鹽沼澤區凍融作用下橋梁樁基腐蝕損傷模擬試驗

馮忠居, 郭穗柱, 孟瑩瑩, 胡海波, 王富春, 徐占慧, 姚賢華,3, 劉 寧

(1.長安大學 公路學院，西安 710064；2. 青海省公路科研勘測設計院， 西寧 810008；3.華北水利水電大學 土木與交通學院， 鄭州 450011)

青海省高寒鹽沼澤區晝夜溫差大，橋梁樁基受凍融循環以及侵蝕性氯離子的影響較為顯著。在凍融循環及侵蝕性氯離子的作用下，樁的有效斷面及彈性模量減小，進而導致樁的抗彎能力降低，從而使樁基礎自身強度出現一定程度的減弱，橋梁樁基承載能力大大降低。因此，研究高寒鹽沼澤區凍融循環作用下的橋梁樁基損傷至關重要。

目前國內外學者通過理論分析、現場試驗和室內模擬試驗等多種手段對凍融環境下橋梁樁基礎的損傷進行探討。文獻[1]對特殊地質條件下樁基礎損傷后的承載特性進行深入研究；文獻[2]在高寒鹽漬土環境下，通過室內損傷試驗結合灰色系統理論，分析摻合料配比對樁基混凝土抗侵蝕性能的影響，得到粉煤灰與硅灰摻和具有使抗侵蝕性提高的作用；文獻[3-4]通過現場試驗對比室內試驗結果，揭示其內部腐蝕作用機理，得出可以預測樁基礎混凝土耐久性的回歸公式；文獻[5]利用滲透試驗和承載力性能試驗對鹽漬土的性能進行研究，其CBR值高達120%，非鹽漬土試塊的CBR值為28.6%；文獻[6]進一步通過化學成分分析和微觀試驗的方法，得出樁基礎在寒區受侵蝕過程中，樁基混凝土中C元素質量分數從0到9.61%的增長，使鈣礬石等晶體劇增，導致樁身混凝土開裂；文獻[7]對發生凍拔破壞的樁基礎進行分析，得出季節凍融循環作用下的各土層樁側摩阻力計算公式；文獻[8]通過理論計算探討了凍融過程中引起的混凝土的壓力、應力和應變變化，得到摻氣混凝土和無摻氣混凝土的最大張應力均為2.2 MPa；文獻[9]結合中國凍土地區的年均凍融循環次數，進一步提出現場凍融循環次數的實用公式，從而對橋梁樁基礎進行抗凍性壽命預測；文獻[10]通過凍融循環試驗對樁側摩阻力變化進行分析，提出考慮溫度影響因子的凍融土體中樁側摩阻力計算模型；文獻[11]通過室內凍融循環試驗研究鹽漬土的鹽脹與凍融特性，結果表明含鹽量對路基土凍脹、融沉和鹽脹等變形過程有顯著影響；文獻[12]通過室內試驗研究樁墩混凝土強度隨凍融循環次數的衰變規律，得出樁墩混凝土強度指標的損傷本構關系；文獻[13]研究了凍融循環條件下混凝土結構的彈性模量和黏結性能變化，結果表明，凍融循環會對混凝土內部結構造成破壞，并通過理論計算和試驗數據的對比，得出應充分考慮凍融循環次數對混凝土性能的影響；文獻[14]通過現場試驗研究凍融循環及浸鹽條件下對摻粉煤灰混凝土耐久性的影響，結果表明，在所有鹽溶液體積濃度下，摻加10%和20%的粉煤灰均可提高凍融耐久性；文獻[15-16]利用模型試驗模擬寒區實際環境下的樁基混凝土凍融過程，監測樁與樁周土的變形規律，得出樁基礎在凍融過程中最大變形達到8 mm，土體最大變形為1.9 mm，同時當凍融次數不斷增加時，其相對變形經歷劇增、緩增、平穩3個階段。

