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去冰盐引起的混凝土的 盐冻剥蚀破坏杨全兵吴学礼黄士元(上海建材学院材料工程 研究所)〔提要〕去冰盐 引起的混凝土剥蚀破 坏是我国混凝土耐久性领域中的 一个新问题本文从实验研究与现场调 研相结合,系统地研究了去冰盐引起的混凝土冻剥蚀破 坏及其影响因素,并提出相应的改善措施.一、引言八十年代初,黄士 元在北欧看 到 了许多道桥因使用去冰盐而严重冻剥蚀破坏的实例回国后他 预计我国北方高速 公路 必将发展,也将遇到 同样的问题,因此 大力主张开展这方面的研究工作1 989年,在 国家建材局科技 发 展基金处 支持下,我所就开始了这方面的研究二混凝土盐冻剥蚀(s altsealingo :deie-ingsalts e aling)是指在有冻融循环的使用条件下,去冰盐(也称除冰盐,常用a C1 C2或NaC I)引起的混凝土路面剥蚀破坏其它使 用 环境下的混凝土,如 海工和盐碱地工程,也存在这种破坏在美国、加拿大和北欧等发达国家,混凝土路 面高速公路建造和去冰盐的使用较早,混凝土盐 冻耐 久性 的研究水平也高.四、五十年代,他们就注意到使用 去冰盐的混凝土路面和桥面的破坏程 度 明显高 于未使用去冰盐的混凝土路面。

随着 这类破坏事例不断出现,维修费用迅速增加,盐 冻破坏愈来愈引起道桥管理和维修部 门,以及研究人员的注意从六、七十年代开始,美、加和北欧等国对 混凝土盐 冻破坏机理、影响因素和改善措施进行了广泛的研究,·2·,七十年代末,我国开始大量建造混凝土路面道路和立交桥八十年代末开始建造高速公路.在北方地区,为防止因路 面积雪 或结冰 引起的打滑和交 通事故,常在这些路面撒去冰盐( NaC I),如北京市政道桥(立交桥)路 面和哈大(哈尔滨一大庆)高速公路据这些管理部门反映,这些混凝土结构常出现过 早破坏,如严重 剥蚀,因此盐冻破坏是我国混凝土耐久性中一个现实的和潜在的严重问题二、盐冻破坏机理由于盐能使溶液的冰点降低,因 此 当盐被撤到 路面,其上的冰雪就会自动融化,从而提高了路面除冰雪效率,保证 了交通畅通正是 由于盐能除去路 面冰雪,通常把用于这种场合的盐称为去冰 盐或除冰盐盐冻破坏的根本原因 是混凝土吸饱 了国家自然科学基金资助项目水,当受冻时这些 水将结 冰产 生体积膨胀,主要 机理;② 由于盐产生 的过 冷 水 是处 在因此它本质上 就是冻融破 坏既 然盐能使不 稳 定状态,使 得其最终 在毛 细 孔 中结 冰冰点降低,对混凝土抗冻性是有利的,那为时增 加破坏 力;③由于 盐在混 凝 土表面 形什么它还 会使混 凝土的 冻害加剧 呢?这 是成的浓度 梯度,使受冻 时 因分层结冰产 生因为 去冰 盐的存在,还会产生 下 述对混凝应 力差;④由于融化冰雪会吸 收大量的热土不利 的作用:①由于盐的存在,使混凝土量,将使冰雪覆盖层下 的混凝土温度剧降,内产生的渗透压 增大,饱水度提高,结冰 压增加额外的冻害等。

增 大,这是盐和冻共 同作用使破坏加 剧 的不同条件下的平街饱水度(s)和时间( T表1编编号号NaC I I I75%RH H H83纬R H H H92纬RH H H毛细管平衡饱水水( ( ( ( (肠) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )S S S S S S Se(%) ) )Te(天) ) )Se(环) ) )Te(天〕 〕反(%) ) )Te(天) ) )e S(写) ) )Te(夭) ) )l l l l l0 0 059 9 98.4 4 472 2 25.8 8 879 9 94.8 8 890 0 011.6 6 62 2 2 2 24 4 46 6 6 69.0 0 07 7 7 77. 8 8 88 7 7 75.3 3 39 4 4 48.4 4 43 3 3 3 3l0 0 073 3 311,6 6 684 4 410.9 9 994 4 47.3 3 39 6 6 65.1 1 14 4 4 4 420 0 085 5 513.7 7 79 3 3 316. 4 4 49 9 9 9 9 999 9 93.1 1 1由表1可知,不论那种条件 下,盐 浓度愈 高(混凝土 中含盐量 愈 高),混凝 土的平衡饱水度也愈高;盐浓 度相 同时,平衡饱水度 随环境湿度增 大而提高。

