青藏鹽蝕區(qū)混凝土抗凍融耐久性研究進展

金一峰 朱 標 李清云 侯 鑫 章萬鵬

(1.浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.紹興市城投建筑工業(yè)化制造有限公司，浙江 紹興 312000 3.長安大學公路學院，陜西 西安 710064）

0 引言

截止2018年，我國已在青藏高原地區(qū)修建了許多公路、橋梁以及大型水利水電設(shè)施。在我國境內(nèi)，會出現(xiàn)混凝土凍融破壞的地區(qū)主要包括西北地區(qū)，東北地區(qū)和華北地區(qū)。我國西南邊陲地區(qū)海拔變化劇烈，高差從西向東可以達到4000m以上，日平均氣溫低、溫差大。其中青藏高原地區(qū)的高寒氣候相比華北和東北更為嚴峻和惡劣。最新研究結(jié)合青藏高原近30年20個地區(qū)的典型氣象年數(shù)據(jù)建立的混凝土年均凍融循環(huán)次數(shù)方法表明：凍融循環(huán)次數(shù)主要集中在150次以上，部分地區(qū)甚至大于200次［1］。因此，高原地區(qū)混凝土抗凍耐久性設(shè)計迫在眉睫，尤其是冬季的凍融現(xiàn)象為水泥混凝土結(jié)構(gòu)的安全性造成較大隱患。凍融條件下的混凝土耐久性會直接影響到混凝土材料的安全性和穩(wěn)定性[2]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從20世紀40年代以來，前蘇聯(lián)，美國和加拿大等國家開展了大量的混凝土凍融耐久性的研究，這主要原因在于上述國家國土面積廣闊，且都有很大面積區(qū)域處于高寒條件下。而關(guān)于混凝土耐久性的最具代表性的研究是來自于Kosmatka和Wilson的著作[3]，其在美國水泥混凝土協(xié)會著作《混凝土的配合比設(shè)計與控制》中將混凝土凍融破壞的程度進行了詳細的分級并系統(tǒng)地總結(jié)了可以解釋凍脹行為對于混凝土剛度和強度影響的各種混凝土凍融破壞物理模型，其中主要包括靜水壓經(jīng)典理論、滲透壓理論、冰棱鏡理論和飽水度理論等[4]。而最為著名的模型是由Powers[5]提出的膨脹壓理論和滲透壓理論。遺憾的是限制于當時的試驗條件，很多凍融破壞模型都是非常簡單的物理模型，很難針對性地解釋混凝土凍融破壞的準確機理。

隨著物理學，材料學，非線性滲流力學和計算力學的發(fā)展，大部分國內(nèi)外研究者開始在混凝土凍融破壞的細觀和微觀機理方面達到共識。其中比較受到公認的混凝土凍融破壞行為可以描述如下：

（1）流體，包含水分以及鹽溶液，滲入混凝土材料內(nèi)部并達到極限飽和度在凍融循環(huán)的作用下產(chǎn)生破壞[7]。

近些年來，研究者[7]開始著眼于從細觀和微觀尺度來分析混凝土材料的凍融破壞行為，其中對于混凝土凍融破壞的關(guān)注點也從原來的物理模型解釋凍融破壞行為本身，轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯炕炷敛煌氂^結(jié)構(gòu)對于凍融耐久性的影響。如我國著名學者吳中偉院士[8]曾提出了混凝土抗凍融破壞的孔結(jié)構(gòu)理論，理論的核心認為混凝土的凍融破壞與混凝土內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，且將混凝土中內(nèi)部的微孔隙按照尺寸分為四類，而對于凍融影響較大的孔徑為大于100μm的孔。

