趙興杰 孫厚坤

水泥混凝土道面相比其他建筑物處于更為惡劣和復(fù)雜的工作條件，不僅要承受正常使用荷載的反復(fù)作用，還要承受環(huán)境水的各種作用(水的滲入、沖刷、凍融、侵蝕、腐蝕等)，因此廣泛存在耐久性破壞問(wèn)題[1，2]。其中，北方地區(qū)道面混凝土遭受鹽凍作用引起的表面剝蝕現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。其破壞速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通混凝土的凍融破壞速度。目前，對(duì)機(jī)場(chǎng)道面混凝土的抗表面剝落性能尚沒(méi)有系統(tǒng)研究，因此，有必要對(duì)道面混凝土的表面剝落進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)適用于道面混凝土的抗表面剝落試驗(yàn)方法。

1 道面混凝土表面剝蝕機(jī)理分析

1.1 物理作用機(jī)理

混凝土除冰鹽破壞從本質(zhì)上看是凍融破壞的一種特殊形式。由于鹽溶液比純水的蒸汽壓低，導(dǎo)致加除冰鹽的混凝土中所含的水比無(wú)除冰鹽混凝土表現(xiàn)出更低的蒸發(fā)速率和更高的飽和度。因而當(dāng)受凍時(shí)，混凝土中將產(chǎn)生更高的結(jié)冰壓。另外，由于鹽的濃度差，受凍時(shí)分層結(jié)冰產(chǎn)生壓力差，同時(shí)融化冰時(shí)需要的熱量使混凝土表面的溫度劇降，導(dǎo)致額外的凍壞。

1.2 化學(xué)作用機(jī)理

除冰鹽不僅會(huì)使混凝土產(chǎn)生嚴(yán)重的鹽凍剝蝕破壞，且在非凍融條件下也同樣觀察到除冰鹽引起混凝土破壞，氯鹽對(duì)混凝土化學(xué)侵蝕機(jī)理研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期暴露于NaCl溶液中的水泥砂漿體，其水化產(chǎn)物會(huì)為 Ca(OH)2所浸濾，化學(xué)反應(yīng)如下式:

Ca(OH)2的濾出增加了混凝土暴露面附近的空隙率，使結(jié)冰量增加，從而加劇了混凝土剝蝕破壞。同時(shí)，可溶性CaCl2與水泥漿體中的 C3A反應(yīng)生成氯鋁酸鹽結(jié)晶，如下式:

另外，形成的強(qiáng)堿 NaOH與混凝土中的活性集料，在鹽的協(xié)同作用下發(fā)生堿—集料反應(yīng)，生成了強(qiáng)度較低，與粗集料間粘結(jié)較弱的膨脹性鹽，因而會(huì)加劇混凝土表面剝蝕，降低混凝土的物理力學(xué)性能。

