使用除冰鹽導致水泥混凝土路面剝蝕主要影響因素的研究

【摘 要】通過不同水平因素下凍融試驗，研究除冰鹽溶液濃度和溫度這兩個因素對水泥混凝土路面的破壞程度。利用正交試驗法，依據不同鹽濃度和溫度條件下水泥混凝土破壞程度的差異，驗證水泥混凝土強度影響的主要因素，根據試驗數據極差分析并綜合考慮實際情況提出了相關的對策來提升水泥混凝土的抗除冰鹽腐蝕性能。

【關鍵詞】水泥混凝土路面；除冰鹽；路面剝蝕

1、引言

我國公路網建設自新中國成立后，尤其是改革開放以來得到了迅速發展，取得了巨大成就，其建設規模目前位于世界前列。水泥混凝土路面以其強度高、承載能力強、適用范圍廣、原材料豐富、耐久性好等特征，在我國公路網建設中占據著重要地位，是一種非常重要的路面結構形式。

在寒冷地區和嚴寒季節，尤其雨雪過后，水泥混凝土路面會發生路面結冰現象，嚴重影響道路通行能力和行車安全。目前，使用除冰鹽和融雪劑是清除水泥混凝土路面冰雪的常用方法。但是，許多實際工程和相關研究表明，使用除冰鹽之后，水泥混凝土路面會產生嚴重腐蝕和剝落現象，嚴重影響其耐久性[1]。研究除冰鹽對水泥混凝土路面的腐蝕破壞機理并且提出相應的對策及處理措施，對于提高水泥混凝土路面的抗除冰鹽腐蝕性能、延長其使用壽命具有很大的現實意義和應用價值。

2、研究內容和試驗方案

2.1 研究內容

除冰融雪劑一般分為兩大類：一類是以“氯鹽”為主要成分的無機類除冰鹽，如氯化鈣、氯化鈉、氯化鎂等；第二類是以醋酸鉀為主要成分的有機除冰劑，該類除冰劑融雪效果比較好，腐蝕損害相對比較小。目前常用的除冰鹽為前者，且廣泛應用的是NaCl和CaCl2，但其對水泥混凝土路面破壞作用較強。大量研究表明，以“氯鹽”為主要成分的無機類除冰劑對水泥混凝土路面的侵蝕破壞是物理作用和化學作用的綜合結果[2]。

本研究在試驗室模擬了水泥混凝土受除冰鹽侵蝕破壞的過程，針對試驗溫度和鹽溶液濃度對水泥混凝土強度的影響，通過試驗數據采集，結合相關文獻資料，找出了除冰鹽溶液作用下水泥混凝土強度損失的主要原因，進而尋找到相應的路面處理方法，減輕除冰鹽對水泥混凝土路面的損壞作用。

2.2 原材料和配合比

本試驗采用42.5號普通硅酸鹽水泥、中砂、卵石為骨料、試驗用水為自來水。水泥混凝土試件的制備配合比為：水灰比0.4，砂率30%，坍落度40mm；每立方米混凝土中各原料所占的質量為：水泥412kg；水175kg；粗集料1261kg；細集料586kg，除冰鹽采用NaCl。

2.3 試驗方案

參照《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40--2002），進行試驗所需混凝土配合比設計，制備一批水泥混凝土試件并進行養護。當養護完成之后通過控制變量手段進行模擬試驗。試驗方法采用試件表面覆蓋一層4mm～6mm的鹽溶液進行凍融如美國的ASTMC672。

（1）以9個試件為一組，處理的試驗溫度分別為-20℃、-10℃、-0℃，每種溫度處理的試件數為3個，分別記錄。

（2）首先將試驗環境設置為-20℃，分別配備質量分數為5%、10%的除冰鹽溶液，將兩組試件分別放置在容器中，上表面邊緣與容器壁縫隙封好后放入NaCl鹽溶液，深約10mm。把試件放入到溫濕試驗箱中，以-20℃保持12h凍結，常溫20℃溶化12h為一個凍融循環，每5次循環收集鹽凍試件表面剝蝕量，更換鹽溶液，并以鹽凍試件單位面積的剝蝕量Qs（kg/m2）來定量的評價其混凝土抗鹽凍性能．

Qs = M/A （kg/m2）

式中：

M—5n次鹽凍循環后試件的累計剝蝕量，單位kg；

A—混凝土試件的鹽凍面積，單位m2；

本試驗需要依次進行20次循環。

（3）另取一組試件連同上述兩組除冰鹽溶液處理過的試件一起放入低溫箱中進行冰凍，待試件取出至于常溫中融化時，在試件的上表面撒上除冰鹽（視為100%鹽溶液）?？紤]到快速腐蝕的特殊情況，除冰鹽的的用量為能夠鋪滿試驗面，高度為10mm為標準。在一個凍融循環結束之后將表面上的除冰鹽去除，再次放入低溫箱中，待再次取出時再將除冰鹽放上，重復該操作，同樣五天為一周期。

（4）當試件進行凍融循環20次之后，完成該組試件的腐蝕試驗，逐個稱量此時試件的質量，備用。

（5）在試驗環境設置為0℃和-10℃度時重復該試驗，獲取試驗數據。

3、結果分析

為了減少試驗時間，抓住主要影響因素，我們將兩個水平試驗同時進行，改變溫濕試驗箱條件來交叉進行凍融循環試驗，提高儀器的使用效率，正交凍融試驗結果如表1所示。

根據表1統計的正交凍融試驗結果，統計計算其中在不同鹽溶液濃度水平下混凝土試件單位面積總剝蝕量和單位面積平均剝蝕量，如表2所示。

表2 不同鹽溶液濃度下剝蝕量統計

鹽溶液濃度5%10%100%

單位面積總剝蝕量（kg/m2）22.44119.15113.994

單位面積平均剝蝕量（kg/m2）7.4806.3844.665

根據表2統計結果，繪制混凝土在不同鹽溶液濃度下，單位面積平均剝蝕量結果圖，如圖 1所示。

分析圖1可知，隨著鹽溶液濃度不斷增大，混凝土單位面積平均剝蝕量逐漸減小，由此可以推斷，較低的鹽濃度對水泥混凝土產生的剝落量比不加鹽或高鹽濃度時產生的剝落量大。當鹽溶液濃度更大時，降低冰點的有利影響更大些，相應的破壞程度有所減少。