鑒于此類原因，許多科研開始致力于模擬水分運輸?shù)南嚓P(guān)規(guī)律與混凝土細微觀結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，然而混凝土細微孔隙結(jié)構(gòu)中水分的運輸還常常含有氯、硫酸根離子的擴散作用，因此此類研究常常建立在多尺度復(fù)合離子的運輸解析中。在微觀尺度上（10-9m～10-6m），主要目的是建立混凝土孔隙率與曲折度的函數(shù)來模擬水分和氯離子擴散系數(shù)。在細觀尺度上（10-6m～10-3m），混凝土常被看作是兩相甚至三相復(fù)合材料，即骨料、砂漿以及過渡區(qū)三相，滲入測試以及背散射電子成像技術(shù)給出的過渡區(qū)厚度在10～100μm之間[9]。骨料的引入反而導(dǎo)致對水分和離子擴散速率不同的假設(shè)：一方面，骨料的引入會增加水分和離子傳輸?shù)耐緩剑辞龋瑴p緩其擴散；另一方面，引入的骨料同時會增加過渡區(qū)的比表面積從而給水分和離子的擴散開辟新的途徑從而加速其運輸。骨料的尺寸和吸濕性也對于凍融破壞具有直接影響。

混凝土的飽和度與凍融循環(huán)的破壞關(guān)系十分緊密，當流體在混凝土內(nèi)達到極限飽和度時，僅需要一個凍融循環(huán)便可破壞其結(jié)構(gòu)。這個極限飽和度的預(yù)估值大約在75%到91%，若擁有更小以及更均勻分布的空隙結(jié)構(gòu)，這個值會提高至85%[10]。從細觀層面上觀測混凝土會發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)部存在微孔隙和裂隙。當外界水分充足情況下，水分子會通過裂隙輕易滲入混凝土材料內(nèi)部。由于這一過程是由于水頭差和毛細作用引起的，所以水分子在裂隙中的輸運過程速度要遠快于其在孔隙中的擴散速度。當其達到混凝土的極限飽和度時，凍結(jié)氣候下降到冰點以后，混凝土內(nèi)部的自由水將在溫度影響下發(fā)生相變（即所謂的結(jié)冰）。此時混凝土孔隙和裂隙中的水分體積將增加9%左右。在上述自身體積膨脹作用下，冰晶體將會與孔隙和裂隙形成一個過盈接觸，其過盈切向應(yīng)力甚至可以達到90MPa以上，這種應(yīng)力水平勢必導(dǎo)致周圍的混凝土材料在細觀層面發(fā)生開裂破壞。新開裂的界面又將為水分的輸運提供新的通道，水分子可以通過這些通道擴散到更加細小的和更深的混凝土材料內(nèi)部，并在反復(fù)的凍融影響下導(dǎo)致混凝土細觀的破壞行為進一步發(fā)展。

（2）含氯離子鹽溶液與水泥基材料的反應(yīng)（物態(tài)變化）導(dǎo)致了鈣的氯氧化物的產(chǎn)生，其自身的體積變化加之凍融循環(huán)會導(dǎo)致混凝土的進一步破壞。

對于高寒地區(qū)路面混凝土結(jié)構(gòu)，由于氣溫驟降而導(dǎo)致多地區(qū)不同程度的降雪積雪，特別是青海部分地區(qū)多山、長距離上下坡、背陰路段道路積雪結(jié)冰，造成很大的行車困難及社會安全隱患。因此，雪后在路面橋面撒鋪融雪劑或除冰鹽來保證安全順暢的道路通行環(huán)境是極有必要的。即使使用低濃度除冰鹽，水分的蒸發(fā)也會導(dǎo)致高濃度的鹽溶液與混凝土接觸，當氯化物與水泥基材料中的水化產(chǎn)物在有水分存在的條件下主要會出現(xiàn)如下兩種反應(yīng)：

第一種是鹽溶液中的氯化物與混凝土中的鋁酸鹽相反應(yīng)而形成弗雷德爾或庫澤爾鹽，但此類鹽類的產(chǎn)生除了體積變化而導(dǎo)致流體不容易在混凝土的孔隙中流入或流出，并不會對混凝土的結(jié)構(gòu)造成很大破壞。

