外界環(huán)境和路用材料對(duì)寒區(qū)水泥混凝土路面耐久性影響分析

王偉明黑龍江省審計(jì)廳

科學(xué)技術(shù)

外界環(huán)境和路用材料對(duì)寒區(qū)水泥混凝土路面耐久性影響分析

王偉明
黑龍江省審計(jì)廳

氣溫低、寒期長(zhǎng)、溫差大、寒潮多、積雪厚、凍土深是我國(guó)寒區(qū)氣候的主要特點(diǎn)。在我國(guó)寒區(qū)，氣溫最低甚至可以達(dá)到-50℃，冬天時(shí)月平均氣溫在-15℃以下，且寒期較長(zhǎng)，氣溫在零下的時(shí)間少則4個(gè)月，多則8個(gè)月。影響寒區(qū)水泥混凝土路面耐久性的因素有很多，但大體可分為外因和內(nèi)因兩種。外因即外界環(huán)境，路用材料是內(nèi)因主要因素之一。

凍融循環(huán)；鹽侵蝕；外加劑；耐久性；堿--集料反應(yīng)

1、外界環(huán)境環(huán)境影響分析

嚴(yán)酷的自然環(huán)境使水泥混凝土路面極易遭到破壞，尤其是凍融循環(huán)、冬季除冰鹽會(huì)降低路面的抗凍性、抗鹽凍性和抗?jié)B性，更加劇了路面的腐蝕。

（1）凍融循環(huán)破壞機(jī)理

結(jié)構(gòu)件表面和內(nèi)部所含水分的凍結(jié)和融化的交替出現(xiàn)，稱為凍融循環(huán)。水泥混凝土路面水化硬結(jié)后內(nèi)部有許多毛細(xì)孔，在混凝土路面施工時(shí)，為了保證和易性，混凝土用水量要比水泥水化所需的水多。使混凝土毛細(xì)孔中產(chǎn)生游離水，在低溫時(shí)，這部分水就會(huì)結(jié)冰，結(jié)冰時(shí)體積膨脹9%，從而引起混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。但一般混凝土中水的冰點(diǎn)溫度要低一些。如果毛細(xì)孔中的水不超過91.7%時(shí)，毛細(xì)孔中空氣可起到緩沖調(diào)節(jié)作用，將一部分結(jié)冰的水?dāng)D入凝膠孔，從而減少膨脹壓力。在凝膠孔中處于過冷狀態(tài)的水分因蒸汽壓高于同溫下冰的蒸汽壓而向毛細(xì)孔中冰的界面處滲透，在毛細(xì)孔中產(chǎn)生滲透壓力。這樣，處于飽和狀態(tài)的混凝土受凍時(shí)，毛細(xì)孔中同時(shí)受到膨脹壓力和滲透壓力，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)部裂縫和損傷，經(jīng)過多次反復(fù)，損傷積累到一定程度就會(huì)造成結(jié)構(gòu)破壞[1]。

通過凍融循環(huán)破壞的機(jī)理可以看出，自由水在破壞過程中扮演著舉足輕重的角色，所以預(yù)防和降低凍融循環(huán)破壞的首要措施是減少拌合物中的自由水，而降低水灰比無疑是達(dá)到這一目的的行之有效的手段；同時(shí)，也可以通過增多毛細(xì)孔的辦法來緩沖膨脹壓力，所以引氣劑的應(yīng)用也是提高混凝土抗凍性的重要手段。

（2）除冰鹽侵蝕破壞機(jī)理

鹽凍最主要的破壞特征是表面剝蝕，破壞從表面向內(nèi)部發(fā)展，使表面砂漿層剝落，骨料暴露，導(dǎo)致表面凹凸不平，但在剝落層以下的混凝土依然保持堅(jiān)硬良好。同時(shí)，在破壞界面上，能看到剝蝕破壞的痕跡和白色的結(jié)晶體，這是由于進(jìn)入混凝土內(nèi)部的除冰鹽很難排除，并不斷富集，即使不結(jié)冰時(shí)也會(huì)產(chǎn)生鹽結(jié)晶壓破壞。大量研究表明，鹽對(duì)混凝土路面的侵蝕是物理作用和化學(xué)作用的綜合作用。

鹽具有吸濕性和飽水性，能增大混凝土中的初始飽水度，因而當(dāng)受凍時(shí)，混凝土中將產(chǎn)生更高的的結(jié)晶壓。此外，由于鹽的濃度差，受凍時(shí)因分層結(jié)冰產(chǎn)生應(yīng)力差；由于鹽產(chǎn)生的過冷水處在不穩(wěn)定狀態(tài)，使其最終在毛細(xì)孔中結(jié)冰時(shí)結(jié)冰速度更快，將產(chǎn)生更大的破壞力；同時(shí)鹽使冰雪融化時(shí)吸收大量的熱使冰雪覆蓋下層的混凝土溫度驟降，會(huì)導(dǎo)致額外的凍害。

