張立群，賈辰辰，張曉冉，張靜軒，胡靖宇

（河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

0 引言

鋼筋混凝土橋梁耐久性問題對橋梁結(jié)構(gòu)的安全至關(guān)重要，受橋梁服役環(huán)境的影響，不同地區(qū)混凝土橋梁所面臨的影響因素也不同[1-2]。我國寒冷地區(qū)冬季漫長而嚴(yán)寒，凍融循環(huán)頻繁，加之融雪劑的使用，導(dǎo)致混凝土橋梁多有鹽凍病害現(xiàn)象。鹽凍破壞是凍融循環(huán)破壞的一個分支[3-5]，既有凍融破壞的相似點，也有其獨特的破壞特點。混凝土的鹽凍剝蝕破壞速度與侵蝕鹽濃度之間并不是簡單的線性關(guān)系，當(dāng)鹽濃度為3.5%左右的中低濃度時，混凝土結(jié)構(gòu)的破壞程度最嚴(yán)重[6-8]。鹽凍凍融循環(huán)對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞程度較普通凍融循環(huán)破壞更為劇烈，且發(fā)展更迅速。

有研究表明[9-10]，礦物摻合料和引氣劑能提高混凝土的抗鹽凍性能，但二者對混凝土抗鹽凍性能的影響并沒有定量的研究，致使這一成果至今尚未得到科學(xué)的運用。本試驗主要研究引氣劑、礦物摻合料的種類及摻量對混凝土抗鹽凍性能的影響，在改善混凝土鹽凍后抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量損失率的前提下，提出了引氣劑及礦物摻合料的最優(yōu)摻量。

1 試驗

1.1 試驗材料

（1）水泥：張家口宣化金隅水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥，比表面積332 m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量28%，細(xì)度（0.08 mm篩篩余）0.3%。

（2）粗骨料：張家口本地碎石，5~25 mm連續(xù)級配。

（3）細(xì)骨料：張家口宣化天然砂，細(xì)度模數(shù)2.9。

（4）硅灰：SF93級，張家口市金華礦業(yè)有限公司，外觀呈灰色，主要性能指標(biāo)見表1。

表1 硅灰的主要性能指標(biāo)

（5）粉煤灰：Ⅱ級，鞏義市二電廠產(chǎn)，45 μm篩篩余13%，密度2.34 g/cm3，含水率0.5%，燒失量2.34%，主要化學(xué)成分見表2。

表2 粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

（6）引氣劑：紹興市上虞舜洋建筑材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸系引氣劑SA-20。

1.2 試驗混凝土配合比

結(jié)合工程實際初步確定材料用量，控制混凝土坍落度為（100±30）mm，根據(jù)坍落度情況調(diào)配各材料用量，C30、C40基準(zhǔn)混凝土的配合比見表3。

表3 C30、C40基準(zhǔn)混凝土的配合比 kg/m3

在各強(qiáng)度等級混凝土的基準(zhǔn)配合比上，試驗設(shè)計單摻引氣劑（摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的0.01%、0.02%、0.03%）、單摻粉煤灰（取代水泥質(zhì)量為15%、20%、25%）、單摻硅灰（取代水泥質(zhì)量為5%、10%、15%），復(fù)摻5%硅灰+25%粉煤灰、復(fù)摻10%硅灰+20%粉煤灰、復(fù)摻15%硅灰+15%粉煤灰，以及復(fù)摻并摻加0.02%引氣劑的對比組。

1.3 試驗方法

混凝土抗鹽凍性能試驗方法：采用快凍法進(jìn)行鹽凍試驗，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，根據(jù)張家口某橋梁服役地土壤化驗結(jié)果配制鹽溶液，采用4%NaCl+2%KCl+1%Na2SO4組合鹽溶液，試驗的溫度范圍設(shè)置為-20~30℃。養(yǎng)護(hù)完成的試塊在鹽溶液中浸泡2 d，隨后稱量試件的初始質(zhì)量，進(jìn)行外觀檢查并拍照留證。

