高寒地區橋梁混凝土抗氯離子滲透性能研究

郭寅川，申愛琴，王 劍，趙洪基

（長安大學 特殊地區公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064）

新疆果子溝特大橋所處位置屬于典型的高寒區域，該地區冬季為了降低路面或橋面的冰點，大量使用除冰鹽，使該地區橋梁混凝土受到鹽類腐蝕，特別是氯離子大量滲入，從而改變了橋梁水泥混凝土內部組織及結構，嚴重影響了橋梁的使用性能及耐久性能［1－2］.除冰鹽的存在使得鹽分伴隨著消融的雪水流入橋梁各結構部位，造成凍融環境下鹽分在混凝土中遷移，形成除冰鹽與凍融耦合狀態下的侵蝕破壞，使混凝土構造物表面保護層大面積地起皮和剝落，混凝土變得松散，其內部配筋裸露并受到腐蝕.因此，高寒地區橋梁各結構部位混凝土必須具備良好的抗滲性以及抗氯鹽腐蝕性能.

水泥混凝土的抗滲性和抗氯鹽腐蝕性能是混凝土耐久性研究中的熱點.Saito 等［3］和Izquierdo等［4］研究了混凝土的凍融破壞過程；Picandet等［5］，Feldman等［6］和Marzouk 等［7］對水泥混凝土的氯離子滲透性進行了深入研究.謝友均等［8］研究了礦物摻和料對混凝土氯離子滲透性的影響；洪雷等［9－10］研究了荷載、齡期和凍融循環對混凝土氯離子滲透性的影響；陳妤等［11］，李曄等［12］，洪錦祥等［13］，貢金鑫等［14］則研究了凍融循環對水泥混凝土的損傷和耐久性的影響.以往的研究多集中于普通水泥混凝土的抗滲性、抗氯離子腐蝕或抗凍性等方面，而對高寒區域橋梁混凝土的抗氯離子滲透性研究很少.該區域橋梁混凝土的破壞方式與單純的凍融破壞方式不同，除冰鹽的存在會使混凝土內產生的滲透壓增大，飽水度提高，結冰壓力增大，從而加劇混凝土的凍融破壞，嚴重影響橋梁的使用性能和安全性.隨著西部高寒地區橋梁基礎設施建設的加速，該研究對提高高寒地區這種特殊環境條件下橋梁混凝土的耐久性有著重要的意義.

本文將通過正交試驗研究水膠比、粉煤灰摻量、用水量和引氣劑摻量等因素對混凝土抗氯離子滲透性能的影響規律，揭示高寒地區橋梁混凝土抗氯離子滲透性能的改善機理，進而提出基于抗氯離子滲透性能的高寒地區耐久性橋梁混凝土配合比設計參數，為高寒地區橋梁混凝土設計提供理論及技術依據.

1 混凝土試驗方案設計

1.1 原材料

水泥：天山42.5R 普通硅酸鹽水泥；粗集料：果子溝口河漫灘天然卵石；細集料：果子溝口河漫灘天然砂及砂礫；外摻料：奎屯熱電廠生產的Ⅰ級粉煤灰；外加劑：新疆天山建材精細化工有限公司生產的FDN－15高效緩凝減水劑和JM－200C型引氣劑.

1.2 配合比設計

（1）C50主塔泵送混凝土 主塔為果子溝特大橋最主要的受力結構部分.為保證橋梁的使用壽命與結構安全，其各項耐久性設計指標均較其他橋梁結構部位高，必須滿足最不利條件下的耐久性設計值.因此，主塔混凝土的抗氯離子滲透性可按照橋面板抗氯離子滲透性要求進行設計.針對高塔泵送的施工工藝以及索塔混凝土處于大風、日照等冷熱干濕循環環境，此處混凝土配合比設計以提高混凝土的工作性、外觀質量、抗裂和抗凍性能為原則.結合主塔混凝土耐久性要求及特點，認為水膠比1）本文所涉及的水膠比、摻量等除特別說明外均為質量比或質量分數.mW／mB，粉煤灰摻量wFA，用水量mW和引氣劑摻量φA是影響主塔混凝土性能的4個重要因素，這4個參數的選用范圍將在很大程度上影響混凝土的各項性能.通過檢測不同砂率下新拌混凝土的工作性，確定砂率為43%時其工作性滿足設計要求及強度要求.

