外界環(huán)境和路用材料對寒區(qū)水泥混凝土路面耐久性影響分析

王偉明黑龍江省審計廳

科學技術

外界環(huán)境和路用材料對寒區(qū)水泥混凝土路面耐久性影響分析

王偉明
黑龍江省審計廳

氣溫低、寒期長、溫差大、寒潮多、積雪厚、凍土深是我國寒區(qū)氣候的主要特點。在我國寒區(qū)，氣溫最低甚至可以達到-50℃，冬天時月平均氣溫在-15℃以下，且寒期較長，氣溫在零下的時間少則4個月，多則8個月。影響寒區(qū)水泥混凝土路面耐久性的因素有很多，但大體可分為外因和內(nèi)因兩種。外因即外界環(huán)境，路用材料是內(nèi)因主要因素之一。

凍融循環(huán)；鹽侵蝕；外加劑；耐久性；堿--集料反應

1、外界環(huán)境環(huán)境影響分析

嚴酷的自然環(huán)境使水泥混凝土路面極易遭到破壞，尤其是凍融循環(huán)、冬季除冰鹽會降低路面的抗凍性、抗鹽凍性和抗?jié)B性，更加劇了路面的腐蝕。

（1）凍融循環(huán)破壞機理

結構件表面和內(nèi)部所含水分的凍結和融化的交替出現(xiàn)，稱為凍融循環(huán)。水泥混凝土路面水化硬結后內(nèi)部有許多毛細孔，在混凝土路面施工時，為了保證和易性，混凝土用水量要比水泥水化所需的水多。使混凝土毛細孔中產(chǎn)生游離水，在低溫時，這部分水就會結冰，結冰時體積膨脹9%，從而引起混凝土內(nèi)部結構的破壞。但一般混凝土中水的冰點溫度要低一些。如果毛細孔中的水不超過91.7%時，毛細孔中空氣可起到緩沖調(diào)節(jié)作用，將一部分結冰的水擠入凝膠孔，從而減少膨脹壓力。在凝膠孔中處于過冷狀態(tài)的水分因蒸汽壓高于同溫下冰的蒸汽壓而向毛細孔中冰的界面處滲透，在毛細孔中產(chǎn)生滲透壓力。這樣，處于飽和狀態(tài)的混凝土受凍時，毛細孔中同時受到膨脹壓力和滲透壓力，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)部裂縫和損傷，經(jīng)過多次反復，損傷積累到一定程度就會造成結構破壞[1]。

通過凍融循環(huán)破壞的機理可以看出，自由水在破壞過程中扮演著舉足輕重的角色，所以預防和降低凍融循環(huán)破壞的首要措施是減少拌合物中的自由水，而降低水灰比無疑是達到這一目的的行之有效的手段；同時，也可以通過增多毛細孔的辦法來緩沖膨脹壓力，所以引氣劑的應用也是提高混凝土抗凍性的重要手段。

（2）除冰鹽侵蝕破壞機理

鹽凍最主要的破壞特征是表面剝蝕，破壞從表面向內(nèi)部發(fā)展，使表面砂漿層剝落，骨料暴露，導致表面凹凸不平，但在剝落層以下的混凝土依然保持堅硬良好。同時，在破壞界面上，能看到剝蝕破壞的痕跡和白色的結晶體，這是由于進入混凝土內(nèi)部的除冰鹽很難排除，并不斷富集，即使不結冰時也會產(chǎn)生鹽結晶壓破壞。大量研究表明，鹽對混凝土路面的侵蝕是物理作用和化學作用的綜合作用。

鹽具有吸濕性和飽水性，能增大混凝土中的初始飽水度，因而當受凍時，混凝土中將產(chǎn)生更高的的結晶壓。此外，由于鹽的濃度差，受凍時因分層結冰產(chǎn)生應力差；由于鹽產(chǎn)生的過冷水處在不穩(wěn)定狀態(tài)，使其最終在毛細孔中結冰時結冰速度更快，將產(chǎn)生更大的破壞力；同時鹽使冰雪融化時吸收大量的熱使冰雪覆蓋下層的混凝土溫度驟降，會導致額外的凍害。