氯鹽對(duì)混凝土的腐蝕機(jī)理表明，長(zhǎng)期暴露于NaCl溶液中的水泥砂漿體，其水化產(chǎn)物會(huì)被Ca(OH)2所浸濾而發(fā)生反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)式如下式：

Ca(OH)2的濾出會(huì)增加混凝土暴露面附近的孔隙率，使結(jié)冰量增加，加劇剝蝕破壞。同時(shí)，CaCl2溶液會(huì)與于水泥漿中的C3A反應(yīng)生成氯鋁酸鹽結(jié)晶，反應(yīng)式如下式：

此外，形成的NaOH與混凝土中的活性集料發(fā)生堿--集料反應(yīng)，生成了強(qiáng)度較低，與粗細(xì)集料間粘結(jié)較弱的膨脹性鹽，膨脹壓力又會(huì)加劇混凝土的表面剝蝕，從而進(jìn)一步降低了混凝土的物理力學(xué)性能。

2、路用材料影響分析

獨(dú)特的地理氣候環(huán)境使得寒區(qū)水泥混凝土路面所用材料與一般路面相比會(huì)有所不同，這種主要表現(xiàn)在材料的種類、用量和規(guī)格。寒區(qū)水泥混凝土路面用材料具體包括水泥、砂礫、碎石、外加劑或外摻料，同時(shí)，研究耐久性時(shí)也必須考慮與之相關(guān)的配合比、坍落度、含氣量、和易性、工作性等，以及與材料破壞密切相關(guān)的堿--集料反應(yīng)、鋼筋銹蝕、硫酸鹽腐蝕、碳化腐蝕等。對(duì)于材料的使用，《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》JTGF30-2003給予了相關(guān)規(guī)定，我們也能從實(shí)地調(diào)研中了解到寒區(qū)水泥混凝土路面使用材料的具體情況，這方面內(nèi)容本文會(huì)在第四部分--改善耐久性的措施中具體闡述，此處只就典型外加劑和外摻料的使用及原理、堿--集料反應(yīng)作以研究。

（1）外加劑

外加劑是混凝土領(lǐng)域的一種重要材料，它對(duì)改善混凝土的工作性能有著重要作用。在寒區(qū)，外加劑更是得以廣泛使用，水泥混凝土路面領(lǐng)域最為常用的就是引氣劑和減水劑。以下是其作用原理。

1）引氣劑的使用及原理

引氣劑是指使混凝土拌合物在拌和過程中引入空氣而形成大量微小、封閉而穩(wěn)定氣泡的一種外加劑。它主要適用于一些抗凍性要求較高的混凝土結(jié)構(gòu)，正好應(yīng)用于寒區(qū)水泥混凝土路面。

在攪拌混凝土過程中，加入引氣劑可在新拌混凝土中形成大量獨(dú)立的微型氣泡，這些氣泡呈球形，均勻分布在混凝土中。引氣劑溶入水中后，每個(gè)氣泡都可看做是液體薄膜包裹的氣體，大量的氣泡就大大降低了溶液的表面張力，并增加了水與空氣的接觸面積，從而改變了混凝土的和易性、工作性、均勻性和坍落度。

氣泡的引入增加了水泥砂漿的體積，在各種骨料的相對(duì)移動(dòng)過程中起到了潤(rùn)滑作用，很好降低了摩擦阻力，從而使混凝土更易拌合均勻。氣泡中的液體薄膜消耗了部分水分，再加上引氣劑本身的引氣減水作用，就能在一定程度上降低新拌混凝土中的自由水，如此以來，就減水了混凝土的泌水，提高了坍落度。實(shí)驗(yàn)表明，混凝土中的含氣量每增加1%，單位用水量減少2%~4%，坍落度提高約10mm，混凝土工作性大大提高。

更重要的是，大量的氣泡使得混凝土中毛細(xì)孔的數(shù)量和直徑減少，并在毛細(xì)管道中形成阻塞，從而加大了混凝土的抗?jié)B性。如此一來，就減弱了凍融循環(huán)的發(fā)生條件，提高了混凝土的抗凍性能，使水泥混凝土路面的耐久性得以提高。

在引氣劑的使用過程中，必須注意對(duì)其品種和用量的選擇。優(yōu)良的引氣劑形成的微小氣泡能有效提高混凝土的抗凍性，而過大的氣泡會(huì)降低其使用效果；由于過多的引氣劑會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度，而氣泡過少又難以達(dá)到抗?jié)B抗凍要求，所以引氣劑的用量必須與混凝土的強(qiáng)度和抗性指標(biāo)配套。此外，還要注意對(duì)氣泡的保護(hù)，如過高的攪拌溫度和過長(zhǎng)的攪拌時(shí)間都會(huì)降低氣泡數(shù)量。