雖然現階段國內外對于凍融條件下的樁基礎損傷進行了大量的研究[17-23]，但是高寒鹽沼澤區域凍融循環對橋梁樁基混凝土的損傷情況至今鮮有報道。因此，本文依托德香高速公路工程，在考慮青海地區季節性凍土土層的條件下，利用室內試驗探究不同工況下的樁基礎損傷狀況，旨在為樁基礎設計和施工提供優化措施。

1 工程概況

試驗依托德香高速公路K62+100—K67+500段，其橋涵基礎所處強鹽沼澤區域，如圖1所示，此區段晝夜溫差為12～30 ℃，極端最低氣溫達到了-27.2 ℃，所在區域極易形成礦化度達100～200 g/L的鹽鹵水，橋梁樁基受凍融循環以及侵蝕性氯離子的影響較為顯著，使橋梁樁基產生嚴重的腐蝕損傷。基于現場勘查，如圖2所示，考慮凍結線以下至樁底部分為凍融循環區域。本試驗模擬凍融循環條件下不同體積濃度的鹽溶液侵蝕不同配合比的樁基混凝土。通過觀察試驗前后樁基混凝土的剝落情況，得出樁基混凝土的損傷程度；利用電子天平確定樁基混凝土質量變化規律；通過混凝土動彈性模量測定儀確定試驗過程中樁基混凝土相對動彈性模量的變化規律；并利用萬能試驗機確定凍融循環前后樁基混凝土抗壓強度的變化規律，從而確定其抗侵蝕系數；利用掃描電鏡與能譜分析儀分析其微觀腐蝕機理；最后，通過凍融循環試驗過程中相對動彈性模量的變化規律，得到樁基混凝土相對動彈性模量與凍融時間的關系式，在此基礎上，得出高寒鹽沼澤區凍融循環作用下樁基礎設計年限的折減系數，為樁基礎設計提供參考。

(a)樁基整體

(b) 樁基局部

圖2 凍融循環區域

2 試驗方法

2.1 橋梁樁基混凝土材料及配合比設計

本試驗所用水泥材料為普通硅酸鹽水泥；Ⅱ級粉煤灰的需水量為101%，摻量(質量分數)為20%；艾肯94級硅灰，比表面積為20 000 m2/kg，平均粒徑為0.2 μm，密度為2 230 kg/m3，摻量為5.0%；其他摻合料有緩凝高效引氣型減水劑、膨脹劑、自愈合防水材料。依托工程橋涵基礎采用C30混凝土，依據鹽沼澤區特殊氣候特點，根據混凝土配制要求得到初步配合比，經過室內強度試驗驗算后得出最終配合比，本試驗共配制了5種配合比的樁基礎混凝土，見表1。表中分別為1 m3混凝土所需的材料用量，水灰比W/B均為0.39。

表1 1 m3 C30混凝土的材料用量

2.2 復合鹽體積濃度及試驗工況設計

現場配制的水樣中離子含量具體見表2，以表2中的易溶鹽含量為參考，選用體積濃度為3.4%的溶液作為基準侵蝕溶液，基于此，配制不同質量濃度的鹽溶液組A、B、C，各組復合鹽侵蝕溶液中的易溶鹽用量及溶液體積濃度見表3。

表2 水中易溶氯離子含量

表3 試驗用復合鹽侵蝕溶液中鹽的用量及溶液體積濃度

為模擬橋涵下部結構的現場實際環境，選取在養護凍融條件下A、B、C三組復合鹽體積濃度與Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五組不同樁基混凝土配合比所對應的組合工況進行分析。

2.3 橋梁樁基混凝土試件的制作與試驗制度

2.3.1 樁基礎混凝土試件制作

試件共采用兩種規格，一種為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，另一種為100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件。立方體試件用于微觀掃描電鏡試驗和樁基混凝土抗壓強度的測定，而棱柱體試件則用于測定樁基混凝土的質量損失和動彈性模量變化。試件通過自然養護24 h成型后拆模，將成型試件移入20 ℃、相對濕度大于95%的養護室內進行養護，養護28 d后進行后續試驗，如圖3所示。