（2）C40橋墩與橋面板混凝土 冬季除冰鹽直接撒布于橋面板上，之后除冰鹽又與消融的雪水向下流入橋梁其他結構部位，使得橋墩等下部支撐構造物遭受氯離子腐蝕，造成大面積的腐蝕破壞.同樣，C40橋面板與橋墩混凝土配合比正交因素為mW／mB，wFA，mW，φA.通過對不同砂率下混凝土工作性測試，確定砂率為42%.

（3）C30大體積承臺混凝土 大體積承臺用混凝土的強度等級為C30，泵送高度達60～100m，設計坍落度為160～180mm.結合大體積承臺混凝土耐久性設計要求，確定正交因素為mW／mB，wFA，mW，φA.通過對不同砂率下混凝土工作性的測試，確定砂率為43%.

設計的正交因素表與正交試驗表見表1，2.

表1 混凝土正交因素表Table 1 Perpendicular factors of concrete

2 抗氯離子滲透性能研究

2.1 試驗設備及測試方法

在評價氯離子滲透能力方面，ASTM C1202法是目前應用最為普及的抗氯離子滲透性測評方法，本研究選用浙江紹興肯特公司生產的KENTCC1202型混凝土氯離子滲透儀進行試驗.

具體試驗過程為：先將φ100×50mm 的混凝土圓柱型切片試塊放入真空室內進行真空飽水處理（24h），然后通過EJU 夾具將其與滲透儀控制器相連接，進行數據采集，監測在6h內通過的電量.試塊一邊浸入3% NaCl陰極電解液中，另一邊浸入1.2% NaOH 陽極電解液中，試驗過程中試塊兩邊保持60V 的恒定電壓.以庫侖表示通過的總電量值，從而表征試塊的抗氯離子滲透性能.電通量越大，則氯離子滲透性越大，對混凝土的腐蝕作用也越大，電量標準對比見表3.

表2 正交試驗設計表Table 2 Design of orthogonal test

2.2 試驗結果

按照上述方法，對果子溝特大橋不同部位C50，C40及C30混凝土56d抗氯離子滲透性進行正交試驗，試驗結果如表4所示.

2.3 正交試驗結果分析

根據正交試驗結果，可進行方差分析，從而尋求出對測試指標影響最敏感的因素.根據C50混凝土正交試驗結果計算分析的各因素顯著性概率F 值見表5（C30，C40混凝土正交試驗的方差規律與其基本一致）.由表5分析可知，影響高寒地區混凝土抗氯離子滲透性的因素顯著性順序依次為：水膠比、用水量、粉煤灰摻量、引氣劑摻量.其中，水膠比和用水量的影響較為顯著.

2.4 試驗結果分析

2.4.1 水膠比對氯離子滲透性的影響

分析上述表格可知：水膠比對混凝土抗氯離子滲透性影響最為顯著.對于C30 混凝土而言，當水膠比由0.39增大到0.45時，其電通量由1 211.8C增大到1 840.7C，增大約50%；而C40混凝土水膠比由0.34增大到0.40時，其電通量也逐漸提高，增大約30%.由此可知低水膠比有利于提高混凝土抗氯離子滲透性能，較大的水膠比會使混凝土抗氯離子滲透性能明顯降低，且水膠比越大，混凝土的抗氯離子滲透性能下降越快.與C30，C40混凝土不同，C50混凝土的水膠比由0.29增大到0.35 時，其電通量有所降低，減小約20%.究其原因，認為試驗中C50混凝土選取水膠比較低，混凝土水泥用量較大，導致其水化反應速度較快.快速的水化使得混凝土水化熱較高，水的蒸發量和消耗量過大，容易在混凝土內部形成許多微裂紋或連通孔隙.正是這些裂紋或孔隙的存在，導致C50混凝土電通量變化規律的異常及其電通量變化幅度較小的試驗結果.但從試驗整體情況來看，較低的水膠比使C50混凝土的電通量整體上小于C30和C40混凝土.因此C50混凝土試驗結果的異常并不影響得出下列結論：在新疆高寒地區混凝土設計中，應盡量采用較低的水膠比以保證其具有良好的抗氯離子滲透性能.

2.4.2 用水量對氯離子滲透性的影響

由表5可知，用水量對混凝土抗氯離子滲透性能的影響顯著性僅次于水膠比.為了更好地說明不同用水量對混凝土抗氯離子滲透性能影響的差異，固定水泥用量為380kg及粉煤灰摻量為10%，改變用水量，分析對比所測得的電通量，見圖1.

