寒冷地區水泥混凝土路面耐久性退化原因及防治

【關鍵詞】路面混凝土；寒冷地區；耐久性；凍融

由于種種原因，我國許多水泥混凝土路面（以下簡稱混凝土路面）在投入使用后不久便出現破損，嚴重影響公路交通的正常運行，導致混凝土路面過早破損的主要原因之一是路面混凝土耐久性退化過快。這種現象在我國北方寒冷地區尤為突出。為此，本文專門就寒冷地區路面混凝土的耐久性退化原因進行研究，并針對這些原因提出相應對策。本文研究將對提高寒冷地區混凝土路面施工、養護及修補質量，預防混凝土耐久性過早退化，延長路面使用壽命提供借鑒。

1、寒冷地區路面混凝土耐久性退化原因分析

寒冷地區冬季氣溫低，混凝土路面處于嚴酷惡劣的使用環境，所以，路面混凝土更容易發生因耐久性退化而導致的破壞。造成耐久性退化的主要原因如下：

1.1施工質量控制問題

某二級公路的混凝土路面，該路面修建于2005年5月—9月，經目測觀察，該段路面總體質量尚可，但其中有連續幾塊混凝土出現了較為嚴重破壞現象，我國寒冷地區混凝土路面因耐久性破壞的普遍特征，分析造成破壞的主要原因，具體表現為：

（1）路面板接縫處的混凝土沿接縫方向出現大量平行裂紋，局部表層己有剝落，橫向和縱向接縫的交叉部位破損更嚴重；

（2）面板出現大范圍表層起皮剝落，形成大量坑槽或孔洞，露出骨料。

因該路段尚未投入使用，故可排除由于車輛荷載作用而引起破壞的可能。經調查得知破損嚴重的路面板在施工時正遇高溫，澆筑時正值午后，施工人員因混凝土拌合物干硬過快不易振搗抹面，而增加了拌合用水，使混凝土的水灰比高出規定值。據此情況分析并結合現場觀察，初步判斷該現象的發生與施工質量控制管理有關。后采用小型手持式切割鋸分別切取了未出現破損的面板（即正常施工的面板）和破損面板的混凝土表層樣品，厚度約25mm，且去除其中較粒徑的石料（破損面板的樣品取自其尚可出現可見破損的部位），烘干至恒重后浸水48h，測試樣品的吸水率。試驗結果見表1。

表1混凝土樣品吸水率

由表1可見，混凝土的吸水率破損面板比正常面板高出2倍以上。因為吸水率間接反映了混凝土的孔隙率和孔隙狀況，可認為該處混凝土孔隙率較高，且開口的連通孔隙多。造成這種差別的主要原因是破損面板的混凝土在施工時的單位用水量（水灰比）超過子規定用水量，從而使其吸水率增大。這一點與調查結果相符。

混凝土的水灰比增大，將導致其強度降低，對于公路路面而言，則是嚴重地降低了混凝土的耐久性，在本文所述的寒冷地區還意味著其抗凍性的降低。故說上述路段混凝土面板的破壞無疑是由于施工時擅自增加了混凝土的單位用水量，致使水灰比增大而造成混凝土抗凍性及耐久性不良所致。下面有關混凝土的凍融試驗將更直接地說明了這一點。在現場用混凝土取芯機鉆取了破損面板和正常面板的混凝土芯樣（∮100mm）各6個，并用切割鋸切去芯樣兩端，使芯樣均露出新斷面，經切割后的芯樣高徑比為1：1。然后各取其中3個芯樣依據GBJ82—85《普通混凝土耐久性及長期性能試驗方法》進行凍融試驗，其中3個芯樣置于標養室養護。分別測試凍融50次后的凍融芯樣和標養芯樣的抗壓強度，試驗結要見表2。