混凝土試塊浸泡在鹽溶液中放入凍融循環(huán)箱中進(jìn)行鹽環(huán)境下凍融循環(huán)試驗。凍融循環(huán)試驗中，每20 h為1個凍融循環(huán)周期。冷凍階段設(shè)置為14 h，其中-20℃的溫度維持4 h；融化階段設(shè)置為6 h，其中30℃的溫度維持2 h。每組試塊均進(jìn)行14個凍融循環(huán)周期試驗，試驗后稱量混凝土試塊的質(zhì)量，并進(jìn)行抗壓試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 鹽凍后混凝土的質(zhì)量損失率

2.1.1 引氣劑摻量對混凝土質(zhì)量損失率的影響

引氣劑摻量對鹽凍后混凝土質(zhì)量損失率的影響見圖1。

圖1 引氣劑摻量對鹽凍后混凝土質(zhì)量損失率的影響

由圖1可見，對于C30混凝土，鹽凍循環(huán)14次時基準(zhǔn)混凝土的質(zhì)量損失率為3.55%，摻0.01%引氣劑的混凝土質(zhì)量損失率為8.85%，而摻0.02%和0.03%引氣劑的混凝土質(zhì)量損失率幾乎為0。對于C40混凝土，鹽凍循環(huán)14次時基準(zhǔn)混凝土的質(zhì)量損失率為0.20%，摻0.01%引氣劑的混凝土質(zhì)量損失率為0.46%，而摻0.02%和0.03%引氣劑的混凝土質(zhì)量損失率幾乎為0。分析其原因，可能是引氣劑摻量過小時，混凝土內(nèi)部形成的封閉氣泡小而分散，無法充分發(fā)揮引氣劑的作用，但是較基準(zhǔn)混凝土而言孔隙多，因此0.01%引氣劑摻量的混凝土鹽凍后質(zhì)量損失率較高。

2.1.2 礦物摻合料單摻對混凝土質(zhì)量損失率的影響

硅灰和粉煤灰單摻對鹽凍后混凝土質(zhì)量損失率的影響分別見圖2、圖3。

圖2 硅灰摻量對鹽凍后混凝土質(zhì)量損失率的影響

圖3 粉煤灰摻量對鹽凍后混凝土質(zhì)量損失率的影響

由圖2、圖3可見，混凝土強(qiáng)度等級越高，質(zhì)量損失率越小。鹽凍循環(huán)14次時，對于C30混凝土，摻5%、10%、15%硅灰的質(zhì)量損失率分別為1.52%、0.91%、1.92%，摻15%、20%、25%粉煤灰的質(zhì)量損失率分別為4.21%、6.04%、8.18%；對于C40混凝土，摻5%、10%、15%硅灰的質(zhì)量損失率分別為0、1.05%、0.81%，摻15%、20%、25%粉煤灰的質(zhì)量損失率分別為2.47%、8.03%、5.94%。

對比試驗數(shù)據(jù)可以看出，較粉煤灰而言，摻加硅灰的混凝土試塊具有較好的抗鹽凍性能，鹽凍后試塊的質(zhì)量損失率較小。不同等級混凝土的最優(yōu)硅灰摻量不同，C30混凝土在硅灰摻量為10%時有較好的抗鹽凍性能，C40混凝土在硅灰摻量為5%時有較好的抗鹽凍性能。

2.1.3 礦物摻合料復(fù)摻對混凝土質(zhì)量損失率的影響

硅灰和粉煤灰復(fù)摻以及復(fù)摻并摻0.02%引氣劑對鹽凍后混凝土質(zhì)量損失率的影響見圖4。

圖4 礦物摻合料復(fù)摻對鹽凍后混凝土質(zhì)量損失率的影響

由圖4可見，硅灰、粉煤灰復(fù)摻或復(fù)摻并摻引氣劑均不能有效抑制混凝土鹽凍后的質(zhì)量損失，可能是因為試驗設(shè)計中復(fù)摻的摻量較大，過多的水泥被替代，導(dǎo)致混凝土中的水泥摻量整體減少，從而導(dǎo)致混凝土抗鹽凍性能下降。