表3 電量標準對比表Table 3 Comparison of standard of electricity quantity

表4 橋梁不同部位混凝土氯離子滲透試驗結果Table 4 Chloride ion permeation test result in different parts of bridge concrete

表5 C50混凝土方差分析Table 5 Variance analysis of C50

圖1 用水量與電通量的關系Fig.1 Relationship of water content and electric flux

由圖1可知：當固定混凝土中水泥用量和粉煤灰摻量時，混凝土的抗氯離子滲透性能隨著用水量的增加而降低.因此，為保證高寒地區混凝土具有良好的抗氯離子滲透性能，應采用較低的用水量.當抗滲要求較高時，用水量應低于150kg／m3；對其他抗滲性要求較低的混凝土構造物，其用水量也不宜過大.固定水泥用量而增加用水量，可以看作是水膠比不斷增大的過程，試驗結果也進一步證明了過高的水膠比對混凝土的抗氯離子滲透性能不利.因此，合理控制用水量與水泥用量，能較好地提高混凝土的抗氯離子滲透性能.

2.4.3 粉煤灰摻量對氯離子滲透性的影響

綜合表2，4可以看出，隨著粉煤灰摻量由10%增至30%，混凝土電通量總體呈下降的趨勢，即其抗氯離子滲透性逐漸增強.當水膠比低于0.40時，電通量下降的趨勢更為明顯，如C40，C50混凝土試驗數據所示，可見添加粉煤灰能在一定程度上改善混凝土的抗氯離子滲透性能.但由于粉煤灰本身活性較低，摻量持續增大時對混凝土早期強度影響較大.考慮到粉煤灰的火山灰效應能在后期逐漸發揮出來，它在改善混凝土拌和物的工作性、減少混凝土單位用水量的同時，也能減少多余水分在混凝土硬化后形成的較大孔隙，提高混凝土的致密性，因此，在合理控制優質粉煤灰摻量的同時延長混凝土的養護時間，可兼顧混凝土的抗氯離子滲透性能與早期強度.

2.4.4 引氣劑摻量對氯離子滲透性的影響

加入引氣劑對混凝土抗凍性能的改善效果顯著，但對其抗氯離子滲透性能的影響機理還有待深入分析.綜合表2和表4可以看出，在4種因素中，引氣劑摻量對混凝土抗氯離子滲透性能的影響最小.大量研究表明，引氣劑的摻入能夠在混凝土中引入適量的細小均勻且獨立而不連通的氣泡，有效割斷混凝土中的毛細孔通道，防止外界有害物質的侵入，從而增強混凝土的抗氯離子滲透性能.但試驗數據表明，過多的含氣量會降低混凝土內部的密實性，可能導致混凝土抗氯離子滲透性能的下降.這主要是因為增加引氣劑摻量會引入過多的氣孔，而這些氣孔又難以完全封閉，從而形成連通的孔隙.因此，控制混凝土中的適宜含氣量也是提高其抗滲性能的關鍵.

3 基于抗氯離子滲透性的配合比建議值

綜上所述，參考相關耐久性設計規范，同時考慮到新疆南疆寒冷地區及北疆嚴寒／寒冷地區凍融環境的差異，提出了新疆高寒地區基于抗氯離子滲透性的橋梁混凝土材料組成參數取值范圍.橋梁主塔C50，橋面板及橋墩等C40 混凝土及大體積承臺C30混凝土的材料組成建議值見表6所示.

表6 高寒地區混凝土抗滲性設計建議值Table 6 Suggestion of design of concrete with resistance to chloride ion permeation in alpine frigid region

4 結論

（1）影響高寒地區混凝土抗氯離子滲透性能的因素顯著性順序依次為：水膠比、用水量、粉煤灰摻量、引氣劑摻量.其中，水膠比和用水量的影響較為顯著.

（2）低水膠比有利于提高混凝土抗氯離子滲透性能，但水膠比低于0.30時對混凝土抗氯離子滲透性能的改善并不明顯，較大的水膠比會使混凝土抗氯離子滲透性能明顯降低.

（3）當固定混凝土中水泥用量和粉煤灰摻量時，混凝土的抗氯離子滲透性能隨著用水量的增加而降低.當抗滲要求較高時，用水量應低于150kg／m3；對其他抗滲性要求較低的混凝土構造物，其用水量也不宜超過165kg／m3.

（4）根據高寒地區環境特點提出了基于混凝土抗氯離子滲透性能的配合比建議值，并在依托工程——新疆果子溝特大橋項目中取得了良好效果.

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