2 抗表面剝落試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 國(guó)外相關(guān)方法

目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相應(yīng)的鹽凍試驗(yàn)方法。國(guó)外采用的鹽凍試驗(yàn)方法很多，歸納起來(lái)主要有 3類:1)混凝土試件浸泡在鹽溶液中凍融;2)試件單面浸入鹽溶液 3mm～5mm進(jìn)行凍融試驗(yàn);3)在試件表面覆蓋一層3mm～5mm的非飽和鹽溶液后進(jìn)行凍融試驗(yàn)。美國(guó) ASTM C672屬第 3類方法[3]，采用視覺(jué)定性方法評(píng)定混凝土破壞等級(jí)。但歐盟標(biāo)準(zhǔn) CEN/TC51/WG 12/TG 4:6/94和RILEMTC117-FDC屬第 2類方法，用表面剝落量評(píng)定混凝土破壞。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下:1)試驗(yàn)設(shè)備。TDR型混凝土快速凍融機(jī)，每次可裝九組試件，共 27個(gè)槽位;低溫實(shí)驗(yàn)箱(用于慢凍法);DT-2型數(shù)字式動(dòng)態(tài)彈性測(cè)定儀。2)試件制備。試驗(yàn)采用 100mm×100mm×400 mm的棱柱體，以六個(gè)為一組，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至24 d齡期時(shí)將試件單面浸泡于溶液中飽和，28 d齡期時(shí)在同樣的溶液中進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。3)凍融循環(huán)制度。采用GBJ 82-85普通混凝土長(zhǎng)期性能與耐久性試驗(yàn)方法中的快凍法，每批試件進(jìn)行50次凍融循環(huán)。試驗(yàn)前測(cè)試試件動(dòng)彈性模量和質(zhì)量。另外采用慢凍法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，即采用在低溫試驗(yàn)箱中于(-17±2.8)℃下凍結(jié) 16h～18h，常溫(23±1.7)℃融化 6 h～8h的凍融循環(huán)制度，使試件的鹽凍破壞與自然條件下的鹽凍破壞相似。4)溶液的選用。國(guó)際上一般選用 NaCl或 CaCl2溶液作為凍融介質(zhì)。濃度一般為 3.0%～4.0%。溶液濃度對(duì)混凝土的除冰鹽剝落性能影響較大，濃度過(guò)高和過(guò)低混凝土剝落都會(huì)減小，即存在一個(gè)臨界濃度。鹽凍破壞程度并不簡(jiǎn)單隨鹽溶液濃度的增加而增加，而在較低濃度(4%)時(shí)對(duì)混凝土破壞最嚴(yán)重[4-7]。因此，本試驗(yàn)選用最不利的溶液濃度，即使用 4%的 CaCl2溶液，并用水做對(duì)比試驗(yàn)。5)試件與溶液的接觸方式。試件置于可密封的不銹鋼容器中，試件單面浸入溶液，浸入深度為 5 mm。6)評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)。采用混凝土的單位面積表面剝落量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。每循環(huán) 10次測(cè)定混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量和剝落量。

2.3 原材料及混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.3.1 原材料

水泥:42.5R普通硅酸鹽水泥，28 d抗折強(qiáng)度 8.78MPa、抗壓強(qiáng)度 48.3 MPa，密度 3.1 g/cm3。粉煤灰:Ⅰ級(jí)粉煤灰，密度2.2 g/cm3，45μm篩余量 2%，需水量比 86%，燒失量 3.0%。砂子:河砂，細(xì)度模數(shù) 2.50，含泥量小于 1.0%，密度 2.63 g/cm3，堆積密度 1 500 kg/m3。石子:石灰?guī)r碎石 5mm～20mm，20mm～40mm兩個(gè)級(jí)配，密度 2.7 g/cm3，堆積密度 1 710 kg/m3。外加劑:木鈣減水劑、FDN高效減水劑。

2.3.2 道面混凝土配合比設(shè)計(jì)

采取選擇合適水泥、合適骨料、摻外加劑和優(yōu)質(zhì)混合料的技術(shù)路線，降低水膠比、減少孔隙率、增加水化產(chǎn)物和改善混凝土過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)，配制出抗折強(qiáng)度高、工作性和耐久性優(yōu)良的道面混凝土[8]。通過(guò)大量試驗(yàn)研究，在諸多配合比中選擇出有代表性的三個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的高強(qiáng)度道面混凝土配合比(代號(hào)分別為 PM 1，PM2，PM 3)和普通道面混凝土配合比(代號(hào)為 PT)，見(jiàn)表 1。

表1 道面混凝土配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 表面剝落試驗(yàn)結(jié)果