表2混凝土芯樣凍融試驗結果

在試驗過程中觀測到：當凍融次數為33次時，破損面板的混凝土芯樣表面出現了大量裂紋。凍融50次后其表面己有明顯剝落現象，而正常面板的芯樣經50次凍融后其外觀無明顯變化。由表2還可見，雖未經凍融，破損面板混凝土芯樣的抗壓強度仍明顯低于末破損面板混凝土芯樣的抗壓強度，且凍融50次后破損面板混凝土芯樣抗壓強度損失率大大高于正常面板混凝土芯樣抗壓強度損失率。由此證明破損面板的混凝土因施工質量問題而導致其抗凍性及耐久性不足，且僅經過2個冬季便被凍壞。

1.2 冬季使用除冰雪劑的問題

我國東北地區冬季降雪量大，路面積雪、冰凍嚴重，為保證正常行車，常使用除雪劑消除路面積雪或冰層。目前我國常用除雪劑多為除冰鹽（主要成分為NaCI等氯鹽）。

2005年5月，某公路部分路段的混凝土路面板和路肩板表面出現大面積的剝蝕破壞。其破壞特點主要為混凝土表面砂漿起皮剝落，粗骨料裸露；從混凝土的剝蝕界面處可見到白色粉狀物。經調查得知，該路段曾于2003年底使用較大量除冰鹽進行除雪處理。而附近未使用除冰鹽的混凝土路段，并未出現上述破壞現象。由此可知，上述路段的破壞極有可能是使用除冰鹽所致。故對此進行了有針對性的研究。

（1）對剝蝕界面的白色粉狀物進行能譜分析，證明該白色粉狀物為NaCI晶體。

（2）在破損路段鉆取混凝土芯樣，切除芯樣底部及表面破壞部分后進行抗壓強度測試，結果該組水泥混凝土芯樣的抗壓強度與施工時質檢強度相比并未降低。說明該處破損的混凝土路面只是表層受損，內部混凝土強度并末發生變化。

（3）取2組（各3個）芯樣分別進行水中和鹽溶液（4%NaCI溶液）中的凍融試驗。試驗結果表明，在水中凍融50次后的混凝土芯樣外觀無明顯變化，抗壓強度損失率僅為5.3%。而在鹽溶液中僅凍融30次，混凝土芯樣表面便巳有大量剝落而無法繼續進行凍融試驗，抗壓強度損失率也巳達到19.7%。該組表明，路面混凝土可抵抗一般情況下的凍融破壞，而無法抵抗除冰鹽溶液的凍融破壞，即鹽溶液的凍融破壞作用遠大于水的破壞作用。

（4）鹽溶液的凍融破壞作用大于水中凍融破壞作用的機理。

①雖然鹽溶液可降低凍結冰點，但由于鹽的存在，使混凝土內部的滲透壓增大，飽水率增加。從而使結冰時的靜水壓力明顯增大，在鹽和凍融的共同作用下破壞力也增大。

②吸收了鹽溶液的混凝土在水分蒸發而失水干燥時，其孔隙中的鹽因過飽和而結晶，此結晶壓力可能很大而使混凝土開裂。這一破壞力是凍融所不具備的。

2、寒冷地區路面混凝土耐久性衰退的防治

綜合所述，寒冷地區路面混凝土耐久性退化直接原因是混凝土遭受凍融破壞。但由于施工質量的問題，使路面混凝土先天耐久性不足；或在混凝土路面結構設計時未考慮需使用除冰鹽化冰除雪的路段因鹽的作用而產生的附加影響，則是使路面混凝土難以抵抗凍融破壞的內在原因。

為此，本文針對上述破壞原因提出相應的防治措施。

（1）對欲使用除冰雪的路段，在混凝土結構設計或材料配合比設計過程中應采取抵抗因鹽的作用而引起破壞的措施，例如使用優質引氣劑，使用減水劑降低水灰比以提高混凝土密實度，提高混凝土抗凍設計標號等。

（2）嚴格控制路面混凝土水灰比，不得為滿足施工操作而增加用水量，若設計水灰比因氣候等特殊原因不能滿足施工和易性要求，應考慮使用減水劑等外加劑來改善混凝土工作性能。