道面混凝土的抗表面剝落性能

趙興杰 孫厚坤

水泥混凝土道面相比其他建筑物處于更為惡劣和復(fù)雜的工作條件，不僅要承受正常使用荷載的反復(fù)作用，還要承受環(huán)境水的各種作用(水的滲入、沖刷、凍融、侵蝕、腐蝕等)，因此廣泛存在耐久性破壞問題[1，2]。其中，北方地區(qū)道面混凝土遭受鹽凍作用引起的表面剝蝕現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。其破壞速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通混凝土的凍融破壞速度。目前，對機場道面混凝土的抗表面剝落性能尚沒有系統(tǒng)研究，因此，有必要對道面混凝土的表面剝落進行研究，設(shè)計適用于道面混凝土的抗表面剝落試驗方法。

1 道面混凝土表面剝蝕機理分析

1.1 物理作用機理

混凝土除冰鹽破壞從本質(zhì)上看是凍融破壞的一種特殊形式。由于鹽溶液比純水的蒸汽壓低，導(dǎo)致加除冰鹽的混凝土中所含的水比無除冰鹽混凝土表現(xiàn)出更低的蒸發(fā)速率和更高的飽和度。因而當(dāng)受凍時，混凝土中將產(chǎn)生更高的結(jié)冰壓。另外，由于鹽的濃度差，受凍時分層結(jié)冰產(chǎn)生壓力差，同時融化冰時需要的熱量使混凝土表面的溫度劇降，導(dǎo)致額外的凍壞。

1.2 化學(xué)作用機理

除冰鹽不僅會使混凝土產(chǎn)生嚴(yán)重的鹽凍剝蝕破壞，且在非凍融條件下也同樣觀察到除冰鹽引起混凝土破壞，氯鹽對混凝土化學(xué)侵蝕機理研究結(jié)果表明，長期暴露于NaCl溶液中的水泥砂漿體，其水化產(chǎn)物會為 Ca(OH)2所浸濾，化學(xué)反應(yīng)如下式:

Ca(OH)2的濾出增加了混凝土暴露面附近的空隙率，使結(jié)冰量增加，從而加劇了混凝土剝蝕破壞。同時，可溶性CaCl2與水泥漿體中的 C3A反應(yīng)生成氯鋁酸鹽結(jié)晶，如下式:

另外，形成的強堿 NaOH與混凝土中的活性集料，在鹽的協(xié)同作用下發(fā)生堿—集料反應(yīng)，生成了強度較低，與粗集料間粘結(jié)較弱的膨脹性鹽，因而會加劇混凝土表面剝蝕，降低混凝土的物理力學(xué)性能。

2 抗表面剝落試驗設(shè)計

2.1 國外相關(guān)方法

目前，國內(nèi)還沒有相應(yīng)的鹽凍試驗方法。國外采用的鹽凍試驗方法很多，歸納起來主要有 3類:1)混凝土試件浸泡在鹽溶液中凍融;2)試件單面浸入鹽溶液 3mm～5mm進行凍融試驗;3)在試件表面覆蓋一層3mm～5mm的非飽和鹽溶液后進行凍融試驗。美國 ASTM C672屬第 3類方法[3]，采用視覺定性方法評定混凝土破壞等級。但歐盟標(biāo)準(zhǔn) CEN/TC51/WG 12/TG 4:6/94和RILEMTC117-FDC屬第 2類方法，用表面剝落量評定混凝土破壞。

