基于宏觀性能及細觀結構的多尺度道路混凝土抗鹽凍性能研究

劉策

(中建路橋集團有限公司，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、橋梁等道路工程結構物中，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，導致水泥漿體剝落、宏觀裂縫產(chǎn)生、內部結構疏松，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，國內外學者開展了大量研究，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致凍融破壞程度增強；Rosli通過研究認為鹽凍作用在混凝土內部產(chǎn)生滲透壓、結晶膨脹壓、溫度梯度，混凝土內部各種應力作用造成破壞；Nili等研究了混凝土原材料對鹽凍破壞的影響，結果表明：摻加摻合料可以明顯改善混凝土的細觀孔結構，提高混凝土抗鹽凍剝蝕能力；Wang通過試驗研究認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；李文婷的研究結果表明混凝土內部含氣量過大會造成內部孔隙連通，使得混凝土內部吸水性增大，造成更嚴重的破壞；楊全兵通過研究得到鹽凍作用會造成混凝土嚴重剝蝕破壞，且低濃度的鹽溶液比高濃度鹽溶液產(chǎn)生的破壞嚴重，當鹽溶液濃度為2%～6%時鹽凍破壞最嚴重；曹瑞實通過室內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%時嚴重。

關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觀結構研究較少?；炷良氂^結構損傷是其宏觀性能衰減的本質，宏觀耐久性劣化是內部細觀孔隙、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觀結構入手，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 原材料與配合比設計

水泥為P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥，比表面積370 m2/kg；細集料采用長江中砂，細度模數(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。路面混凝土設計彎拉強度為4.5 MPa，配合比設計按照JTG/T F30-2014《公路水泥混凝土路面施工細則》中的方法進行。已有研究結果表明含氣量對混凝土凍融影響較為顯著，此次配合比設計將含氣量作為配合比設計因素進行試配調整，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觀結構，當凍融次數(shù)超過300次或相對動彈性模量下降為60%時結束試驗。

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)生鹽脹破壞導致鹽溶液中的氯離子與水泥石發(fā)生反應生成水化產(chǎn)物，造成質量與模量的增加，不能夠準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 細觀結構測試

細觀孔結構的定量表征通過壓汞法實現(xiàn)，細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，完成后對樣品進行清洗并放入烘箱中烘干。

3 宏觀性能試驗結果分析

3.1 相對動彈性模量

按照設計的試驗方案對試件進行鹽凍及凍融試驗，每組3個試件，完成后測試試件相對動彈性模量，測試結果的平均值作為試驗結果，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%，混凝土內部損傷嚴重發(fā)生破壞；當凍融循環(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%?？梢姡炷羶炔康暮瑲饬吭黾?，內部孔隙隨之增加，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，當鹽凍50次后動彈性模量衰減程度增大。當?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重，當凍融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，取測試結果的平均值作為試驗結果，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重；當凍融作用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重，當試件含氣量為2%時，鹽凍75次后累積剝落量高達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重的剝落腐蝕，增加混凝土內部含氣量一定程度上可以改善鹽凍剝落破壞。

4 細觀結構試驗結果分析

4.1 孔結構特征參數(shù)

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

圖5 凍融、鹽凍作用下道路混凝土細觀孔結構特征參數(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，意味著適當增加混凝土內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)生的應力，抑制了內部細觀結構的劣化。

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，意味著混凝土內部孔隙細化。當凍融作用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、滲透效應會造成混凝土內部裂縫發(fā)展、大孔隙分裂為小孔隙，導致細觀結構劣化。

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部空隙率增大、孔隙增多，內部密實度降低、細觀結構變疏松。當凍融作用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行凍融和鹽凍試驗，完成后取樣測試細觀孔結構孔徑分布，結果如圖6所示。

通過分析圖6凍融與鹽凍作用下的道路混凝土內部細觀孔隙孔徑分布變化結果可知：凍融和鹽凍作用會造成試件內部多害孔、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致道路混凝土內部大于50 nm孔徑的孔隙比例增多，孔徑小于50 nm的孔隙比例減少。結合孔隙特征參數(shù)變化規(guī)律可知，凍融的結晶膨脹效應使得混凝土內部裂縫擴展，不等大孔擴展分裂為孔徑大于50 nm的多害孔和有害孔，造成孔隙結構的平均孔徑、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晶膨脹效應、滲透效應及溫度梯度效應綜合作用，使得試件內部的裂隙結構、孔隙結構發(fā)育并擴展，更多的大孔分裂為多害孔及有害孔。

4.3 細觀形貌

為了研究鹽凍作用下道路混凝土內部細觀形貌的演化，采用掃描電鏡SEM對鹽凍前和鹽凍后的試件細觀形貌進行定性表征，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、后道路混凝土細觀形貌

從圖7(a)可以看出：在受到鹽凍作用之前試件內部密實，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部結構密實，細觀裂縫及細觀孔隙較少。從受到鹽凍作用的細觀形貌圖7(c)、(d)可以看出：鹽凍作用將原來密實的細觀結構逐漸劣化為松散結構，伴隨著大量細觀孔隙、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，導致混凝土內部結構劣化、耐久性衰減。

5 結論

(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?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重，當凍融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，混凝土內部孔隙不斷細化、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)鹽凍作用的結晶膨脹效應、滲透效應及溫度梯度效應綜合作用，使得道路混凝土內部密實的細觀結構逐漸劣化為松散結構，伴隨著大量細觀孔隙產(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，導致混凝土內部結構劣化、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。