(a)試件成型 (b)拆模后試件

2.3.2 試驗制度

室內養護凍融循環的試驗制度具體如下：將兩種尺寸的樁基混凝土試件在標準養護的環境下養護24 d后，再利用全浸泡方法，使試件表面低于液面2 cm，浸入4 d后，在凍融試驗機中進行凍融循環試驗(一次凍融循環為冰凍2 h，融化2 h，且溫度分別控制在-15 ℃±2 ℃，6 ℃±2 ℃)，如圖4、5所示。每25次凍融循環結束后，先測定樁基混凝土試件的質量損失和動彈性模量變化，得出循環前后的樁基混凝土質量損失率與相對動彈性模量變化。取出一組樁基混凝土試塊進行抗壓強度試驗，并選取樁基混凝土質量損失較大的試件做掃描電鏡試驗。

圖4 快速凍融試驗機

圖5 浸泡在侵蝕溶液中的樁基混凝土試件

2.4 試驗檢測指標

根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T 50082—2009[24]的規定，以樁基混凝土的質量變化作為其物理性能的檢測指標，以動彈性模量的變化作為樁基混凝土宏觀力學性能的檢測指標。結合抗侵蝕系數變化和微觀機理準確地評價樁基混凝土的性能變化。

2.4.1 樁基混凝土質量的測定

用精度為0.1 g的電子天平稱得樁基混凝土的質量，當樁基混凝土試件的質量損失率ΔWn達到5%時終止試驗。嚴格控制每組試驗完成后樁基混凝土質量測定的時間，避免測定間隔時間不同對試驗結果的影響。

(1)

式中：G0為試件的初始質量，kg；Gn為試驗結束后的試件質量，kg。

2.4.2 樁基混凝土抗壓強度的測定

如圖6所示，利用電液伺服萬能試驗機記錄試件的抗壓強度值，試塊的抗侵蝕性能用樁基混凝土抗壓侵蝕系數表示。

圖6 電液伺服萬能試驗機

抗侵蝕系數計算公式為

Kc=Rc/Rs

(2)

式中：Kc為試塊的抗侵蝕系數；Rc為試塊浸泡在侵蝕溶液中一定周期時的抗壓強度，MPa；Rs為試塊在相同周期內未經侵蝕溶液浸泡的抗壓強度，MPa。

2.4.3 樁基混凝土動彈性模量的測定

如圖7所示，用樁基混凝土動彈性模量測定儀檢測樁基混凝土的動彈性模量變化可以衡量樁基混凝土力學性能的變化情況。

圖7 混凝土動彈模測定儀

Er為凍融循環后試件的相對動彈性模量，其相對動彈性模量下降為初始時的40%時，認為試件已破壞，終止試驗。相對動彈性模量計算公式為

(3)

式中：Er為相對動彈性模量；E0、f0分別為樁基混凝土的初始動彈性模量和頻率；En、fn分別為n次凍融循環后的樁基混凝土動彈性模量和頻率。

2.4.4 微觀SEM測試

選取典型試件采用微觀掃描電鏡SEM進行測試，了解樁基混凝土受侵蝕后內部結構的變化，并用能譜分析儀EDS分析其化學元素組成。

3 試驗結果與分析

3.1 外觀變化特征分析

如圖8所示，在A組溶液中養護凍融循環150次后的樁基混凝土表面出現了不同程度的損傷。配比Ⅱ的樁基混凝土試塊損傷情況最為嚴重，從其外觀變化來看，出現大面積掉塊，致使樁基混凝土內部石子外露；其次是配比Ⅳ的樁基混凝土試塊，其表面發生大面積的混凝土脫落現象；而未加任何添加劑的基準混凝土的情況比前兩者要好，試塊表面只發生小面積的脫落現象，整體較完整；配比Ⅲ的樁基混凝土試塊表面損傷情況最輕，說明在混凝土中添加適量膨脹劑會有明顯的抗侵蝕作用。

