高性能混凝土在氯鹽侵蝕和凍融循環作用下的耐久性分析

馮 博 ，劉 青 ，錢永久

（西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031）

在寒冷沿海地區的橋梁工程中，混凝土的耐久性是工程師關注的要點.寒冷地區海洋環境工程結構通常會受到凍融循環、碳化、氯鹽侵蝕等多種作用的影響，無論是物理還是化學作用，混凝土在此環境下的損傷機理十分復雜.長期以來，研究者重點關注混凝土強度能否滿足要求，而忽視其耐久性設計，導致許多復雜環境中的混凝土橋梁因為耐久性不足而失效.橋梁結構在嚴寒海洋環境下通常會受到多種復雜因素的影響，從而導致其使用壽命往往達不到設計要求.處理這類問題不僅需要耗費巨大的人力和物力，同時，也會導致該區域交通中斷，阻礙地區社會經濟發展.因此，耐久性已經成為嚴寒沿海地區混凝土橋梁研究的重點與難點[1].

關于混凝土耐久性研究國內外學者已作了大量理論分析和試驗研究.張立群等[2]對硅灰自密實混凝土的耐久性進行了分析，試驗結果表明，硅灰自密實混凝土抗凍性能高于相同強度等級的普通混凝土；姜文鏹等[3]通過時變的孔隙率表征孔隙結構的損傷演變，并結合離子傳輸方程，定量化研究凍融損傷對于氯離子傳輸過程的加速作用；王月[4]基于氯鹽凍融循環的活性粉末混凝土試驗，提出考慮凍融損傷影響下的氯離子擴散系數計算方法；南雪麗等[5]對硫鋁酸鹽快硬水泥混凝土、聚合物快硬水泥混凝土和普通硅酸鹽水泥混凝土分別進行了凍融試驗，結果表明普通硅酸鹽水泥混凝土抗凍性能優于前兩者；龍廣成等[6]設計了軸壓荷載-凍融耦合作用模擬試驗，并建立相應的損傷本構模型；鄭山鎖等[7]通過擬靜力加載試驗分析了不同凍融環境下混凝土的抗震性能，結果顯示其承載能力隨著循環次數增多而降低；王晨霞等[8]通過控制礦渣和不同摻量的粉煤灰，對再生混凝土進行耐久性試驗，并建立凍融-碳化耦合作用下礦渣-粉煤灰再生混凝土抗壓強度模型；田立宗等[9]對混凝土試件進行了凍融和疲勞影響的4 種損傷試驗，結果表明疲勞荷載會降低混凝土的抗凍性，但彈性模量和強度在先凍融后疲勞和先疲勞后凍融中表現出不同的變化過程；王家濱等[10]采用彈簧四點彎曲加載法，對彎曲應力作用下噴射混凝土受拉區和受壓區氯離子擴散性能進行了研究；鄒洪波等[11]設計了不同壓力下的混凝土氯鹽試驗，推導出基于損傷變量的應力影響系數表達式；任娟娟等[12]對浸泡于氯離子溶液的混凝土進行疲勞試驗，結果表明氯離子擴散深度隨荷載應力比增大而增大；王喜彬等[13]分別對不同水灰比的普通混凝土和表面防水混凝土開展加速凍融循環試驗和氯離子侵蝕試驗，得出表面防水有利于結構抵抗氯鹽侵蝕能力的結論；Almusallam 等[14]根據不同的混凝土表面涂料開展了耐久性研究，發現環氧樹脂和聚氨酯涂料能夠有效防止氯化物滲透，可間接性提高混凝土耐久性能；Hao 等[15]設計了包括凍融循環和彎曲荷載聯合作用的測試程序，以研究再生骨料保溫混凝土的耐久性；Al-Lebban 等[16]使用不同百分比的聚丙烯纖維來改善混凝土的機械性能，并展開了凍融循環試驗，結果表明與無纖維的參比混料相比，纖維增強混凝土對凍融循環的耐久性更高.

綜上所述，目前關于混凝土耐久性的研究多集中于考慮荷載和環境共同作用對混凝土耐久性的影響，或重點考慮普通混凝土在2 種或多種侵蝕介質耦合作用下的耐久性變化.而對于氯鹽侵蝕和凍融循環耦合作用下的混凝土凍融破壞耐久性的研究不多.同時，部分學者也對多因素下的高性能混凝土耐久性進行了試驗研究，但考慮水膠比、粉煤灰摻量和含氣量等配合比影響的高性能混凝土凍融破壞的耐久性研究更是較少.

鑒于此，本文依托納潮河大橋工程，針對高性能混凝土耐久性，設計了氯鹽侵蝕和凍融循環耦合作用下高性能混凝土的耐久性試驗，對氯鹽侵蝕和凍融循環耦合作用下不同配合比混凝土的凍融破壞展開研究，旨在為復雜環境下高性能混凝土服役性能提供借鑒與參考.

