混凝土鹽凍破壞機理分析

軒倩茹

(新疆農業大學 交通與物流工程學院,新疆 烏魯木齊 830052)

0 前 言

混凝土已被廣泛利用在公路、橋梁、房建、廠房和海港碼頭等工程中,并且具有穩定的材料供應,成本效益高等,但是與此同時，混凝土耐久性問題也一直存在。國內外許多專家學者在混凝土抗凍性方面做了許多研究,也產生很多優秀的理論和經驗,但是我國由于地理氣候的不同,不同地區溫差大,對混凝土的研究側重點也不同,對于一些寒冷地區，混凝土耐久性多是研究其凍融性,卻忽略了混凝土的抗鹽凍性。我國的西北地區鹽漬土分布較廣,鹽湖較多,在這些地區,大量的混凝土結構變質,使用壽命大大縮短,其主要原因是硫酸鹽攻擊和凍融損傷。因此,研究混凝土的鹽凍損傷機理有助于西北地區基礎設施的快速發展。

1 鹽凍產生原因及危害

1)對于西北嚴寒地區來說,鹽漬土的分布范圍較廣,混凝土長期暴露于惡劣環境條件下,受到鹽凍侵害的影響也較大。鹽漬土壤是一種含有一定數量可溶性鹽的土壤,例如石膏、芒硝和巖鹽(硫酸鹽或氯化物)。由于存在可溶性鹽,鹽漬土壤對混凝土具有侵蝕作用。鹽漬土壤中的氯離子可以滲透到鋼筋混凝土結構中,當氯離子含量達到臨界水平,會損壞鋼筋表面上的氧化物薄膜,最終導致鋼筋腐蝕。此外,鹽漬土壤中的硫酸根離子也會腐蝕混凝土導致混凝土損壞。對于道路與橋梁方面來說鹽漬土中的硫酸鹽對混凝土腐蝕影響更大一些。

2)由于冬季下雪頻繁,特別是一些嚴寒地區氣溫變化較大的城市,有些城市一年之中有將近6個月時間都處于冰雪覆蓋的情況,每年的降雪量大、積雪厚、堆積時間長,為了不影響市民的正常通行,很多地區都采用實驗除冰鹽和融雪劑來清除路面橋梁的積雪,從而導致混凝土不斷處于冰凍和解凍干濕循環之下,很快便會發生鹽凍破壞,帶來很多財產損失。一些機場跑道采用的則是噴灑除冰液來方便掃雪車清除跑道積雪。其中除冰鹽和融雪劑通常都是氯鹽類融雪劑,而除冰液價格較貴,由醋酸鹽、甲酸鹽組成。大量融雪劑的使用導致路面和橋梁表面氯離子濃度增加,可能導致混凝土表面脫落,損壞混凝土內部結構,降低混凝土耐久性。融雪劑的使用對周圍環境也會產生壞的影響,融雪劑中的一些有害離子隨著雪水融入地下排水系統,對地下水造成污染,還會污染地下土質,破壞環境。

2 鹽凍破壞機理研究

混凝土的抗鹽凍性是評價混凝土耐久性的一個重要指標,國內外對混凝土抗凍性的研究開始于20世紀40年代初,許多國內外學者對混凝土凍融破壞機理提出了很多理論,其中靜水壓假說和滲透壓假說最為有名,得到了諸多專家學者的認可,經過時間的驗證,這兩種理論得到了進一步的發展,對研究混凝土凍融循環破壞有很好的借鑒意義,之后楊全兵教授又提出在鹽凍環境下混凝土的破壞機理。

靜水壓假說由T.C.Powers在1945年首次提出,他認為混凝土內部水結冰引起體積膨脹從而導致未結冰的水向外移動產生靜水壓力,該壓力對混凝土內部有破壞作用從而引起混凝土凍融破壞。但是該理論也有不足之處,比如無法解釋當水泥混凝土處于受凍卻不會引起混凝土體積膨脹的液體中卻仍然產生凍融破環的現象。不久之后，T.C.Powers又聯合Helmuth一起提出了滲透壓理論,該理論指出由于毛細孔孔徑的差異產生了大孔徑先行結冰之后小孔徑再結冰的現象,從而導致不同孔徑之間產生濃度差,迫使結冰的水向結冰處遷移產生滲透壓,造成混凝土質量損失。