另外,还 能 看到,在 毛细管吸水实验 中,试件 内含盐 量愈高,达到 平衡的时 间愈短,即能 更快 饱 水;在失水 实验中,则相反,即更难失水因此,当混凝土单面与盐 液接触时,其 内部 水分将向混凝土表面迁移和富集,使表 层 的吸水率增大,冻融 破坏加剧总之,对混凝土而 言,去 冰 盐产生的 不 利影响远 远超过了它的有利影响,因此在冰 冻和 去冰 盐的复合作 用下,混凝土的冻害将显著增 加三、破坏现场调查据哈大高速 公 路 管理 处反 映,因 使用去冰盐,哈大高速公 路使用不 到两 个 冬季就出现 了严重的冻剥蚀破坏由于北京市道桥上去冰盐的使用比较 早,使用 去 冰盐的频 率也高,冻剥蚀 破坏 也更严重 和广 泛,因此 调研主 要 围绕 北京市立交桥的 破坏而展开每年冬季,北 京市 桥 梁管理 部门为使·30“路 面冰雪 融化,均要 在积雪 或 结冰 的桥面撤浓 度 为1 0~1 5%NaCI去冰盐 溶 液,结果 在表面形 成 浓度更低的 盐 溶 液(融化水)融化水一部分被 及时地从排水沟 排泄掉,一部分沿接缝、裂缝 和其 它防水薄弱环节渗到桥板底部、桥墩和 桥 梁侧面等部位,从而 导致这些部位 严重剥蚀和开裂,甚至溃 散。

由于缺乏这些桥梁建造时 的基本技术参数,如所用 材料品种、组 成和 配合比等(只知未掺 引气剂),因 而 调查 主要 对 现场破 坏进行外观观察表面剥蚀是 混凝土盐 冻破坏最典型的特 征之一,即使 在高质量的混凝土 路面上,它也是最常见的破坏形式图1、2、3和4为桥梁各部位的破坏情况它们最大的共同特征是表面 砂浆成片剥 落,骨料大面积暴露,表面凹 凸不平,且表面大 多 存 在 白 色盐晶体(经 分 析 为NaC I)但是 把表面松散 的破坏物 去除后,混凝土基体部分依然保持坚固和完好从图1还可清楚地看到,混凝土剥落是一层一层地向 下发 展,同时向接缝外边 逐 步扩展创门都是最典型的盐冻破坏实例四、盐冻破坏影响因素试验采用4x4x6lcm混凝土 试件.配 合比见表2,未经注明的含气量均为4土5%,新拌混授土 的含气量用体积测定法控制成型后在2 0士2℃水中养护至2 8天后,取 出进行如下盐冻试验盐冻试验采用饱水试件单面浸泡法进配合比表2编编号号用水tkg/m, ,水尼kg/m, ,组骨料kg/m, ,粗骨料kg/m, ,抽合料kgzm, ,外加荆Cx练练代代二二20 0 0 0400 0 0715 5 511 69 9 90 0 00。

1 6. . .L L LC C C200 0 0360 0 0713 3 31069 9 94 0 0 0016’ ’以以二二200 0 03名0 0 0714 4 4107 1 1 140 0 0014. . .F F FC C C20 0 0 0360 0 0708 8 81062 2 24 0 0 002 2. . .S S S C C C200 0 0360 0 0710 0 01064 4 44 0 0 00.12.+0.6抹抹注:.一 S J一1型引气剂#一木钙减水剂PC一普通混凝土L C一拚磨细石灰石 混凝土FC一抽扮谋灰混凝土S C一掺 硅灰 混 泥土行试件单面浸入NaC I溶 液 中,浸 泡深 度约4mm(见图5),然后连同盒 子一起 在2 0.士2℃冰箱 中 冻3小 时.冷 冻 速 率为0.5℃/分钟;在空气中融3小 时;用剥 落量来评定混凝土破坏程 度`.1拭二一拚矿遭混凝土抗 盐冻剥 蚀性 能的差异更加 明显,引气剂的作用也更突出,见图11///2/引四呀耐讲耐窗、 全à炯欢幕器件液架各试洛走卜 几l{`遥牛一下一目气欢晚介!\勿à州映育气妇、. o )/图5盆冻试脸和毛细管饱水度试验示意图LNaC I浓度对盐冻剥蚀 的影响从图6可看到盐溶液使混凝土的剥蚀明显加剧,即盐 冻比普通水 冻更严重,且盐浓度约4% 时剥蚀最严重.其 主要 原 因是盐的存在使混凝土内的饱水 度 增 加,渗透压增大。

