水灰比對水泥混凝土抗鹽凍性能影響分析

申力濤

（山西省交通科學研究院 黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，山西 太原 030006）

我國東北、華北及西北地區，由于地理位置原因，冬季經常出現雨雪天氣，造成路面積雪結冰，對交通造成一定的影響，為提高路面冰雪天氣下車輛通行率，降低道路行駛隱患，市政工程主管單位常通過噴撒除冰鹽（融雪劑）的方法對積雪結冰路面進行融雪除冰作業，此方法雖能快速融雪除冰，提高道路車輛通行效率，但對路面造成的后期破壞也是極其嚴重的，除冰鹽（融雪劑）通過降低冰雪融點，使冰雪融化，達到開放交通目標，但融化后的除冰鹽溶液滲入到水泥混凝土縫隙中，經過凍融循環后，水泥混凝土會發生嚴重的剝蝕破壞，其速率與嚴重程度要遠遠高于常規凍融破壞，有關資料顯示，當噴撒除冰鹽（融雪劑）進行融冰除雪后，水泥混凝土經過一個冬季的破壞程度可達到常規凍融破壞的4～5倍。

圖1 水泥混凝土發生鹽凍剝蝕破壞

由圖1可知，除冰鹽（融雪劑）對水泥混凝土造成的鹽凍剝蝕破壞不僅危及水泥混凝土建筑物結構安全，降低其服役壽命，而且對其造成的破壞進行維修也將花費大量的人力、物力和財力，維修過程中需要中斷或者對交通進行管制，對群眾的日常出行造成不便[1-4]。參考國內外對除冰鹽（融雪劑）造成的水泥混凝土剝蝕破壞研究資料得知，水泥混凝土抗鹽凍剝蝕性能主要受5個因素影響：a）水灰比；b）含氣量；c）飽水度；d）水泥混凝土原料質量；e）凍融破壞前齡期[5-8]。目前我國對水泥混凝土抗鹽凍剝蝕性能不夠重視，仍偏重于水泥混凝土力學性能方面，加之施工管理的粗放及施工人員素質普遍低下的現狀，在施工過程中不能對水泥混凝土水灰比進行有效控制，從而造成水泥混凝土建筑物在噴撒除冰鹽（融雪劑）后一個冬季就發生嚴重的剝蝕破壞。本文通過調整水泥混凝土水灰比，研究分析了在不同水灰比條件下水泥混凝土抗鹽凍剝蝕破壞性能的變化規律，以便為今后的水泥混凝土結構設計和施工提供技術指導。

1 試驗原材料及方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥

本次研究選用唐山冀東水泥有限公司生產的P.O42.5級水泥，其物理力學性能指標檢測結果見表1。

表1 水泥物理力學性能指標檢測結果

1.1.2 粗集料

本次研究所用粗集料由山西喜躍發路橋建筑材料有限公司提供的三檔石料摻配組成，其中大中小石料的摻配比例為3∶1∶1，粒徑范圍為4.75～26.5 mm，石料的級配曲線圖見圖2。

圖2 石料級配曲線圖

1.1.3 細集料

本次試驗用細集料由山西喜躍發路橋建筑材料有限公司提供，篩分結果達到JTG F30—2003《公路水泥混凝土路面施工技術規范》相關規定的要求，詳見圖3。

圖3 河砂級配曲線圖

1.1.4 水及減水劑

水為飲用水；減水劑為蘇州市興邦化學建材有限公司生產的PC-1018型聚羧酸減水劑。

1.2 試驗方法

1.2.1 試件制作

為了便于試驗操作，本次試驗模具采用直徑250 mm的PVC管材，高度為75 mm，底面放置木板并涂刷脫模劑，按設計的配合比進行攪拌并裝入模具，在振實臺振動30 s左右至表面出漿，然后對試件表面進行拉毛工藝處理，模擬實際水泥混凝土路面施工過程中表面處理方式。24 h后拆除底置木板，將水泥混凝土試件連帶PVC模具共同養護24 d后，放入20℃水中養護4 d。

圖4 水泥混凝土鹽凍剝蝕試件成型

1.2.2 鹽凍方法

實際鹽凍過程中，除冰鹽（融雪劑）溶液都是與水泥混凝土成型面接觸，因此本次試驗研究采用試件倒置的方法，將試件的成型面翻轉浸泡在配制的3%氯化鈉鹽溶液中，浸入深度為4～6 mm[9]。

圖5 水泥混凝土試件鹽凍剝蝕試驗示意圖

1.2.3 鹽凍循環制度

參考國內外相關資料后，選取快速鹽凍試驗方法來進行本次試驗，以達到快速評價的目的，設置的凍融循環制度見圖6。

圖6 水泥混凝土鹽凍剝蝕循環制度圖

a）一次完整的鹽凍循環合計為8個小時，其中每個周期內前3 h為溫度降低階段，由20℃降至-25℃，然后低溫保持1 h，4～7 h為溫度上升階段，由-25℃升至20℃，保溫1 h，每天可完成3次鹽凍循環。

b）每完成5個鹽凍循環后，將試件表面進行清洗，收集剝落的水泥混凝土顆粒，試件控制在45 min內完成。

1.2.4 剝落量測試方法

表層的水泥砂漿剝落是水泥混凝土鹽凍剝蝕破壞的典型現象，從而造成試件表面粗骨料裸露，凹凸不平。本次研究采用單位面積剝落物質量作為水泥混凝土抗鹽凍剝蝕性能指標，即在完成預先設定的鹽凍循環過程后，將試件放入超聲波清洗劑進行清洗，同時用小毛刷將試件表面的小顆粒一同收集，然后將剝落物放入烘箱內105℃烘干至恒重進行稱量。

圖7 剝落物清洗及收集

2 混凝土配合比設計

參照相關研究資料，本次研究進行了5種不同水灰比的鹽凍對比試驗，由于實驗過程中混凝土試件鹽凍剝落物主要是表層的水泥砂漿，因此配合比設計過程中遵循固定水泥漿體積的原則進行設計，詳見表2。

表2 水泥混凝土鹽凍剝蝕試件配合比統計表

3 剝落量測試

按表2設計的配合比進行水泥混凝土試件制作并養護，養護結束后將試件放入試驗機內進行鹽凍試驗，每完成5個鹽凍循環后，對剝落物進行收集及烘干稱量，稱量結果及變化規律曲線詳見表3和圖8。

表3 水泥混凝土試件剝落物質量統計表 g

圖8 水泥混凝土試件鹽凍循環剝落量變化規律曲線

由表3和圖8可知，水泥混凝土試件的鹽凍剝落量隨水灰比的提高而逐漸增大，說明試件在鹽凍過程中剝蝕破壞逐漸變得嚴重，抗鹽凍剝蝕性能逐漸降低，分析主要原因是隨著水灰比不斷提高，試件內部的空隙率逐漸增大，開口空隙數量逐漸增多，使較多的鹽溶液滲入水泥混凝土內部，發生結晶膨脹，導致剝落量增加。

4 結論

由本次研究結果可知，水灰比大小對水泥混凝土抗鹽凍剝蝕性能有決定性影響，采用高效減水劑來降低水泥混凝土水灰比，可顯著提高其抗鹽凍剝蝕破壞能力，從而提高其耐久性，因此建議在水泥混凝土結構設計及施工過程中，在滿足水泥混凝土工作性的前提下，盡可能降低水灰比，提高水泥混凝土結構物的密實度，降低空隙率，減少鹽溶液滲入水泥混凝土孔通道，從而達到提高水泥混凝土抗鹽凍剝蝕破壞的能力。