圖8 樁基混凝土試塊在A組溶液中養護凍融循環150次后的損傷情況

浸泡溶液的體積濃度也對試塊的損傷程度有明顯的影響，體積濃度越大，試塊表面的損傷程度越輕，如圖9所示，與B、C溶液相比，在A組溶液養護條件下的樁基混凝土試塊邊角部位有少量混凝土脫落，其他部分保持原狀，基本完整。說明溶液體積濃度的增加會適當提高樁基混凝土試塊的抗侵蝕強度。

圖9 配比Ⅱ的樁基混凝土試件在不同體積濃度溶液中養護凍融循環150次后的損傷情況

3.2 質量變化分析

如圖10所示，樁基混凝土試塊的質量損失率與侵蝕-凍融循環的次數呈正比例關系，樁基混凝土的質量損失與混凝土的配比和侵蝕溶液的體積濃度也有明顯關系。當溶液體積濃度為基準溶液體積濃度時，不同配比的樁基混凝土質量損失表現不同，配比II和配比IV的樁基混凝土質量損失較大，其質量損失率達到5%，遠大于基準混凝土的質量損失，而其他配比的混凝土質量損失率均小于5%。不同配比混凝土的質量變化規律與外觀變化規律相同，由此得出，樁基混凝土中摻入粉煤灰和礦渣不能提高抗侵蝕性，反而加速樁基混凝土的侵蝕。

(a)A組溶液

(b)B組溶液

(c)C組溶液

樁基混凝土的質量損失率隨侵蝕溶液體積濃度的增大而逐漸減小，甚至出現負增長的變化規律(C組侵蝕溶液)。這是由于溶液體積濃度的增加使SO42-離子大量侵入樁基混凝土內部，在其結晶膨脹后堵塞樁基混凝土材料內部的通道，使得對樁基混凝土有侵蝕作用的Cl-等離子難以侵入，從而減輕樁基混凝土的腐蝕損傷；此外，鹽溶液體積濃度的增加可以降低水的冰點從而減弱樁基混凝土的損傷。

3.3 相對動彈性模量變化分析

如圖11所示，樁基混凝土的相對動彈性模量與侵蝕-凍融循環次數呈反比例關系。當基準溶液體積濃度作為侵蝕溶液的體積濃度進行養護時，配比II的混凝土和配比IV的樁基混凝土相對動彈性模量下降速率較大，且都超過了配比V樁基混凝土的下降速率，并且這一規律與樁基混凝土質量損失率變化規律保持一致。配比III的樁基混凝土相對動彈性模量隨凍融循環次數的增加先小規模增大，之后逐漸減小至90%左右，其樁基混凝土相對動彈性模量的下降速率小于其他配比的樁基混凝土相對動彈性模量下降速率，這是由于配比III的樁基混凝土中摻入適量膨脹劑可以填充樁基混凝土內部空隙，提高了其密實性，因此樁基混凝土的強度增大，抗侵蝕性提高。這說明在樁基混凝土中加入適合的摻合料可以明顯提高樁基混凝土的抗侵蝕性能。

(a)A組溶液

(b)B組溶液

(c)C組溶液

3.4 抗侵蝕系數變化分析

如圖12所示，在樁基混凝土經養護凍融循環試驗后，其抗侵蝕系數隨循環次數的增加呈現先增加后減小的變化規律。當侵蝕溶液為基準溶液時，不同配合比的樁基混凝土其抗侵蝕系數的變化規律也不同，配比II和配比V的樁基混凝土(基準混凝土)抗侵蝕系數下降較快，樁基混凝土抗侵蝕系數由最初的1.0下降到0.4，下降幅度達到了60%。配比III的樁基混凝土仍然表現出很好的抗侵蝕能力，樁基混凝土抗侵蝕系數到試驗終止時仍然在0.85以上，這說明侵蝕溶液體積濃度的增大可以增強樁基混凝土的抗侵蝕性能。如圖12所示，隨著侵蝕溶液體積濃度的增大，樁基混凝土抗侵蝕系數具有明顯增加的變化趨勢 ，特別是配比II的樁基混凝土，A組侵蝕溶液養護條件下其樁基混凝土抗侵蝕系數為0.4，而C組溶液養護條件下其抗侵蝕系數增加到0.71，再次說明侵蝕溶液的體積濃度增加可以提高樁基混凝土的抗侵蝕性能。

