結構混凝土抗凍耐久性關鍵技術研究

付廷順　裴國德

摘要：我國東北地區的大多混凝土路面板、橋面板、機場跑道及其他混凝土結構暴露在嚴酷低溫環境及除冰鹽環境下，均面臨著由凍融循環產生的內部開裂和除冰鹽環境下凍結產生的表面剝蝕問題。文章就鶴大高速公路項目如何提高混凝土抗凍耐久性、降低上述問題的危害進行了相關研究。

關鍵詞：結構混凝土；抗凍耐久性；摻和料；混凝土路面；高速公路項目 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU528 文章編號：1009-2374（2016）28-0097-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.049

我國東北地區氣溫低、溫差大、大風多，且暴露在鹽凍環境下，導致無法形成結構抗凍耐久性的問題有兩個，即由凍融循環產生的內部開裂和除冰鹽環境下凍結產生的表面剝蝕。因此本文依托鶴大高速公路C1合同段ZT07標段的隧道和橋梁相關結構，做了部分實踐性研究工作。

1 導致混凝土受凍害的因素

1.1 新拌水泥混凝土的受凍害因素

由于新拌混凝土具有低強度、含水多和孔隙率高的特點，因此在凍脹破壞特別容易在新拌混凝土中出現。而凍脹破壞的外觀特征主要表現為冰夾層容易產生于材料體內，于熱流方向上彼此平行而垂直。

1.2 成品混凝土受凍害的影響因素

凝膠孔、毛細孔及氣泡是混凝土構件中的孔徑形式，其在某一固定負溫下只有少部分的水分是可凍水，可凍水變成冰所增加的體積而產生的應力就是冰凍破壞力。

1.3 除冰鹽環境下的凍融破壞機理及特征

（1）由于具有除冰鹽，因此混凝土內增加了滲透壓，導致飽水程度的提高，而結冰后的孔隙內壓力也隨著增大，從而加劇了混凝土的冰凍破壞；（2）毛細孔中結冰產生內應力主要是受到鹽的作用而產生，因此導致混凝土分層結冰程度的差異，從而產生了應力差等，使混凝土層剝離；（3）由于除冰鹽的存在導致混凝土所承受的凍融循環次數增加，使混凝土的壽命嚴重透支，進而加劇了凍融破壞程度。

鹽凍的破壞特征為擴展是從表面逐步向內部的。其表面砂漿剝落、骨料暴露，但剝蝕層下的混凝土基本保持堅硬完好，并可在遭受破壞的截面上看到分層剝蝕的痕跡；鹽凍破壞過程非常短暫，若混凝土未采取摻引氣劑等提高其抗凍耐久性的措施，則無論多大標號的混凝土，使用數個冬季即可發生剝蝕破壞現象，且在剝蝕的混凝土表面，常可看到白色的NaCl和GaCl2晶體。

2 應用部位及試驗研究

2.1 應用部位

隧道二次襯砌、橋梁護欄底座等外露混凝土。

2.2 試驗用原材料

本項目所采用的材料均是從多家供應商擇優錄用，并嚴格按照批次進行樣品檢驗，經過檢驗合格后，方可批量進場投入生產使用。

礦粉：金剛（集團）白山水泥有限公司S95級礦粉；硅粉：長春司奧科技有限公司SF93型硅粉，必檢項目合格；細骨料：敦化市大蒲柴恒瑞砂場河砂；粗骨料：敦化市翰章鄉鴻瑞采石場碎石，合成的4.75～31.5mm連續級配；減水劑：北京景鑫忠盛建材有限公司JZ引氣型聚羧酸高性能減水劑；膨脹抗裂劑：吉林省盛世達建材科技有限公司CMA三膨脹源膨脹抗裂劑。

2.3 試驗用混凝土配合比

依據《公路橋涵施工技術規范》（JTG/TF50-2011）和《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011），采用選擇合適水泥、骨料、外加劑和優質混合料的方法，以此來降低水膠比、減少孔隙率、增加水化產物和改善混凝土過渡區結構，配制出具有高強度、優良的工作性和耐久性的高性能道面及結構混凝土。

2.4 混凝土抗壓強度試驗

對上述每個配比混凝土均制作了150mm×150mm×

150mm尺寸的標準立方體抗壓強度試件各3組，并經過28d的標準養護后，根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）的規定對其進行了抗壓強度檢測，試驗結果如圖1：