第二種主要是氯化鎂、氯化鈣溶液與混凝土水化產(chǎn)物氫氧化鈣的反應(yīng)。其中的產(chǎn)物水化硅酸鎂（M-S-H）的產(chǎn)生速率比較慢。然而需要注意的是氯化鎂溶液會與水泥基材料反應(yīng)先生成氫氧化鎂沉淀，隨后會被氯離子取代繼續(xù)轉(zhuǎn)化為鈣的氯氧化物。

值得注意的是，即使鹽溶液的濃度低至2.5%都會有CAOXY產(chǎn)生，并且隨著鹽溶液濃度的增加其產(chǎn)生溫度也會升高，甚至在室溫的條件下都會產(chǎn)生，雖然有可能隨著水泥基材料的水化程度有所波動。CAOXY在特定溫度與濕度的條件下產(chǎn)生并會膨脹接近30%，如此產(chǎn)生的膨脹壓力會對混凝土材料造成極其嚴重的開裂以及水泥砂漿與骨料的脫離。新開裂的界面又將為水分的輸運提供新的通道，水分子可以通過這些通道擴散到更加細小的和更深的混凝土材料內(nèi)部，并在反復(fù)的凍融影響下導(dǎo)致混凝土細觀的破壞行為進一步發(fā)展。

2 青藏鹽蝕區(qū)混凝土抗凍耐久性存在的問題

青海省經(jīng)過多年的現(xiàn)場調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn)：青海省山區(qū)道路橋梁路面多為水泥混凝土，青海部分地區(qū)多山、長距離上下坡、背陰路段道路積雪，隨著凍融循環(huán)的作用以及冬季撒鹽除冰造成的鹽凍破壞，混凝土路面切縫處極易被破壞，導(dǎo)致破壞蔓延至路面面板[9]。青海省地區(qū)的面板堆石壩中，70%以上迎水面的混凝土表面層存在凍融導(dǎo)致的脫落病害，其中某些壩體混凝土凍融破壞深度達到20cm以上。同樣，這些大量的凍融病害問題已經(jīng)嚴重地危害青藏高原地區(qū)混凝土材料與結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

如今通過對青海鹽蝕區(qū)水泥混凝土耐久性的狀況調(diào)查、等級劃分研究、抗凍性等級確定等方式，對如下不同環(huán)境條件下鹽蝕區(qū)混凝土抗凍耐久性機理研究主要集中于以下幾方面[10]。

（1）氯鹽、硫酸鹽及復(fù)鹽環(huán)境下混凝土的抗凍性及其對鋼筋銹蝕性能的研究。

（2）硫酸鹽環(huán)境下水泥混凝土的抗凍性研究。

（3）干濕凍融循環(huán)條件下混凝土的抗凍耐久性能研究。

（4）高抗凍混凝土耐磨性及凍磨作用下破壞機理研究。

（5）混凝土飽和系數(shù)的研究。

雖然國內(nèi)外學者已經(jīng)做了大量的工作，取得了顯著的成就，但是絕大多數(shù)的研究建立在利用宏觀凍融測試方法的基礎(chǔ)上，其地域性、實用性、適用性以及準確性是極其有限的，很難有效的對混凝土細觀結(jié)構(gòu)組成與其宏觀破壞機理給出準確闡述和分析。這是由于含有截然不同的細觀結(jié)構(gòu)的混凝土材料完全可能具備相類似的宏觀耐久性。此外混凝土材料的細觀結(jié)構(gòu)組成也會與混凝土凍融耐久性存在巨大關(guān)聯(lián)。但是要詳細地解釋路面混凝土材料在凍融情況下的破壞機理卻不是一件非常容易的事情。由于抗凍融試驗可以從宏觀層次上反應(yīng)出隨著凍融循環(huán)，混凝土材料損傷和破壞的發(fā)展過程和破壞形態(tài)等宏觀力學性質(zhì)，所以常被選用作為考核混凝土抗凍融性的標準指標。也正是由于上述原因，才會使大量的研究者和工程技術(shù)人員對于混凝土內(nèi)部細觀空隙率的控制原則存在長期爭議。其根本原因主要包括[11]：