從樁基混凝土抗侵蝕系數來看，各配比樁基混凝土抗侵蝕能力由大到小順序為配比III、配比I、配比IV、配比II、配比V(基準混凝土)。

3.5 微觀機理分析

為研究樁基混凝土在侵蝕溶液環境下腐蝕損傷的微觀機理，選取配比Ⅱ、配比III和配比Ⅴ的樁基混凝土在A組溶液中養護凍融150次，并通過電鏡掃描測試，對比分析不同配比的樁基混凝土的微觀結構和化學成分，如圖13～15所示。

3.5.1 配比Ⅱ的樁基混凝土微觀結構

電鏡掃描結果如圖16(a)所示，樁基混凝土內部呈現針狀與棒狀相互交織的松散結構，并不是樁基混凝土標準的晶體狀結構。對圖16(a)中的方框區域進行化學成分分析，結果如圖13所示，樁基混凝土中出現大量的C、S等元素，由此可知樁基混凝土受到了鹽溶液的侵蝕作用?；瘜W成分分析顯示Ca、O、和C元素質量分數較大，并且方框區域中有塊狀物質，塊狀物質是樁基混凝土水化產物之一Ca(OH)2和侵蝕溶液中HCO3-離子反應產生的方解石CaCO3，CaCO3可以填充混凝土中的空隙，從而在一定程度上能提高樁基混凝土的強度。但是當膨脹性產物(鈣礬石)膨脹后混凝土空隙不能提供更大的空間時，就會導致裂縫的產生，并且隨著膨脹性產物(鈣礬石)的增多，裂縫將不斷增加，甚至出現樁基混凝土潰散。

(a)A組溶液

(b)B組溶液

(c)C組溶液

圖13 配比Ⅱ的復合鹽混凝土矩形區域的能譜圖與化學成分分析

圖14 配比III的復合鹽混凝土矩形區域的能譜圖與化學成分分析

圖15 配比Ⅴ的復合鹽混凝土矩形區域的能譜圖與化學成分分析

3.5.2 配比II的樁基混凝土微觀結構

如圖14所示，配比III的樁基混凝土在復合鹽A組溶液浸泡凍融循環150次后，C、O、Al、Si、Ca等元素存在，Ca(21.5%)、O(57.18%)、Si(10.76%)和C(6.29%)元素質量分數占比較大，形成CaCO3和C-S-H，樁基礎混凝土內部空隙通道被以上腐蝕產物填充，其內部更加密實。說明配比III的樁基混凝土內部更為密實，外部侵蝕性離子相對其他樁基礎混凝土配比出現較少，從而提高了混凝土的抗侵蝕性能。

3.5.3 配比Ⅴ(基準混凝土)的樁基混凝土微觀結構

電鏡掃描結果如圖16(b)所示，與配比Ⅱ的樁基混凝土相比，配比Ⅴ內部出現大量絮狀產物，內部空隙更大，結構更加松散，受侵蝕情況更加嚴重。對圖中方框區域進行能譜與化學成分分析，如圖15所示,樁基混凝土中出現有SO42-離子，還有Cl-離子侵蝕?？梢耘袛?，針狀和棒狀物產物是樁基混凝土受侵蝕后的產物，即鈣礬石或Friedel鹽，其化學分子式為3CaO·Al2O3·CaCl·10H2O。

(a)配比Ⅱ

(b)配比Ⅴ

3.6 討論

通過對高寒鹽沼澤凍融循環區域條件下的樁基混凝土試塊進行宏觀特征和微觀機理的分析，可以得出位于高寒鹽沼澤區的橋梁樁基在凍融循環的外部侵蝕環境作用下的主要破壞特征，進而提出相應的優化解決措施如下：

