水泥混凝土路面抗鹽凍性能試驗研究

張志強

(中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

鹽凍病害是水泥混凝土路面經常面臨的問題。由于地理環境的特殊性，我國東北地區公路路面都會受到鹽凍的危害，給道路交通安全帶來較大影響。因此，有必要對水泥混凝土路面抗鹽凍性能進行研究。

近年來，國內外學者對水泥混凝土受化學溶液腐蝕及凍融循環影響進行了大量研究，成果較為豐富。南雪麗等對氯鹽侵蝕作用下聚合物快硬混凝土的抗凍性及耐腐蝕性進行了試驗研究，對比分析了其與普通硅酸鹽水泥的差異[1]。馬好霞等為分析醋酸鈣鎂除冰液對混凝土建筑物的破壞影響，采用不同濃度的醋酸鈣鎂對標準混凝土試件進行試驗研究[2]。劉芳等通過查閱大量國內外文獻，總結分析了混凝土受外部環境及荷載作用下的破壞機理，提出了未來混凝土的研究方向[3]?；唇ǚ逋ㄟ^室內試驗，對粉煤灰、陶粒影響混凝土的抗滲及抗凍性進行了研究，分析了二者提升混凝土抗滲性及抗凍性的作用機理[4]。吳鵬程等針對除冰鹽影響水泥混凝土路面耐久性問題，對除冰鹽溶液浸泡后的混凝土的物理性質進行了試驗研究[5]。曹瑞實等同樣對除冰鹽影響水泥混凝土耐久性問題進行了研究，分析了不同種類、不同濃度的除冰鹽對混凝土的作用機制[6]。侯海元等通過Image-Pro Plus圖像處理方法，對冰凍影響下水泥混凝土的細觀力學特性進行了研究，基于灰度分析法對水泥混凝土的細觀參數變化規律進行了分析[7]。李偉等為提升季凍區水泥混凝土路面的抗凍性，在水泥混凝土中摻加不同種類的纖維，并對其進行彎拉強度和凍融循環試驗[8]。覃瀟等為提升混凝土路面的耐久性，對鹽凍前后的混凝土進行了斷裂試驗、彎拉試驗及疲勞試驗研究，分析了高吸水聚合物(SAP)對混凝土路面抗鹽凍性的作用機理[9]。謝宇晨等通過抗壓試驗和凍融試驗，對刷抗凍材料的混凝土及素混凝土進行了對比分析，揭示了抗凍材料的作用機理[10]。

綜上，國內外學者已經對水泥混凝土受化學溶液腐蝕及凍融循環影響方面進行了較為詳細的研究，但對不同種類鈉鹽溶液的研究相對較少。鑒于此，筆者結合遼寧某在建公路項目，對不同種類鈉鹽溶液、不同凍融循環次數下混凝土的物理性質進行研究，為工程實際提供可靠的技術支持。

1 試驗介紹

本文采用阜新鷹牌水泥廠生產的普通硅酸鹽水泥，密度為2.874 g/cm3，標準稠度為0.65%，燒失量為2.7%，細度為5.2%，初凝時間為65 min，終凝時間為286 min，28 d抗壓強度為45 MPa。細集料采用市面售賣的天然河砂，表觀密度為1.512 g/cm3，壓碎值為35.71%，粗集料采用石灰巖，表觀密度為2.747 g/cm3，壓碎值為12.34%，粒徑范圍為5～10 mm。減水劑采用市面售賣的普通混凝土減水劑。根據混凝土配合比設計規范，型號C52.5的混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比

為分析不同種類鹽對路面混凝土的影響，本文選取三種典型鈉鹽進行分析，分別為3%的NaCl溶液，3%的Na2CO3溶液和3%的Na2SO4溶液。按表中給出的配合比，制備尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體試件，室溫養護28 d，之后將對應編號的試件放入三種鈉鹽溶液中完全浸泡7 d。同時，設置對照組，即將養護28 d的標準試件放入水中完全浸泡7 d。待達到浸泡時間后，擦干表面水分，檢測對應編號混凝土試件的質量、相對動彈模量及彎拉強度。路面混凝土試件的凍融循環試驗在快速凍融試驗箱中進行，凍6 h、融6 h為一次完整凍融循環過程，凍結溫度設置為-20 ℃，融化溫度設置為20 ℃，每25次凍融循環檢測相對動彈模量，并稱重。每50次凍融循環測一次彎拉強度。

2 試驗結果分析

2.1 質量分析

對不同鈉鹽浸泡下的混凝土試件進行凍融循環試驗，檢測不同凍融循環次數下試件的質量，結果見圖1。

圖1 質量損失率分布曲線

從圖1(a)中可以看出，隨著凍融循環次數的逐漸增大，不同鹽溶液浸泡后的混凝土質量損失率逐漸遞增，且質量損失率與凍融循環次數之間近似滿足線性函數關系。以Na2SO4溶液為例，當凍融循環0次時，混凝土試件的質量損失率為0；當凍融循環100次時，混凝土試件的質量損失率為0.18%；當凍融循環200次時，混凝土試件的質量損失率為0.36%，驗證了質量損失率與凍融循環次數之間近似呈線性函數關系。導致質量損失的原因是水泥混凝土中含有易溶于鈉鹽的礦物質，隨著凍融循環次數的增加，試件內部微裂隙不斷地收縮與膨脹，滲流通道逐漸加寬，試件內部礦物質進一步溶解，如此循環往復，致使質量損失率逐漸增大。