氯鹽對混凝土的腐蝕機理表明，長期暴露于NaCl溶液中的水泥砂漿體，其水化產(chǎn)物會被Ca(OH)2所浸濾而發(fā)生反應，化學反應式如下式：

Ca(OH)2的濾出會增加混凝土暴露面附近的孔隙率，使結冰量增加，加劇剝蝕破壞。同時，CaCl2溶液會與于水泥漿中的C3A反應生成氯鋁酸鹽結晶，反應式如下式：

此外，形成的NaOH與混凝土中的活性集料發(fā)生堿--集料反應，生成了強度較低，與粗細集料間粘結較弱的膨脹性鹽，膨脹壓力又會加劇混凝土的表面剝蝕，從而進一步降低了混凝土的物理力學性能。

2、路用材料影響分析

獨特的地理氣候環(huán)境使得寒區(qū)水泥混凝土路面所用材料與一般路面相比會有所不同，這種主要表現(xiàn)在材料的種類、用量和規(guī)格。寒區(qū)水泥混凝土路面用材料具體包括水泥、砂礫、碎石、外加劑或外摻料，同時，研究耐久性時也必須考慮與之相關的配合比、坍落度、含氣量、和易性、工作性等，以及與材料破壞密切相關的堿--集料反應、鋼筋銹蝕、硫酸鹽腐蝕、碳化腐蝕等。對于材料的使用，《公路水泥混凝土路面施工技術規(guī)范》JTGF30-2003給予了相關規(guī)定，我們也能從實地調(diào)研中了解到寒區(qū)水泥混凝土路面使用材料的具體情況，這方面內(nèi)容本文會在第四部分--改善耐久性的措施中具體闡述，此處只就典型外加劑和外摻料的使用及原理、堿--集料反應作以研究。

（1）外加劑

外加劑是混凝土領域的一種重要材料，它對改善混凝土的工作性能有著重要作用。在寒區(qū)，外加劑更是得以廣泛使用，水泥混凝土路面領域最為常用的就是引氣劑和減水劑。以下是其作用原理。

1）引氣劑的使用及原理

引氣劑是指使混凝土拌合物在拌和過程中引入空氣而形成大量微小、封閉而穩(wěn)定氣泡的一種外加劑。它主要適用于一些抗凍性要求較高的混凝土結構，正好應用于寒區(qū)水泥混凝土路面。

在攪拌混凝土過程中，加入引氣劑可在新拌混凝土中形成大量獨立的微型氣泡，這些氣泡呈球形，均勻分布在混凝土中。引氣劑溶入水中后，每個氣泡都可看做是液體薄膜包裹的氣體，大量的氣泡就大大降低了溶液的表面張力，并增加了水與空氣的接觸面積，從而改變了混凝土的和易性、工作性、均勻性和坍落度。

氣泡的引入增加了水泥砂漿的體積，在各種骨料的相對移動過程中起到了潤滑作用，很好降低了摩擦阻力，從而使混凝土更易拌合均勻。氣泡中的液體薄膜消耗了部分水分，再加上引氣劑本身的引氣減水作用，就能在一定程度上降低新拌混凝土中的自由水，如此以來，就減水了混凝土的泌水，提高了坍落度。實驗表明，混凝土中的含氣量每增加1%，單位用水量減少2%~4%，坍落度提高約10mm，混凝土工作性大大提高。

更重要的是，大量的氣泡使得混凝土中毛細孔的數(shù)量和直徑減少，并在毛細管道中形成阻塞，從而加大了混凝土的抗?jié)B性。如此一來，就減弱了凍融循環(huán)的發(fā)生條件，提高了混凝土的抗凍性能，使水泥混凝土路面的耐久性得以提高。

在引氣劑的使用過程中，必須注意對其品種和用量的選擇。優(yōu)良的引氣劑形成的微小氣泡能有效提高混凝土的抗凍性，而過大的氣泡會降低其使用效果；由于過多的引氣劑會降低混凝土的強度，而氣泡過少又難以達到抗?jié)B抗凍要求，所以引氣劑的用量必須與混凝土的強度和抗性指標配套。此外，還要注意對氣泡的保護，如過高的攪拌溫度和過長的攪拌時間都會降低氣泡數(shù)量。