一般各級(jí)公路路面混凝土全部要求摻引氣劑，路面混凝土適宜含氣量推薦值見下表。

表　路面混凝土適宜含氣量推薦值（%）

2）減水劑的使用及原理

減水劑是一種能減少混凝土拌合物中自由游離水的外加劑，在較減少水分的同時(shí)，它還能提高混凝土的強(qiáng)度，節(jié)約水泥資源。按對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響，可將減水劑分為分為早強(qiáng)型、標(biāo)準(zhǔn)型和緩凝型三種類型。

水泥加水?dāng)嚢韬?，?huì)在水泥漿中形成一些凝絮結(jié)構(gòu)，這些凝絮結(jié)構(gòu)會(huì)包裹10%~30%的拌合水。游離水的減少會(huì)使水的潤(rùn)滑作用大大降低，從而減小了混凝土拌合物的流動(dòng)性和工作性。當(dāng)加入減水劑后，減水劑分子會(huì)定向吸附在水泥顆粒表面，使水泥顆粒表面帶有同種電荷，形成靜電斥力，于是水泥顆粒便相互分散，使絮凝結(jié)構(gòu)破壞，釋放出被包裹的游離水，從而增加混凝土拌合物的流動(dòng)性。

減水劑中含有極性親水基，他能與水分子結(jié)合，在水泥顆粒表面形成一層溶劑化水膜。這層溶劑化水膜能阻止水泥顆粒直接接觸，減少顆粒移動(dòng)的相對(duì)阻力，從而起到潤(rùn)滑作用[2]。

在混凝土中同時(shí)加入減水劑和引氣劑后，在自由水減少和微小氣泡緩沖膨脹壓力雙重作用下，凍融循環(huán)的破壞效果就得到了很大程度的降低，從而增強(qiáng)混凝土的抗凍性。同時(shí)，減水劑的使用達(dá)到了減低混凝土水灰比的作用，而水灰比的降低又能減少水泥路面的碳化，從而提高路面耐久性。

（2）外摻料

和引氣劑相似，外摻料也對(duì)改善混凝土的各項(xiàng)性能有著重要作用，而且往往外摻料在節(jié)約水泥資源方面更為顯著。寒區(qū)水泥混凝土路面常用的外摻料有粉煤灰和硅粉兩種。

1）粉煤灰和使用及機(jī)理

煤燃燒后會(huì)產(chǎn)生濃重的煙氣，這些煙氣實(shí)際上是未充分燃燒的煤炭小顆粒，也就是粉煤灰，其氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。由于大量的燃煤發(fā)電廠和金屬冶煉廠的存在，使粉煤灰成為我國(guó)現(xiàn)階段最主要的工業(yè)污染物之一，粉煤灰的隨意堆放還會(huì)污染環(huán)境，有害人和動(dòng)物的健康。國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，將粉煤灰摻入混凝土中不僅能替代水泥，從而減少水泥用量，而且能顯著改善混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、抗堿--集料反應(yīng)性和抗碳化性，從而提高混凝土的耐久性。

粉煤灰中含有大量的細(xì)屑，這些細(xì)屑能進(jìn)入細(xì)集料中，從而增大了漿體體積，使?jié){體能更充分地包裹集料，使混凝土拌合物的可塑性和粘聚性增加。同時(shí)，大量的細(xì)屑會(huì)阻塞在漿體中的毛細(xì)孔中，這些毛細(xì)孔是泌水通道，所以粉煤灰的使用也可減少了水的使用及新澆混凝土的泌水。

粉煤灰對(duì)水泥的替代及用水量的減少大大減低了水泥的水化熱和混凝土凝結(jié)過程的溫升，這就能防止路面因內(nèi)外溫差所造成的溫度裂縫和因水分過快散失所造成的干縮裂縫。

此外，粉煤灰中的火山灰反應(yīng)能生成微小而致密的水化硅酸鈣，阻塞毛細(xì)孔，提高混凝土的抗?jié)B性；粉煤灰能與水泥中的堿反應(yīng)，從而減少了集料中的活性氧化硅與水泥中堿的反應(yīng)，起到了抑制堿--集料反應(yīng)的作用；粉煤灰中的二氧化硅還能與水泥中的氫氧化鈣反應(yīng)，從而減少了氫氧化鈣與硫酸鹽反應(yīng)引起的石膏膨脹，所以粉煤灰還能提高混凝土的抗硫酸鹽能力。

當(dāng)然，粉煤灰也不是摻的越多越好，實(shí)驗(yàn)證明，水泥混凝土中粉煤灰的摻量不宜大于30%,一般推薦摻量為10%~20%。

粉煤灰的摻用是變廢為寶的典型例子。將原本難以處理的工業(yè)廢渣變成替代水泥的優(yōu)質(zhì)材料，既節(jié)約資源又保護(hù)環(huán)境，既降低了工程成本又可提高路面耐久性，可謂一舉多得，極具推廣意義。