另外,我们知道,盐 的存在可使冰点降低,冰点降低与 溶液浓度大致成正比,但同时饱水度也随浓度 提高而 增大,因此导 致 了 混靛土在约4%NaC I时剥 蚀 最严重2.含气t对盐冻剥蚀的影 响引气剂 对馄凝 土抗盐冻剥蚀性的影响与 对普通 抗冻性的相似,即 引气 能明显改善混凝土的抗盐冻性能,见图 1 0随着冻融循环次数的 增加,不同含气量 混 凝土的3 2·砖`l浓度(沁)图`盐浓度对盆冻 剥蚀的形晌合气蓄`图,含气t对混扭土抗盐冻剥蚀性的影响3.`一工2卜了引气剂的有利作用,即改善了混凝土 的抗盐冻剥蚀性能今206.氏 u今2- f不夕. 0. 0. 0a、l里、ó玻一` ,别呵一口叼产气、洲,,几,,、夕/z| ` ! l ` ,卜.场劲户`、全一矛6,乐吠甲城万蚝电今日`2护6刀超叼+ .0口祷环J欠数`口口{gU十图8引气混扭土的盐冻剥蚀过程 厂0歹才有环、次数巧图11 即7 06 ( )刃ǐ次ù侧粉理胡玻ō联 一ō笋六二会弓不捧引气制功币神吮,妙,反水,寸一司(厂八)圈,含气t对混扭土毛细管平衡饱水度的影响……, 井币币一一`一~宝一一一一, ,_ _ _.一.一一. . .1 1 1.1! ! !( r`、全à喇诚寻口扣祥林乒记召公闪/`图1 0wC /对混扭土抗盐冻 剥蚀性的影晌大量的试验 结果表明,混凝 土 的 含量增加,其气 泡间距变小。

另外,从图 1 2可得出掺入引气剂,试件的毛 细管平衡饱水度明显降低这是因为引气剂产生的大量微小气泡把毛细管截断,使水分迁移更 加 困难,其本身也是很难被水充满它们都 显示图1 2典型的混搜土盐冻剥蚀过程`一盐冻剥蚀过程的第一 阶段.一盐冻剥蚀过程的第二 阶段但是,即使是含气量高达8%的混凝土,其剥落量也随冻融循环次数的增加而增 大,因此 仅仅靠 引气剂还 不能根本解决混凝土的抗盐冻剥蚀问题3.水灰比对盐冻剥蚀的影响图1 3清楚 地表明,随 着 水灰比的降低,混凝土的 盐冻剥蚀减轻,且随冻融循环次数的增加,这种趋势更加 明显水灰比增大,必然导致混凝土 中的 毛细孔数量和孔径增大,可冻 水增加根据我·3 3们提出的盐冻 机理,当混凝土试 件与盐液接触时,因盐的 吸湿性 或渗透压作用,水分将 向表层迁移和富集显然,水灰比增大,混授土表层 饱水度 增加也愈快,因而剥 蚀也愈严重另外,在等含气量的条件下,水灰比增大,引气剂产生 的气泡尺寸增 大,气泡间距自然也增 大,这 也使剥蚀 加剧.4.掺合料对盐冻剥蚀 的影响试 验 结 果见图1 4和表3硅 灰 的 掺入,显著地 改善了混 凝土的抗 盐 冻剥蚀破坏,但其他掺合料都不 同程度 地使混凝土的盐冻剥蚀 破坏加剧.值得指 出的是,掺磨细石 灰石粉对盐冻剥蚀显著加剧.即使掺10写的磨细 石灰石,混凝土的 盐 冻剥蚀破坏也明显加剧,所以掺磨细石灰石的水泥不宜用 于有 盐冻 侵蚀的混凝土 中.这四类掺合料对 混凝土的抗盐冻剥蚀 破坏能 力大小依次 为:硅灰、矿渣、粉煤灰、磨细石 灰石粉,正好与它 们的火山灰活性大小相 一致。

15次循环后2 8 天混凝土的剥落量表3到达 临界 饱水度时,剥 蚀将迅速增大显然,由于混凝土 的起始饱 水度一般都比临界饱 水度 更 小,因而混凝土 的剥 蚀 程度 主要取 决于第 二 阶段,即混凝土的抗 。