用上述 4個(gè)編號(hào)混凝土配比，制備 100 mm×100 mm×400mm的棱柱體各 6根，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 24 d后，在 4%CaCl2溶液中進(jìn)行表面剝落試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 1。結(jié)果表明，混凝土鹽凍剝落量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而迅速增長(zhǎng)，在 50次凍融循環(huán)后，試件表面剝落已經(jīng)很嚴(yán)重，不同等級(jí)的混凝土差別明顯，普通等級(jí)混凝土已喪失道面使用功能要求。但在凍融循環(huán) 40次之前，試件表面剝落量較小，不便于比較優(yōu)劣，因而建議凍融循環(huán)次數(shù)定為50次即可。

3.2 不同凍融介質(zhì)的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

選取上述 4個(gè)配比的混凝土試件，分別在鹽溶液及水中進(jìn)行快速凍融表面剝落試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 2?？梢钥闯?，混凝土在鹽溶液中的表面剝落非常嚴(yán)重，質(zhì)量損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在水中凍融，大約增加 60%～400%。這是由于鹽溶液對(duì)混凝土的滲透性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水的滲透性[5]，使混凝土表面層的飽和程度提高，導(dǎo)致嚴(yán)重剝落，質(zhì)量損失增大。這說(shuō)明采用鹽溶液凍融對(duì)混凝土的抗凍性評(píng)價(jià)更為嚴(yán)格，且符合冬季除冰鹽環(huán)境下的機(jī)場(chǎng)道面使用條件。

表2 混凝土在鹽溶液及水中的表面剝落試驗(yàn)結(jié)果

3.3 不同凍融循環(huán)制度的對(duì)比試驗(yàn)研究結(jié)果

選取 PM 1，PM 2，PM 3 3個(gè)配比的混凝土試件，分別采用慢凍法和快凍法進(jìn)行表面剝落試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 2?？梢钥闯?相同配比的試件，快凍法的單位面積剝落量均大于慢凍法。剝落量相差大概在 10%～30%，表明快凍法凍融循環(huán)制度更為嚴(yán)酷。本實(shí)驗(yàn)室曾做過(guò)同配比試件的凍融循環(huán)對(duì)比試驗(yàn)，試件在慢凍法條件下 200次破壞，而在快凍法條件下 100次都達(dá)不到。這是由于快速凍融時(shí)，混凝土表面的急速降溫所形成的溫度應(yīng)力使裂縫擴(kuò)展不斷加劇，剝蝕增加，降溫速度越快造成的凍害損傷越大。雖然快凍法和道面實(shí)際工作情況有顯著差異，而慢凍法和道面的實(shí)際工作情況比較接近，但由于慢凍法的試驗(yàn)周期太長(zhǎng)，不便操作，因而建議采用快凍法。

綜上所述，不同的凍融循環(huán)次數(shù)、不同凍融介質(zhì)、不同凍融循環(huán)制度的對(duì)比試驗(yàn)研究結(jié)果表明，普通道面混凝土的抗表面剝落性能明顯低于其他三種類型的高強(qiáng)度道面混凝土。其原因是高強(qiáng)度道面混凝土配比中添加的優(yōu)質(zhì)粉煤灰和減水劑綜合作用的結(jié)果[9，10]。

4 結(jié)語(yǔ)

1)不同的凍融循環(huán)次數(shù)、不同凍融介質(zhì)、不同凍融循環(huán)制度下，普通道面混凝土的抗表面剝落性能明顯低于其他三種類型的高強(qiáng)度道面混凝土。2)凍融循環(huán) 50次能明顯反映不同強(qiáng)度等級(jí)道面混凝土的表面剝落情況，建議道面混凝土以凍融循環(huán) 50次后單位面積剝落量作為混凝土抗表面剝落性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。3)鹽溶液快速凍融試驗(yàn)對(duì)混凝土的抗凍性評(píng)價(jià)更為嚴(yán)格，且符合冬季除冰鹽環(huán)境下的機(jī)場(chǎng)道面使用條件，建議道面混凝土抗表面剝落試驗(yàn)采用氯化鈣溶液作為凍融介質(zhì)，并采用快凍法凍融循環(huán)制度。

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