2.2 鹽凍后混凝土的抗壓強(qiáng)度

2.2.1 引氣劑摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

引氣劑摻量對鹽凍后混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖5。

由圖5可見，當(dāng)鹽凍循環(huán)少于5次時，摻加引氣劑的效果不明顯，當(dāng)鹽凍循環(huán)大于11次時，引氣劑的效果逐漸突顯出來。對于C30混凝土，摻0.01%、0.02%、0.03%引氣劑的混凝土鹽凍循環(huán)14次后抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土分別提高-21.08%、43.52%、21.91%。對于C40混凝土，摻0.01%、0.02%和0.03%引氣劑的抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土分別提高4.71%、17.08%、22.66%。摻0.02%、0.03%引氣劑摻量均能提高混凝土鹽凍后的抗壓強(qiáng)度，這與前述試驗摻0.02%、0.03%引氣劑均能減小混凝土鹽凍后的質(zhì)量損失率的結(jié)論一致。

圖5 引氣劑摻量對鹽凍后混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.2.2 礦物摻合料單摻對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

硅灰和粉煤灰單摻對鹽凍后混凝土抗壓強(qiáng)度的影響分別見圖 6、圖7。

圖6 硅灰摻量對鹽凍后混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖7 粉煤灰摻量對鹽凍后混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖6、圖7可見，當(dāng)鹽凍循環(huán)超過6次時，5%硅灰摻量的C30混凝土抗鹽凍性能趨于穩(wěn)定，其抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提高6.0%。當(dāng)鹽凍循環(huán)大于11次時，摻5%、10%、15%硅灰均能提高C40混凝土的抗鹽凍性能；鹽凍循環(huán)14次時，摻5%、10%、15%硅灰的混凝土抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土分別提高3.77%、4.0%、17.07%。

單摻粉煤灰對增強(qiáng)C30、C40等級混凝土鹽凍后抗壓強(qiáng)度影響不大，當(dāng)鹽凍循環(huán)11次時，摻15%粉煤灰的C30混凝土抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提高5.75%。

2.2.3 礦物摻合料復(fù)摻對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

硅灰、粉煤灰復(fù)摻及復(fù)摻再摻引氣劑對鹽凍后混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖8。

由圖8可見，硅灰、粉煤灰復(fù)摻及復(fù)摻再摻引氣劑對增強(qiáng)C30、C40等級混凝土鹽凍后抗壓強(qiáng)度影響不顯著。這是因為，礦物摻合料等質(zhì)量替代水泥，水泥用量的減少勢必伴隨混凝土抗壓強(qiáng)度的降低。硅灰、粉煤灰復(fù)摻或復(fù)摻再摻加引氣劑對混凝土抗鹽凍性能的提高遠(yuǎn)不能抵消水泥減少所產(chǎn)生的副作用。

圖8 礦物摻合料復(fù)摻對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

（1）與水膠比相比，引氣劑摻量對混凝土抗鹽凍性能的影響更為顯著。對C30、C40等級混凝土，摻0.02%和0.03%的引氣劑均能大幅減少混凝土鹽凍后質(zhì)量損失率，并提高抗壓強(qiáng)度，而摻0.01%的引氣劑效果不明顯，遠(yuǎn)不如基準(zhǔn)組混凝土抗鹽凍性能好。

（2）硅灰能提高混凝土抗鹽凍性能，隨硅灰摻量的增加，混凝土抗鹽凍性能呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢。對C30、C40等級混凝土，硅灰的較優(yōu)摻量為5%～10%。粉煤灰的摻量越多，混凝土的抗鹽凍性能越差。

（3）復(fù)摻30%的硅灰+粉煤灰或復(fù)摻再摻加引氣劑對增強(qiáng)C30、C40等級混凝土抗鹽凍性能影響不顯著。后續(xù)有必要降低礦物摻合料復(fù)摻總量深入研究其對混凝土鹽凍性能的影響。