一般各級公路路面混凝土全部要求摻引氣劑，路面混凝土適宜含氣量推薦值見下表。

表　路面混凝土適宜含氣量推薦值（%）

2）減水劑的使用及原理

減水劑是一種能減少混凝土拌合物中自由游離水的外加劑，在較減少水分的同時，它還能提高混凝土的強度，節(jié)約水泥資源。按對混凝土凝結時間的影響，可將減水劑分為分為早強型、標準型和緩凝型三種類型。

水泥加水攪拌后，會在水泥漿中形成一些凝絮結構，這些凝絮結構會包裹10%~30%的拌合水。游離水的減少會使水的潤滑作用大大降低，從而減小了混凝土拌合物的流動性和工作性。當加入減水劑后，減水劑分子會定向吸附在水泥顆粒表面，使水泥顆粒表面帶有同種電荷，形成靜電斥力，于是水泥顆粒便相互分散，使絮凝結構破壞，釋放出被包裹的游離水，從而增加混凝土拌合物的流動性。

減水劑中含有極性親水基，他能與水分子結合，在水泥顆粒表面形成一層溶劑化水膜。這層溶劑化水膜能阻止水泥顆粒直接接觸，減少顆粒移動的相對阻力，從而起到潤滑作用[2]。

在混凝土中同時加入減水劑和引氣劑后，在自由水減少和微小氣泡緩沖膨脹壓力雙重作用下，凍融循環(huán)的破壞效果就得到了很大程度的降低，從而增強混凝土的抗凍性。同時，減水劑的使用達到了減低混凝土水灰比的作用，而水灰比的降低又能減少水泥路面的碳化，從而提高路面耐久性。

（2）外摻料

和引氣劑相似，外摻料也對改善混凝土的各項性能有著重要作用，而且往往外摻料在節(jié)約水泥資源方面更為顯著。寒區(qū)水泥混凝土路面常用的外摻料有粉煤灰和硅粉兩種。

1）粉煤灰和使用及機理

煤燃燒后會產(chǎn)生濃重的煙氣，這些煙氣實際上是未充分燃燒的煤炭小顆粒，也就是粉煤灰，其氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。由于大量的燃煤發(fā)電廠和金屬冶煉廠的存在，使粉煤灰成為我國現(xiàn)階段最主要的工業(yè)污染物之一，粉煤灰的隨意堆放還會污染環(huán)境，有害人和動物的健康。國內(nèi)外學者經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，將粉煤灰摻入混凝土中不僅能替代水泥，從而減少水泥用量，而且能顯著改善混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、抗堿--集料反應性和抗碳化性，從而提高混凝土的耐久性。

粉煤灰中含有大量的細屑，這些細屑能進入細集料中，從而增大了漿體體積，使?jié){體能更充分地包裹集料，使混凝土拌合物的可塑性和粘聚性增加。同時，大量的細屑會阻塞在漿體中的毛細孔中，這些毛細孔是泌水通道，所以粉煤灰的使用也可減少了水的使用及新澆混凝土的泌水。

粉煤灰對水泥的替代及用水量的減少大大減低了水泥的水化熱和混凝土凝結過程的溫升，這就能防止路面因內(nèi)外溫差所造成的溫度裂縫和因水分過快散失所造成的干縮裂縫。

此外，粉煤灰中的火山灰反應能生成微小而致密的水化硅酸鈣，阻塞毛細孔，提高混凝土的抗?jié)B性；粉煤灰能與水泥中的堿反應，從而減少了集料中的活性氧化硅與水泥中堿的反應，起到了抑制堿--集料反應的作用；粉煤灰中的二氧化硅還能與水泥中的氫氧化鈣反應，從而減少了氫氧化鈣與硫酸鹽反應引起的石膏膨脹，所以粉煤灰還能提高混凝土的抗硫酸鹽能力。

當然，粉煤灰也不是摻的越多越好，實驗證明，水泥混凝土中粉煤灰的摻量不宜大于30%,一般推薦摻量為10%~20%。

粉煤灰的摻用是變廢為寶的典型例子。將原本難以處理的工業(yè)廢渣變成替代水泥的優(yōu)質(zhì)材料，既節(jié)約資源又保護環(huán)境，既降低了工程成本又可提高路面耐久性，可謂一舉多得，極具推廣意義。