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圖1 混凝土標準立方體抗壓強度試驗結果

2.5 混凝土的抗凍性能試驗

（1）試件的相對動彈性模量下降到75%；（2）試件質量損失率達到5%；（3）達到300次凍融循環。

只要滿足上列條件中的任何一個，即可停止試驗。每個配合比的試驗結果均為三組試件試驗結果的平均值，具有代表性。

3 試驗結果分析

第一，未加礦物摻和料的編號為Ⅰ-1、Ⅱ-1和Ⅲ-1的普通混凝土：施工流動性也能滿足要求，但是黏聚性、保水性稍差，做面提漿較困難，有離析、泌水現象；Ⅰ-1和Ⅱ-1的抗壓強度可滿足設計要求，但強度儲備偏少，Ⅲ-1的抗壓強度則未達到設計要求；Ⅰ-1、Ⅱ-1和Ⅲ-1的抗凍等級均僅達到F100，無法滿足嚴寒、寒冷地區結構混凝土的抗凍等級要求。

第二，單摻粉煤灰的編號為Ⅰ-2、Ⅱ-2和Ⅲ-2的混凝土：拌合物流動性、粘聚性、保水性都較好，漿體柔和，抗壓強度比Ⅰ-1、Ⅱ-1和Ⅲ-1分別均提高7%～10%；抗凍性能均比Ⅰ-1、Ⅱ-1和Ⅲ-1有所提高，其中Ⅱ-2和Ⅲ-2的抗凍等級均提高了兩級，達到了F200；粉煤灰與礦粉復摻的編號為Ⅰ-3的混凝土：拌合物流動性良好，特別是黏聚性和保水性得到了極大的改善；標準立方體抗壓強度較對比組Ⅰ-1提高了13%；抗凍性能達到了F150，較Ⅰ-1和Ⅰ-2均提高一個抗凍等級；粉煤灰與硅粉復摻的編號為Ⅲ-3的混凝土：拌合物流動性良好，黏聚性和保水性均有較大改善；標準立方體抗壓強度較對比組Ⅲ-1提高了10%。

第三，以是否摻膨脹劑為單因子變量，將編號為Ⅰ-4、Ⅱ-3和Ⅲ-4的混凝土作為試驗組，編號為Ⅰ-3、Ⅱ-2和Ⅲ-3的混凝土作為對照組進行試驗研究，結果發現：摻膨脹劑混凝土的和易性較未摻膨脹劑混凝土差，但仍可滿足施工要求；摻膨脹劑混凝土的抗壓強度較未摻膨脹劑混凝土無明顯變化；摻膨脹劑混凝土的抗抗凍性能較未摻膨脹劑混凝土明顯提高，如Ⅲ-4的抗凍等級>F300，較Ⅲ-3至少提高了一個抗凍等級，Ⅱ-3的抗凍等級>F250，較Ⅱ-2至少提高了一個抗凍等級，Ⅰ-4和Ⅰ-3比較，盡管抗凍等級均為F150，無顯著變化，這與水膠比較大有關，但質量損失率和相對動彈性模量數據Ⅰ-4較Ⅰ-3有明顯改善。

4 結語

（1）摻入適量的優質粉煤灰對混凝土的和易性、勻質性、強度儲備和抗凍耐久性均有所提高，但粉煤灰與礦粉或硅粉復摻效果更顯著；（2）摻入鈣礬石類膨脹劑，在引氣的情況下，可明顯改善粉煤灰混凝土、粉煤灰與礦粉或硅粉復摻混凝土在除冰鹽環境下的抗凍融剝蝕性能；（3）采用低水膠比，恰當引氣，單摻粉煤灰或雙摻粉煤灰和礦粉或硅粉，且摻入適量鈣礬石類膨脹劑的混凝土的長期抗鹽凍性能可夠滿足工程耐久性要求，應大力推廣應用。

參考文獻

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[3] 王碩太，馬國靖，朱志遠，等.高性能道面混凝土配合比設計[J].公路交通科技，2007，（4）.

作者簡介：付廷順（1972-），男，遼寧大連人，中交一航局第三工程有限公司工程師，研究方向：質量管理；裴國德（1972-），男，吉林吉農人，中交一航局第三工程有限公司檢測工程師，研究方向：試驗檢測。

（責任編輯：王 波）