2）硅粉的使用及其機(jī)理

硅粉，又叫微硅粉，學(xué)名“硅灰”，是工業(yè)電爐在高溫熔煉工業(yè)硅及硅鐵的過程中，隨廢氣逸出的煙塵經(jīng)特殊的捕集裝置收集處理而成。其主要成分為SiO2。

硅粉顆粒非常小，比水泥顆粒還小數(shù)十倍，所以硅粉能輕易填充到水泥顆粒的間隙之中，提高混凝土的密實(shí)性。并且硅粉能發(fā)生二次水化反應(yīng)生成致密物質(zhì)阻塞滲流通道，所以摻入適量硅粉的水泥混凝土具有較好的不透水性和抗?jié)B性。

硅粉發(fā)生火山灰反應(yīng)能使混凝土中的氫氧化鈣含量減少，從而減少了孔隙水的堿度，這就減少了水泥中的堿與集料中活性氧化物的反應(yīng)，抑制了堿--集料反應(yīng)。學(xué)者Popoic經(jīng)研究后指出，在普通混凝土中摻入硅粉會(huì)提高混凝土的耐久性，尤其是在硫酸鹽、除冰鹽等易發(fā)生腐蝕反應(yīng)的環(huán)境中。

（3）堿--集料反應(yīng)的機(jī)理

堿--集料反應(yīng)(簡(jiǎn)稱AAR)是指混凝土原材料中的堿性物質(zhì)與活性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成膨脹物質(zhì)(或吸水膨脹物質(zhì))而引起混凝土產(chǎn)生內(nèi)部自膨脹應(yīng)力而開裂的現(xiàn)象。它被稱為混凝土的“癌癥”，一旦發(fā)生，便會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)耐久性大幅下降甚至失去使用價(jià)值，且它發(fā)生在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，事先不易察覺，發(fā)生后修復(fù)工作也難以進(jìn)行。

堿--集料反加劑，集料中活性材料主要是指SiO2和硅酸鹽、碳酸鹽等。應(yīng)中的堿主要來自水泥熟料、外按照發(fā)生反應(yīng)的活性材料的不同，可將混凝土堿集料反應(yīng)分為三種類型，分別是堿--硅反應(yīng)、堿--碳酸鹽反應(yīng)和堿--硅酸鹽反應(yīng)。其中堿--硅反應(yīng)是最為常見的反應(yīng)類型，水泥中的堿與混凝土中的活性氧化硅反應(yīng)生成堿--硅酸凝膠，凝膠大量吸水并產(chǎn)生膨脹壓力致使混凝土開裂。由堿集料反應(yīng)的發(fā)生機(jī)理可知它一般容易發(fā)生在下面三個(gè)條件下：一是混凝土中有一定數(shù)量的堿性物質(zhì)存在，或者混凝土本身就處在有利于堿性物質(zhì)滲入的環(huán)境之中；二是集料中摻入了一定數(shù)量的堿活性骨料，如含SiO2的骨料；三是潮濕環(huán)境，潮濕環(huán)境中的水分是反應(yīng)物吸水膨脹的物質(zhì)基礎(chǔ)，若混凝土處于干燥條件下，則堿--集料反應(yīng)難以發(fā)生。

堿--集料破壞發(fā)生之后，其他類型的路面破壞便可能會(huì)相繼發(fā)生。這是因?yàn)榕蛎洰a(chǎn)生的裂縫會(huì)將水泥混凝土路面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)暴露于空氣之中，外界的水分、冰雪、二氧化進(jìn)一步使裂縫擴(kuò)大。如此一來，堿--集料反應(yīng)所造碳、雜質(zhì)等隨之進(jìn)入，進(jìn)而造成鋼筋銹蝕、碳化腐蝕、凍融循環(huán)破壞等，這些破壞又會(huì)成的破壞便會(huì)如同“癌細(xì)胞”一般逐漸擴(kuò)散惡化，最終破壞混凝土結(jié)構(gòu)。

3、結(jié)語

外界環(huán)境是外因，文中著重介紹了寒區(qū)特有的凍融循環(huán)破壞和冬季除冰鹽破壞及其機(jī)理；路用材料有很多，而本文也只是對(duì)外加劑和外摻料這兩者影響重大的材料的作用機(jī)理做了研究，并額外闡述了堿--集料反應(yīng)的機(jī)理。

[1]安豐偉.水泥混凝土路面耐久性評(píng)價(jià)方法研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)道路與鐵道工程系，2011.

[2]王雁飛，采用外加劑防止寒冷地區(qū)水泥混凝土路面剝落的研究[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)結(jié)構(gòu)工程系，2004