同濟大學的楊全兵在混凝土鹽凍破壞機理(Ⅰ)-毛細管飽水度和結冰壓一文中研究了NaCl溶液對毛細管飽水度和結冰壓的影響，提出鹽雖然可以降低溶液的冰點,但是NaCl溶液濃度的增加可以提高混凝土的飽水度，即含氯離子的混凝土達到臨界飽水度的時間縮短。這也是混凝土受鹽凍破壞的主要原因之一,另外實驗結果表明，在鹽溶液內質量濃度在2%～4%時,將產生最大的結冰壓,這也很好地解釋了為什么中濃度鹽溶液對混凝土破壞最嚴重。

Lei Jiang將摻有20%粉煤灰的混凝土放置于5%硫酸鈉溶液和5%硫酸鎂溶液兩種溶液中進行混凝土凍融實驗,實驗過程中發現：一方面，凍融循環減緩了硫酸鹽離子在混凝土中的擴散；另一方面,硫酸鹽加速了混凝土中微裂紋的形成,從而導致凍融破壞。此外,混凝土的抗壓強度損失和相對動彈模量損失在最初的凍融循環中,硫酸鈉溶液中的混凝土小于水中的混凝土質量損失,但是在以后的試驗中,混凝土損失更為嚴重。

3 防治措施

水泥混凝土受鹽凍破壞的原因是混凝土受鹽溶液侵蝕并隨著凍融循環次數的增加便會產生裂縫,強度降低和造成破壞。若要提高混凝土抗鹽凍性，可以通過以下措施實現。

1)通過減少水膠比來提高混凝土的抗凍性能,通過增加的水泥用量,提高混凝土的密實度,混凝土密實度是影響混凝土耐久性的主要因素。這種方法由T.C.Powers最早提出,他提到了關于水在毛細孔中凍結并產生水的靜水壓力,隨著孔隙水結冰造成混凝土體積膨脹，而通過減少水膠比,混凝土內部的毛細管數量、氣泡數量和間距均有所減少,從而結晶水減少,混凝土鹽凍損壞降低。

2)目前,許多學者已經研究出加入引氣劑可以有效提高混凝土的抗凍性。對于普通混凝土,摻入一定量的引氣劑使含氣量達到3%～5%,可明顯提高其抗凍融性。引氣劑的加入可以降低水的表面張力和界面能,使混凝土在攪拌過程中產生許多微小均勻的封閉氣泡,這些微小的氣泡占據了混凝土內部空隙,阻隔了毛細管通道,提高了抗滲性,使得其吸水率減小也就提高了抗凍性能。

3)一些學者認為加入硅粉或其他高活性火山灰摻合料可以有效地提高混凝土耐久性(抗鹽凍性)。為了有效利用硅粉,還必須引入一種有效的聚羧酸類高效減水劑。減水劑的摻入,顯著地改善了水泥混凝土的孔結構,使水泥混凝土的密實度提高,透水性降低,從而提高抗滲、抗凍、抗化學腐蝕及防銹蝕等能力。

4 結 論

隨著國內外對混凝土抗鹽凍性的研究力度的加大,現在已經研發出一些高效環保的除冰鹽比如醋酸鹽、甲酸鹽等,但是價格普遍較高,對于一些需求量大的除雪工作,比如街道除雪,則不會采取此種鹽來除雪，所以還需要研發出一種價格低并且環保高效型的除冰鹽來供選擇。此外,目前有關對鹽凍的研究總是考慮單一元素對混凝土結構的損傷,卻沒有考慮到混凝土實際所處環境復雜惡劣，很有可能出現凍融破壞的原因是若干個元素的結合導致,比如幾種鹽類共同作用,在凍融循環下混凝土的損傷情況以及不同鹽溶液的濃度,在單一溶液以及多溶液情況下混凝土的質量變化又會有什么不同。因此，目前的理論仍有許多不足,還需要更多的實驗研究來為實際工程提供理論支持。

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