24%(含氣量2%)、39%(含氣量4%)、55%(含氣量6%)。由此可知：鹽凍作用對混凝土內(nèi)部孔隙的平均孔徑參數(shù)影響顯著，鹽凍作用的膨脹、滲透效應(yīng)會造成混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展、大孔隙分裂為小孔隙，導(dǎo)致細(xì)觀結(jié)構(gòu)劣化。

圖5(d)為總空隙率的變化規(guī)律，從圖5(d)可知：凍融和鹽凍作用造成混凝土內(nèi)部空隙率增大、孔隙增多，內(nèi)部密實度降低、細(xì)觀結(jié)構(gòu)變疏松。當(dāng)凍融作用150次后，與初始平均孔徑相比分別增加19%(含氣量2%)、24%(含氣量4%)、40%(含氣量6%)；當(dāng)鹽凍作用150次后，與初始平均孔徑相比分別增加59%(含氣量2%)、56%(含氣量4%)、53%(含氣量6%)。

4.2 孔徑分布

研究采用吳中偉提出的孔徑劃分原則，將水泥混凝土內(nèi)部的孔分為無害孔(小于20 nm)、少害孔(20～50 nm)、有害孔(50～200 nm)和多害孔(大于200 nm)。按照試驗方案對試件進(jìn)行凍融和鹽凍試驗，完成后取樣測試細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)孔徑分布，結(jié)果如圖6所示。

通過分析圖6凍融與鹽凍作用下的道路混凝土內(nèi)部細(xì)觀孔隙孔徑分布變化結(jié)果可知：凍融和鹽凍作用會造成試件內(nèi)部多害孔、有害孔的比例增加，少害孔、無害孔的比例減少。意味著凍融及鹽凍作用導(dǎo)致道路混凝土內(nèi)部大于50 nm孔徑的孔隙比例增多，孔徑小于50 nm的孔隙比例減少。結(jié)合孔隙特征參數(shù)變化規(guī)律可知，凍融的結(jié)晶膨脹效應(yīng)使得混凝土內(nèi)部裂縫擴展，不等大孔擴展分裂為孔徑大于50 nm的多害孔和有害孔，造成孔隙結(jié)構(gòu)的平均孔徑、最可幾孔徑和臨界孔徑變小，多害孔、有害孔比例增加。

與凍融作用下的孔徑分布相比，鹽凍作用下的多害孔比例增加1.5(含氣量2%)、0.6(含氣量4%)、1.1倍(含氣量6%)，有害孔比例增加1.2(含氣量2%)、1.4(含氣量4%)、0.6倍(含氣量6%)。分析其原因主要為鹽凍作用的結(jié)晶膨脹效應(yīng)、滲透效應(yīng)及溫度梯度效應(yīng)綜合作用，使得試件內(nèi)部的裂隙結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育并擴展，更多的大孔分裂為多害孔及有害孔。

4.3 細(xì)觀形貌

為了研究鹽凍作用下道路混凝土內(nèi)部細(xì)觀形貌的演化，采用掃描電鏡SEM對鹽凍前和鹽凍后的試件細(xì)觀形貌進(jìn)行定性表征，觀測對象采用含氣量為4%的混凝土試件，測試結(jié)果如圖7所示。

(a)凍融作用150次

(b)鹽凍作用150次

圖6 凍融、鹽凍作用150次道路混凝土孔徑分布

圖7 鹽凍前、后道路混凝土細(xì)觀形貌

從圖7(a)可以看出：在受到鹽凍作用之前試件內(nèi)部密實，孔隙較少，大部分孔隙為孔徑小于50 nm的無害孔及少害孔。從圖7(b)可以看到：在孔隙周邊薄弱部位存在微裂縫，微裂縫寬度小于5 nm?？傮w而言受到鹽凍作用之前混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實，細(xì)觀裂縫及細(xì)觀孔隙較少。從受到鹽凍作用的細(xì)觀形貌圖7(c)、(d)可以看出：鹽凍作用將原來密實的細(xì)觀結(jié)構(gòu)逐漸劣化為松散結(jié)構(gòu)，伴隨著大量細(xì)觀孔隙、裂縫產(chǎn)生。從圖7(c)中可以看到鹽凍產(chǎn)生的孔隙大多屬于孔徑大于50 nm的有害孔及多害孔，在孔隙周邊及水泥石與骨料的界面過渡薄弱區(qū)產(chǎn)生大量裂縫。從圖7(d)中可以明顯看到有裂縫貫穿，裂縫寬度達(dá)到5～10 nm。在裂縫周邊存在大量棒狀水化產(chǎn)物，凝膠含量較少，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化、耐久性衰減。

5 結(jié)論

(1)鹽凍作用下道路混凝土相對動彈性模量不斷減小，累積剝落量逐漸增加；當(dāng)?shù)缆坊炷梁瑲饬吭黾訒r，動彈性模量的衰減程度及累積剝落量增長程度減緩，適當(dāng)提高道路混凝土引氣量可以改善鹽凍的剝落破壞。

(2)與凍融單因素相比，鹽凍作用下試件的劣化更嚴(yán)重，當(dāng)凍融150次后鹽凍下試件動彈性模量比凍融單因素時低11.4%(含氣量4%)、6.3%(含氣量6%)，累積剝落量比凍融單因素作用時增長36.7%(含氣量4%)、47.1%(含氣量6%)。

(3)鹽凍作用造成道路混凝土臨界孔徑、最可幾孔徑及平均孔徑減小，混凝土內(nèi)部孔隙不斷細(xì)化、孔隙連通性提高、滲透路徑的曲折性降低；總空隙率隨著鹽凍的作用次數(shù)不斷增大，多害孔、有害孔的比例增加，少害孔、無害孔的比例減少。與凍融作用相比，鹽凍作用下的多害孔比例增加1.5(含氣量2%)、0.6(含氣量4%)、1.1倍(含氣量6%)。

(4)鹽凍作用的結(jié)晶膨脹效應(yīng)、滲透效應(yīng)及溫度梯度效應(yīng)綜合作用，使得道路混凝土內(nèi)部密實的細(xì)觀結(jié)構(gòu)逐漸劣化為松散結(jié)構(gòu)，伴隨著大量細(xì)觀孔隙產(chǎn)生，在孔隙周邊及水泥石與骨料的界面過渡薄弱區(qū)產(chǎn)生大量裂縫，裂縫寬度達(dá)到5～10 nm。在裂縫周邊存在大量棒狀水化產(chǎn)物，凝膠含量較少，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化、耐久性衰減。

(5)實際工程中通過在道路混凝土中摻加適量引氣劑、粉煤灰等措施，改善混凝土內(nèi)部孔隙含量及孔徑分布可在一定程度上改善其抗鹽凍性能。