根據表4統計的正交凍融試驗結果，統計計算其中在不同溫度水平下混凝土試件單位面積總剝蝕量和單位面積平均剝蝕量，如表3所示。

分析圖2可知，隨著溫度不斷減小，混凝土單位面積平均剝蝕量先減小后增大，由此可以推斷，低溫對水泥混凝土路面的損害程度影響較大，雖然-10℃左右下損害程度較小，但是溫度繼續降低，且路面損壞會越嚴重。

分別計算水泥混凝土時間在鹽溶液濃度和溫度兩因素下單位面積平均剝蝕量的極差，即為不同因素下單位面積平均剝蝕量三個數中的最大值減去最小值所得的差值。計算得到，混凝土試件在鹽溶液濃度因素下的單位面積平均剝蝕量極差為：R1=7.480-4.665=2.815（kg/m2）；混凝土試件在溫度因素下的單位面積平均剝蝕量極差為：R2=6.912-5.051=1.861（kg/m2）。

一般來說，各因素的水平改變時對試驗指標的影響程度不同，極差越大，說明這個因素的水平改變時對試驗指標的影響越大，那個因素就是我們要考慮的主要因素。從以上的分析可以得出結論：各因素對試驗指標（混凝土質量損失）的影響按大小次序排列是：除冰鹽溶液濃度>溫度。

4、對策與建議

4.1 管理方面

（1）試驗數據表明，較低的鹽濃度對水泥混凝土產生的剝落量比不加鹽或高鹽濃度時產生的剝落量大，所以在實際工作應嚴格控制撒鹽量。道路主管行政部門可以根據實際情況制定規定，在道路積雪達到規定的需要撒除冰鹽厚度時，根據該厚度下每平方米路面積雪量得出需要使用的除冰鹽的量，避開融雪后雪水與除冰鹽混合得到低濃度鹽溶液，以此來減輕對水泥路面的腐蝕[3]。

（2）當道路冰凍災害情況較輕時，道路主管部門盡可能采取人工和機械清除的辦法，減少除冰鹽的使用，以達到減少氯離子對水泥路面影響的效果。

4.2 技術方面

（1）及時進行加固維修

對于已經發生剝蝕的混凝土路面，應及時進行維修加固，以防止氯離子滲透到路面內部。對已有損壞的路面要加強管理、檢查、評價，及時維修，并對修復材料、工藝方法進行研究。

（2）提高混凝土抗滲性

采用較低的水膠比、使用更好的充分振搗機具和工藝、摻入適量的硅灰、粉煤灰和礦渣等混合材料，可以形成滲透性很低的混凝土結構，改善水下滲的速率和混凝土的飽水程度，控制著冰凍時水的移動，從而提高其抗凍、耐久性[4]。

（3）控制混凝土水灰比

水灰比從強度和可凍結水量兩個方面影響混凝土抗凍性，水灰比是影響混凝土抗凍性的主要因素之一[5]。因此在混凝土配合比設計中，在能夠滿足規范中對坍落度要求的情況下，盡量將水灰比減小，可以減小滲透性而增強混凝土的抗凍耐久性。

（4）引氣劑改善耐久性

工程實踐表明，摻加引氣劑是提高普通混凝土抗凍性的最主要技術措施之一。引氣劑能降低水灰比，可減少孔隙率、提高混凝土密實度與均質性。同時還能明顯提高新拌混凝土的塑性和工作度，減少離析和泌水，以及改善混凝土的耐久性[6]。

5、結語

通過分析試驗數據可知：除冰鹽濃度對混凝土剝蝕量的影響比環境溫度混凝土剝蝕量的影響大。因此在實際工作中，要減小除冰鹽對水泥混凝土路面的損壞，主要是考慮控制單位面積上除冰鹽的使用量。本研究為寒冷地區道路養護管理有很好的指導意義，為我國盡快制定道路混凝土抗鹽凍設計規范提供經驗。

參考文獻

[1]O.Peterson.The Chemical Effects on Cement Mortar of Solutions of Calcium Magnesium Acetate as a Deicing Salt[J].Cement and Concrete Research，1995，25（3）：617-626.

[2]慕儒，繆昌文，劉加平等.氯化鈉、硫酸鈉溶液對混凝土抗凍性的影響及其機理[J].硅酸鹽學報，2001，（29）6：523-529.

[3]李玉順，柳俊哲.抗凍融混凝土耐久性設計方法[J].混凝土，2001，1：32-34.

[4]王元，陳翠紅，李景歡等.抗除冰鹽混凝土的研究與應用[J].混凝土，2002，4：25-27.

[5]楊全兵，張樹青，黃士元等.高抗凍和抗除冰鹽剝蝕性混凝土在高等級公路中的應用[J].公路，2000，11：8-11.

[6]于文均，王永亮，戚家權等.引氣型減水劑和摻合料對道路混凝土抗鹽凍性能的影響研究[J].混凝土，2003，4：47-49.

作者簡介：

孫超（1984），男，河北省石家莊人，職稱：助理工程師，學歷：大專，主要研究方向：道路與橋梁