高寒地區(qū)橋梁混凝土抗氯離子滲透性能研究

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(guò)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(guò)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(shuō)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(yáng)極電解液中，試驗(yàn)過(guò)程中試塊兩邊保持60V 的恒定電壓.以庫(kù)侖表示通過(guò)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(guò)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(lái)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(shuō)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(guò)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(guò)程，試驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步證明了過(guò)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(lái)，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(guò)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(guò)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(guò)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.

［1］熊建平.道路水泥混凝土耐久性設(shè)計(jì)研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2008.XIONG Jianping.Durability design of highway cement concrete［D］.Xi'an：Chang'an University，2008.（in Chinese）

［2］徐港，衛(wèi)軍.氯鹽種類及凍融對(duì)混凝土氯離子遷移的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2006，9（6）：729－734.XU Gang，WEI Jun.Effect of salt types and freeze－thaw on chloride diffusion in concrete［J］.Journal of Building Materials，2006，9（6）：729－734.（in Chinese）

［3］SAITO M，ISHIMORI H.Chloride permeability of concrete under static and repeated compressive loading［J］.Cement and Concrete Research，1995，25（4）：803－808.

［4］IZQUIERDO D，ALONSO C，ANDRADE C，et al.Potentiostatic determination of chloride threshold values for rebar depassivation：Experimental and statistical study［J］.Electrochimica Acta，2004，49（17－18）：2731－2739.

［5］PICANDER V，KHELIDJ A，BASTIAN G.Effect of axial compressive damage on gas permeability of ordinary and high－performance concrete［J］.Cement and Concrete Research，2001，31（11）：1525－1532.

［6］FELDMAN R F，CHAN G W，BROUSSEAU R J，et al.Investigation of the rapid chloride permeability test［J］.ACI Materials Journal，1994，91（3）：246－255.

［7］MARZOUK H，JIANG K.Effects of freezing and thawing on the tension properties of high－strength concrete［J］.ACI Materials Journal，1995，92（6）：577－586.

［8］謝友均，馬昆林，龍廣成.礦物摻合料對(duì)混凝土中氯離子滲透性的影響［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2006，34（11）：1345－1350.XIE Youjun，MA Kunlin，LONG Guangcheng.Influence of mineral admixture on chloride ion permeability of concrete［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2006，34（11）：1345－1350.（in Chinese）

［9］洪雷，彭超.單向荷載及凍融循環(huán)對(duì)氯離子滲透性的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2012，15（2）：255－259.HONG Lei，PENG Chao.Influence of unilateral load and freeze－thaw cycle on chloride permeability［J］.Journal of Building Materials，2012，15（2）：255－259.（in Chinese）

［10］洪雷，唐曉東.凍融循環(huán)及齡期對(duì)混凝土氯離子滲透性的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2011，14（2）：254－256.HONG Lei，TANG Xiaodong.Influnence of freezing－thawing cycles and curing age on chloride permeability of concrete［J］.Journal of Building Materials，2011，14（2）：254－256.（in Chinese）

［11］陳妤，劉榮桂，付凱.凍融循環(huán)下海工預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2009，12（1）：17－21.CHEN Yu，LIU Ronggui，F(xiàn)U Kai.Durability of marine prestressed structures with freezing－thawing cycles［J］.Journal of Building Materials，2009，12（1）：17－21.（in Chinese）

［12］李曄，姚祖康，孫旭毅.鋪面水泥混凝土凍融環(huán)境量化研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，32（10）：1408－1412.LI Ye，YAO Zukang，SUN Xuyi.Quantification research on the frost environment of pavement cement concrete［J］.Journal of Tongji University：Natural Science，2004，32（10）：1408－1412.（in Chinese）

［13］洪錦祥，繆昌文，黃衛(wèi)，等.考慮凍融損傷效應(yīng)的水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方法［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2012，25（5）：12－17.HONG Jinxiang，MIAO Changwen，HUANG Wei，et al.Design method for cement concrete pavement considering freezethaw damage effect［J］.China Journal of Highway and Transport，2012，25（5）：12－17.（in Chinese）

［14］貢金鑫，何世欽，郭育霞.鹽環(huán)境中凍融循環(huán)對(duì)鋼筋與混凝土粘結(jié)性能影響［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，45（3）：405－409.GONG Jinxin，HE Shiqin，GUO Yuxia.Influence of freezing and thawing cycles on bond characteristics of steel bar and concrete in salt environment［J］.Journal of Dalian University of Technology，2005，45（3）：405－409.（in Chinese）