目前混凝土材料宏細觀凍融破壞特性的影響因素以及物理、化學機理不夠系統(tǒng)化，爭議焦點主要集中在內(nèi)部孔隙直徑大小和分布對于其抗凍融性能改善的物理機理以及化學破壞機理。

物理破壞機理中，缺乏混凝土早期與硬化后的創(chuàng)新實驗測試方法，例如依舊沿用古老的含氣計量器來對早期混凝土的氣孔含量進行分析，其早已不能滿足現(xiàn)代混凝土材料的耐久性預(yù)測需求。

化學破壞機理中，缺乏鹽溶液與水泥基自身發(fā)生化學反應(yīng)的機理研究，通過對青藏鹽蝕區(qū)使用除冰鹽建立化學相圖模擬鮮有報道。

3 青藏鹽蝕區(qū)混凝土抗凍融主要控制措施

以下是近年來國內(nèi)外對混凝土材料抗凍融循環(huán)破壞的主要措施：

（1）增加混凝土混合物中的含氣量：研究表明，以混凝土混合物含有75%體積比的最大粒徑為37.5mm骨料和水灰比為0.42為例，增加含氣量會降低飽和度。因此，高含氣量會延緩其達到極限飽和度時間。

（2）降低水灰比：同樣以之前描述的混凝土混合物為例，減小水灰比可以降低其初始的飽和度。這是由于毛細孔隙會隨著與水分的接觸逐漸充滿水，減小水灰比可以降低水分進入毛細孔隙的速率從而延緩達到極限飽和度的時間。

（3）應(yīng)用表面密封材料：可以有效地阻止或減緩流體的滲入，但這類材料的效果在實際應(yīng)用中還需要進一步的研究。此類材料同樣可以提供物理阻礙使得鹽溶液與水泥基材料無法或少量接觸而減少CAOXY的產(chǎn)生。

（4）提供良好的排水系統(tǒng)：合理設(shè)計提供有效的坡度來減少流體與材料的長時間接觸。

（5）引入工業(yè)廢料減少CAOXY的產(chǎn)生：引入工業(yè)廢料粉煤灰、礦渣、硅灰、火山灰（特別是偏高嶺土），玄武巖纖維等，利用其對水泥基材料的稀釋和火山灰反應(yīng)進行雙摻或三摻，減少混合物中可利用的氫氧化鈣含量，從而達到減少CAOXY產(chǎn)生的效果。

4 結(jié)束語

近年來，國內(nèi)外無論是學術(shù)界還是工業(yè)界都依然著眼于寒區(qū)、鹽蝕區(qū)混凝土耐久性與其細觀組成之間的聯(lián)系，目前混凝土材料宏細觀凍融破壞特性的影響因素以及物理、化學機理不夠系統(tǒng)化，爭議焦點主要集中在內(nèi)部孔隙直徑大小和分布對于其抗凍融性能改善的物理機理以及化學破壞機理。物理破壞機理中，缺乏混凝土早期與硬化后的創(chuàng)新實驗測試方法，例如依舊沿用古老的含氣計量器來對早期混凝土的氣孔含量進行分析，其早已不能滿足現(xiàn)代混凝土材料的耐久性預(yù)測需求。化學破壞機理中，缺乏鹽溶液與水泥基自身發(fā)生化學反應(yīng)的機理研究，通過對青藏鹽蝕區(qū)使用除冰鹽建立化學相圖模擬鮮有報道。因此亟需以我國重大工程基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)安全性與耐久性為研究背景，針對青藏鹽蝕區(qū)多凍融的嚴峻氣候條件下的混凝土耐久性破壞機理開展物理、化學宏細觀多尺度研究，依據(jù)實際工況提出相應(yīng)的預(yù)測模型與壽命評估理論框架，同時可對我國鹽蝕區(qū)以及內(nèi)蒙、東北等季凍區(qū)混凝土路面組成設(shè)計、施工、養(yǎng)護及延長使用壽命提供理論依據(jù)。