圖1(b)為凍融循環150次不同鈉鹽溶液浸泡后混凝土試件質量損失率對比結果。由圖可知，相同凍融循環次數下，不同鈉鹽溶液對混凝土質量損失率的影響具有顯著差異。經過凍融循環150次后，混凝土試件在Na2SO4溶液中的質量損失率為0.25%，在NaCl溶液中的質量損失率為0.23%，在Na2CO3溶液中的質量損失率為0.21%，在水中的質量損失率為0.09%，可見，不同液體對混凝土的質量損失率的影響依次為：Na2SO4溶液>NaCl溶液>Na2CO3溶液>H2O。

2.2 動彈模量分析

對不同鈉鹽浸泡下的混凝土試件進行凍融循環試驗，檢測不同凍融循環次數下試件的相對動彈模量，結果見圖2。

圖2 相對動彈模量分布曲線

從圖2(a)中可以看出，隨著凍融循環次數的逐漸增大，不同鹽溶液浸泡后的混凝土相對動彈模量逐漸遞減，且相對動彈模量與凍融循環次數之間近似滿足線性函數關系。以Na2CO3溶液為例，當凍融循環0次時，混凝土試件的相對動彈模量為100%；當凍融循環100次時，混凝土試件的相對動彈模量為83.93%；當凍融循環200次時，混凝土試件的相對動彈模量為71.29%，驗證了相對動彈模量與凍融循環次數之間近似呈線性函數關系。原因是混凝土中的易溶物質溶解后，試件表面孔隙逐漸增大，且逐漸向內部延伸，凍融循環作用進一步加寬了裂隙通道，使得鹽溶液不斷深入試件內部，凍融循環還導致顆粒骨架疏松，承載能力下降，最終導致相對動彈模量降低。

圖2(b)為凍融循環150次，不同鈉鹽溶液浸泡后混凝土試件相對動彈模量對比結果。由圖可知，相同凍融循環次數下，不同鈉鹽溶液對混凝土相對動彈模量的影響具有顯著差異。經過凍融循環150次后，混凝土試件在Na2SO4溶液中的相對動彈模量為62.81%，在NaCl溶液中的相對動彈模量為70.71%，在Na2CO3溶液中的相對動彈模量為78.75%，在水中的相對動彈模量為93.11%，可見，不同液體對混凝土的相對動彈模量的影響依次為：Na2SO4溶液>NaCl溶液>Na2CO3溶液>H2O。

2.3 彎拉強度

對不同鈉鹽浸泡下的混凝土試件進行凍融循環試驗，檢測不同凍融循環次數下試件的彎拉強度，結果見圖3。

從圖3(a)中可以看出，隨著凍融循環次數的逐漸增大，不同鹽溶液浸泡后的混凝土彎拉強度逐漸遞減，且彎拉強度與凍融循環次數之間近似滿足線性函數關系。以Na2SO4溶液為例，當凍融循環0次時，混凝土試件的彎拉強度為5.99 MPa；當凍融循環100次時，混凝土試件的彎拉強度為5.23 MPa；當凍融循環200次時，混凝土試件的彎拉強度為3.97 MPa，驗證了彎拉強度與凍融循環次數之間近似呈線性函數關系。原因同前。

圖3(b)為凍融循環150次，不同鈉鹽溶液浸泡后混凝土試件彎拉強度對比結果。由圖可知，相同凍融循環次數下，不同鈉鹽溶液對混凝土彎拉強度的影響具有顯著差異。經過凍融循環150次后，混凝土試件在Na2SO4溶液中的彎拉強度為4.49 MPa，在NaCl溶液中的彎拉強度為5.21 MPa，在Na2CO3溶液中的彎拉強度為6.26 MPa，在水中的彎拉強度為7.39 MPa，可見，不同液體對混凝土的相對動彈模量的影響依次為：Na2SO4溶液>NaCl溶液>Na2CO3溶液>H2O。

圖3 彎拉強度分布曲線

3 結論

(1)隨著凍融循環次數的逐漸增大，不同鹽溶液浸泡后的混凝土質量損失率逐漸遞增，且質量損失率與凍融循環次數之間近似滿足線性函數關系。

(2)隨著凍融循環次數的逐漸增大，不同鹽溶液浸泡后的混凝土相對動彈模量逐漸遞減，且相對動彈模量與凍融循環次數之間近似滿足線性函數關系。

(3)隨著凍融循環次數的逐漸增大，不同鹽溶液浸泡后的混凝土彎拉強度逐漸遞減，且彎拉強度與凍融循環次數之間近似滿足線性函數關系。

(4)根據質量損失率、相對動彈模量及彎拉強度三項檢測指標，不同液體對混凝土的影響強弱依次為Na2SO4溶液>NaCl溶液>Na2CO3溶液>H2O。