2）硅粉的使用及其機理

硅粉，又叫微硅粉，學名“硅灰”，是工業(yè)電爐在高溫熔煉工業(yè)硅及硅鐵的過程中，隨廢氣逸出的煙塵經(jīng)特殊的捕集裝置收集處理而成。其主要成分為SiO2。

硅粉顆粒非常小，比水泥顆粒還小數(shù)十倍，所以硅粉能輕易填充到水泥顆粒的間隙之中，提高混凝土的密實性。并且硅粉能發(fā)生二次水化反應生成致密物質(zhì)阻塞滲流通道，所以摻入適量硅粉的水泥混凝土具有較好的不透水性和抗?jié)B性。

硅粉發(fā)生火山灰反應能使混凝土中的氫氧化鈣含量減少，從而減少了孔隙水的堿度，這就減少了水泥中的堿與集料中活性氧化物的反應，抑制了堿--集料反應。學者Popoic經(jīng)研究后指出，在普通混凝土中摻入硅粉會提高混凝土的耐久性，尤其是在硫酸鹽、除冰鹽等易發(fā)生腐蝕反應的環(huán)境中。

（3）堿--集料反應的機理

堿--集料反應(簡稱AAR)是指混凝土原材料中的堿性物質(zhì)與活性成分發(fā)生化學反應,生成膨脹物質(zhì)(或吸水膨脹物質(zhì))而引起混凝土產(chǎn)生內(nèi)部自膨脹應力而開裂的現(xiàn)象。它被稱為混凝土的“癌癥”，一旦發(fā)生，便會使混凝土結構耐久性大幅下降甚至失去使用價值，且它發(fā)生在混凝土結構內(nèi)部，事先不易察覺，發(fā)生后修復工作也難以進行。

堿--集料反加劑，集料中活性材料主要是指SiO2和硅酸鹽、碳酸鹽等。應中的堿主要來自水泥熟料、外按照發(fā)生反應的活性材料的不同，可將混凝土堿集料反應分為三種類型，分別是堿--硅反應、堿--碳酸鹽反應和堿--硅酸鹽反應。其中堿--硅反應是最為常見的反應類型，水泥中的堿與混凝土中的活性氧化硅反應生成堿--硅酸凝膠，凝膠大量吸水并產(chǎn)生膨脹壓力致使混凝土開裂。由堿集料反應的發(fā)生機理可知它一般容易發(fā)生在下面三個條件下：一是混凝土中有一定數(shù)量的堿性物質(zhì)存在，或者混凝土本身就處在有利于堿性物質(zhì)滲入的環(huán)境之中；二是集料中摻入了一定數(shù)量的堿活性骨料，如含SiO2的骨料；三是潮濕環(huán)境，潮濕環(huán)境中的水分是反應物吸水膨脹的物質(zhì)基礎，若混凝土處于干燥條件下，則堿--集料反應難以發(fā)生。

堿--集料破壞發(fā)生之后，其他類型的路面破壞便可能會相繼發(fā)生。這是因為膨脹產(chǎn)生的裂縫會將水泥混凝土路面的內(nèi)部結構暴露于空氣之中，外界的水分、冰雪、二氧化進一步使裂縫擴大。如此一來，堿--集料反應所造碳、雜質(zhì)等隨之進入，進而造成鋼筋銹蝕、碳化腐蝕、凍融循環(huán)破壞等，這些破壞又會成的破壞便會如同“癌細胞”一般逐漸擴散惡化，最終破壞混凝土結構。

3、結語

外界環(huán)境是外因，文中著重介紹了寒區(qū)特有的凍融循環(huán)破壞和冬季除冰鹽破壞及其機理；路用材料有很多，而本文也只是對外加劑和外摻料這兩者影響重大的材料的作用機理做了研究，并額外闡述了堿--集料反應的機理。

[1]安豐偉.水泥混凝土路面耐久性評價方法研究[D].西安：長安大學道路與鐵道工程系，2011.

[2]王雁飛，采用外加劑防止寒冷地區(qū)水泥混凝土路面剝落的研究[D].沈陽：東北大學結構工程系，2004