2.2 試驗方案設(shè)計及評價指標(biāo)的確定

試驗方案設(shè)計如下:1)試驗設(shè)備。TDR型混凝土快速凍融機，每次可裝九組試件，共 27個槽位;低溫實驗箱(用于慢凍法);DT-2型數(shù)字式動態(tài)彈性測定儀。2)試件制備。試驗采用 100mm×100mm×400 mm的棱柱體，以六個為一組，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護至24 d齡期時將試件單面浸泡于溶液中飽和，28 d齡期時在同樣的溶液中進行凍融循環(huán)試驗。3)凍融循環(huán)制度。采用GBJ 82-85普通混凝土長期性能與耐久性試驗方法中的快凍法，每批試件進行50次凍融循環(huán)。試驗前測試試件動彈性模量和質(zhì)量。另外采用慢凍法進行對比試驗，即采用在低溫試驗箱中于(-17±2.8)℃下凍結(jié) 16h～18h，常溫(23±1.7)℃融化 6 h～8h的凍融循環(huán)制度，使試件的鹽凍破壞與自然條件下的鹽凍破壞相似。4)溶液的選用。國際上一般選用 NaCl或 CaCl2溶液作為凍融介質(zhì)。濃度一般為 3.0%～4.0%。溶液濃度對混凝土的除冰鹽剝落性能影響較大，濃度過高和過低混凝土剝落都會減小，即存在一個臨界濃度。鹽凍破壞程度并不簡單隨鹽溶液濃度的增加而增加，而在較低濃度(4%)時對混凝土破壞最嚴(yán)重[4-7]。因此，本試驗選用最不利的溶液濃度，即使用 4%的 CaCl2溶液，并用水做對比試驗。5)試件與溶液的接觸方式。試件置于可密封的不銹鋼容器中，試件單面浸入溶液，浸入深度為 5 mm。6)評價方法與指標(biāo)。采用混凝土的單位面積表面剝落量作為評價指標(biāo)。每循環(huán) 10次測定混凝土的相對動彈性模量和剝落量。

2.3 原材料及混凝土配合比設(shè)計

2.3.1 原材料

水泥:42.5R普通硅酸鹽水泥，28 d抗折強度 8.78MPa、抗壓強度 48.3 MPa，密度 3.1 g/cm3。粉煤灰:Ⅰ級粉煤灰，密度2.2 g/cm3，45μm篩余量 2%，需水量比 86%，燒失量 3.0%。砂子:河砂，細(xì)度模數(shù) 2.50，含泥量小于 1.0%，密度 2.63 g/cm3，堆積密度 1 500 kg/m3。石子:石灰?guī)r碎石 5mm～20mm，20mm～40mm兩個級配，密度 2.7 g/cm3，堆積密度 1 710 kg/m3。外加劑:木鈣減水劑、FDN高效減水劑。

2.3.2 道面混凝土配合比設(shè)計

采取選擇合適水泥、合適骨料、摻外加劑和優(yōu)質(zhì)混合料的技術(shù)路線，降低水膠比、減少孔隙率、增加水化產(chǎn)物和改善混凝土過渡區(qū)結(jié)構(gòu)，配制出抗折強度高、工作性和耐久性優(yōu)良的道面混凝土[8]。通過大量試驗研究，在諸多配合比中選擇出有代表性的三個強度等級的高強度道面混凝土配合比(代號分別為 PM 1，PM2，PM 3)和普通道面混凝土配合比(代號為 PT)，見表 1。

表1 道面混凝土配合比

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 表面剝落試驗結(jié)果

用上述 4個編號混凝土配比，制備 100 mm×100 mm×400mm的棱柱體各 6根，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護 24 d后，在 4%CaCl2溶液中進行表面剝落試驗，試驗結(jié)果見圖 1。結(jié)果表明，混凝土鹽凍剝落量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而迅速增長，在 50次凍融循環(huán)后，試件表面剝落已經(jīng)很嚴(yán)重，不同等級的混凝土差別明顯，普通等級混凝土已喪失道面使用功能要求。但在凍融循環(huán) 40次之前，試件表面剝落量較小，不便于比較優(yōu)劣，因而建議凍融循環(huán)次數(shù)定為50次即可。