1)由試塊外觀特征和質量變化分析，可以得出不同樁基混凝土配比對其腐蝕現象有明顯影響，建議在現場樁基礎施工時，樁基混凝土中摻入適量粉煤灰、硅灰以及膨脹劑，可有效地防止樁基礎表層混凝土脫落；建議位于高寒鹽沼澤區的橋梁樁基選用配比Ⅲ的樁基混凝土進行相關設計與施工。

2)文獻[9]表明，青海省年均凍融循環次數為110次，在青海省凍融環境的前提下，等效室內年均凍融循環次數為10次。本試驗在基準溶液中進行150次養護凍融循環，因此，試驗模擬并得到了凍融循環15 a內的樁基混凝土彈性模量的變化情況。選用配比Ⅲ的樁基混凝土對位于凍融循環區的樁基礎進行設計年限分析，如圖17所示。由圖18可知，在凍融循環的作用下，樁基混凝土的相對動彈性模量隨時間增加呈現逐漸減小的趨勢，經線性擬合，得到彈性模量與凍融時間的關系為

y=(-1.1x+112.3)/100

(4)

式中:x為凍融時間，a；y為樁基混凝土的相對動彈性模量。

圖17 不同凍融時間下彈性模量變化線性擬合

圖18 線性擬合與試驗數據對比

由圖19可知，凍融循環開始后，該線性擬合誤差在10%以內，擬合效果較好，可以用擬合結果進行以下分析。位于凍融條件下樁基混凝土結構的設計年限為50 a[25]，由式(4)可求得在凍融循環條件下50 a時的樁基混凝土相對動彈性模量為57.3%。因此，在樁基設計時應充分考慮凍融循環對樁基礎混凝土結構設計年限的不利影響，建議選用樁基礎設計年限的折減系數為0.6進行設計與施工。

3)試塊的抗侵蝕系數并不是隨著復合鹽溶液體積濃度的增加而減小，低體積濃度(3.4%)時反而對試塊的侵蝕現象更加嚴重。因此，位于鹽沼澤區的橋梁樁基礎，要充分考慮低體積濃度復合鹽對樁基礎的侵蝕破壞，必要時采取換填基礎土體，并采用設置隔斷層的方式對樁基礎進行隔離防腐。

圖19 線性擬合誤差百分數

4 結 論

1)不同摻合料配合比對樁基混凝土耐久性影響差異較大。樁基混凝土中加入粉煤灰、硅灰和膨脹劑(配比Ⅲ)時，在養護凍融循環條件下，其相對動彈性模量減小值小于10%，抗侵蝕系數穩定大于0.9，樁基混凝土表面只有輕微脫落現象。配比Ⅲ的樁基混凝土具有強抗侵蝕性。

2)侵蝕溶液的體積濃度對樁基混凝土的腐蝕程度有顯著影響。樁基混凝土質量損失率和相對動彈性模量與溶液體積濃度呈現負相關關系，抗侵蝕系數與溶液體積濃度呈正相關關系，甚至當溶液體積濃度達到15.4%時，樁基混凝土質量損失率出現負值。說明隨著溶液體積濃度的增大，由于各種離子相互作用，減輕了對樁基混凝土的侵蝕。

3)由微觀結構分析可知，養護凍融循環作用下，樁基混凝土在受侵蝕后含有Cl、S等元素，表明腐蝕產物中存在鈣礬石、硅灰石膏、Friedel鹽，這些產物共存并互相作用使樁基混凝土發生腐蝕破壞。

4)由基準溶液養護的樁基混凝土試塊在凍融循環條件下的試驗檢測指標，可以反映出位于青海省凍融循環區橋梁樁基礎的力學性能損傷規律。由樁基混凝土彈性模量隨凍融時間的變化關系，建議在青海省凍融循環區的樁基礎設計年限的折減系數為0.6。