3.2 不同凍融介質(zhì)的對比試驗結(jié)果

選取上述 4個配比的混凝土試件，分別在鹽溶液及水中進行快速凍融表面剝落試驗。試驗結(jié)果見表 2。可以看出，混凝土在鹽溶液中的表面剝落非常嚴(yán)重，質(zhì)量損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在水中凍融，大約增加 60%～400%。這是由于鹽溶液對混凝土的滲透性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水的滲透性[5]，使混凝土表面層的飽和程度提高，導(dǎo)致嚴(yán)重剝落，質(zhì)量損失增大。這說明采用鹽溶液凍融對混凝土的抗凍性評價更為嚴(yán)格，且符合冬季除冰鹽環(huán)境下的機場道面使用條件。

表2 混凝土在鹽溶液及水中的表面剝落試驗結(jié)果

3.3 不同凍融循環(huán)制度的對比試驗研究結(jié)果

選取 PM 1，PM 2，PM 3 3個配比的混凝土試件，分別采用慢凍法和快凍法進行表面剝落試驗。試驗結(jié)果見圖 2。可以看出:相同配比的試件，快凍法的單位面積剝落量均大于慢凍法。剝落量相差大概在 10%～30%，表明快凍法凍融循環(huán)制度更為嚴(yán)酷。本實驗室曾做過同配比試件的凍融循環(huán)對比試驗，試件在慢凍法條件下 200次破壞，而在快凍法條件下 100次都達(dá)不到。這是由于快速凍融時，混凝土表面的急速降溫所形成的溫度應(yīng)力使裂縫擴展不斷加劇，剝蝕增加，降溫速度越快造成的凍害損傷越大。雖然快凍法和道面實際工作情況有顯著差異，而慢凍法和道面的實際工作情況比較接近，但由于慢凍法的試驗周期太長，不便操作，因而建議采用快凍法。

綜上所述，不同的凍融循環(huán)次數(shù)、不同凍融介質(zhì)、不同凍融循環(huán)制度的對比試驗研究結(jié)果表明，普通道面混凝土的抗表面剝落性能明顯低于其他三種類型的高強度道面混凝土。其原因是高強度道面混凝土配比中添加的優(yōu)質(zhì)粉煤灰和減水劑綜合作用的結(jié)果[9，10]。

4 結(jié)語

1)不同的凍融循環(huán)次數(shù)、不同凍融介質(zhì)、不同凍融循環(huán)制度下，普通道面混凝土的抗表面剝落性能明顯低于其他三種類型的高強度道面混凝土。2)凍融循環(huán) 50次能明顯反映不同強度等級道面混凝土的表面剝落情況，建議道面混凝土以凍融循環(huán) 50次后單位面積剝落量作為混凝土抗表面剝落性能的評價指標(biāo)。3)鹽溶液快速凍融試驗對混凝土的抗凍性評價更為嚴(yán)格，且符合冬季除冰鹽環(huán)境下的機場道面使用條件，建議道面混凝土抗表面剝落試驗采用氯化鈣溶液作為凍融介質(zhì)，并采用快凍法凍融循環(huán)制度。

[1] 吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社，1998.

[2] 劉慶濤，王碩太，孔祥海，等.機場道面混凝土耐久性研究[J].混凝土，2007(6):72-75.

[3] ASTM C672-84.Scaling resistance of concrete surfaces exposed to deicing chemicals，1984.

[4] 黃士元，蔣家奮，楊南如，等.近代混凝土技術(shù)[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

[5] Verbeck C J，Kiieger P.Studies of salt scaling of concrete[J].Highway Research Board Bu lletin，1957(2):150.

[6] Setzer M J.Action of frost and deicing chem icals-basic phenomena and testing.Proceedings of the internationalworkshop in the resistance of concrete to scaling due to freezing in the presence of deicing salt.Quebecc，Canada，1997.

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[8] 王碩太，馬國靖，朱志遠(yuǎn)，等.高性能道面混凝土配合比設(shè)計[J].公路交通科技，2007(4):90-92.

[9] 馬國靖，王碩太，劉曉軍.粉煤灰道面混凝土配合比設(shè)計[J].混凝土，1995(6):12-15.

[10] 熊大玉，王小虹.混凝土外加劑[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.