1 試驗工況設置

試驗主要研究水膠比w（0.35、0.45、0.55），粉煤灰摻量f（0、10%、30%、50%），含氣量q（3.5%、4.5%、5.5%）等因素對高性能混凝土耐久性的影響.本試驗水泥采用唐山冀東水泥廠生產的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；細骨料是遷安的細度模數為2.5～3.0 的河砂，屬于Ⅱ區中砂；粗骨料為唐山古冶榛子鎮石料場生產的5～25 mm 的連續級配碎石；粉煤灰使用大唐火電廠生產的F 類Ⅱ級以上粉煤灰，引氣劑采用天津維鼎生產的高效引氣劑.試驗配合比詳見表1.含氣量的測定較為復雜，本文按照混凝土拌合物含氣量測定方法進行，關鍵測定步驟包括：1） 混凝土拌合物裝入量缽容器內（裝料避免過滿），震動30 s，再次裝料、震動，直到容器內混凝土填滿且震實；2） 用注水器從注水口注水，直到水從排水（氣）口中平穩流出，關閉注水閥后再關閉排氣閥；3） 用手泵打氣加壓，使指針略微超過規定的位置，微調閥調節指針，使得指針指到規定的位置；4） 平穩地按下平衡閥約5 s 后松開，指針穩定下來所指的就是混凝土的含氣量.具體的試驗步驟和要求參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）[17].浸泡液為質量分數3.5%的NaCl 溶液.試件放進凍融箱后，每凍融循環25 次后測定質量和動彈性模量.

表1 試驗混凝土配合比Tab.1 Concrete mix ratio in test

2 試驗結果及分析

現有研究表明[18-20]：混凝土抗凍性受水膠比、含氣量、摻合料等的影響十分顯著.因此，本文設計了鹽凍作用下混凝土耐久性試驗，分析不同水膠比、含氣量和粉煤灰摻量下的凍融破壞.

2.1 質量損失率

圖1 給出了不同水膠比混凝土試件質量損失率隨鹽凍循環次數N的變化情況.

圖1 不同水膠比試件的質量損失率變化Fig.1 Variation of mass loss rate of specimens with different water-binder ratios

從圖1 中可以看出：w= 0.35 的試件在進行150 次鹽凍循環后質量損失1.81%，300 次鹽凍循環后質量損失2.94%；w= 0.45 的試件150 次鹽凍后質量損失3.06%，300 次鹽凍循環后質量損失4.28%；w= 0.55 的試件只進行了50 次凍融循環，質量損失就已經達到了4.65%.水膠比作為混凝土的重要參數，對混凝土可凍水含量、強度和平均氣泡間距有重要影響.水膠比越小，可凍水就越少，孔隙率越低，平均氣泡間距越小，強度相應越高，進而混凝土抗凍性能較好.因此，在鹽凍環境下建議混凝土水膠比不宜過大.

不同粉煤灰摻量混凝土試件質量損失率隨凍融循環次數的變化情況如圖2 所示.由圖可知，粉煤灰摻量最大的試件在50 次鹽凍循環后，質量損失就已經達到了8.12%，超過了容許值5.00%，說明粉煤灰過大對混凝土的耐久性不利.

圖2 不同粉煤灰摻量試件的質量損失率變化Fig.2 Variation of mass loss rate of specimens with different fly ash contents

粉煤灰摻量30%試件300 次鹽凍循環后質量損失率為4.28%；粉煤灰摻量10%試件300 次鹽凍循環后質量損失率為3.82%；沒有粉煤灰摻量的試件300 次鹽凍循環后質量損失率為2.68%.摻入粉煤灰的混凝土，會由于粉煤灰的二次水化反應改善混凝土的孔結構特征，但摻入粉煤灰后也將增加混凝土的總孔隙率，并加劇毛細孔曲折程度，從而延長過冷水向附近孔隙的遷移路徑，不利于混凝土抗凍融性能，增大粉煤灰混凝土鹽凍后的質量損失率.由上可知，在鹽凍環境下建議混凝土的粉煤灰摻量不宜超過30%.

不同含氣量混凝土試件質量損失率隨鹽凍循環次數的變化情況如圖3 所示.從圖可以看出：3 組試件的質量損失率都相差不大；含氣量3.5%的試件300 次鹽凍循環后的質量損失率為5.03%.其余2 組試件300 次鹽凍循環后的質量損失都未超過5.00%；4.5%含氣量的試件質量損失最小.混凝土抗鹽凍性與內部孔隙特征有關，減小連通孔隙，保證適度的氣泡間距與含氣量對增強抗鹽凍有利.當含氣量增大時，氣泡間距系數減小.含氣量的加入有利于混凝土的抗凍性，但其含量并非越高越好.

圖3 不同含氣量試件的質量損失率變化Fig.3 Variation of mass loss rate of specimens with different gas contents

2.2 相對動彈性模量

圖4 給出不同水膠比混凝土試件相對動彈性模量隨鹽凍循環次數的變化曲線.從圖中可以看出：水膠比為0.35 的試件在150 次鹽凍循環后相對動彈性模量為92.1%，300 次鹽凍循環后相對動彈性模量為83.3%，0.45 水膠比試件經150 次鹽凍循環后相對動彈性模量為93.3%，300 次鹽凍循環后為88.2%.通過兩組數據對比發現，當粉煤灰摻量為30%時，水膠比0.45 的試件抗鹽凍性優于水膠比0.35 的試件.水膠比為0.55 的試件相對動彈性模量陡降，只經歷了鹽凍循環50 次，但是控制試件破壞不是相對動彈性模量下降至60%，而是質量損失率超過了5.00%.

圖4 不同水膠比試件的相對動彈性模量變化Fig.4 Variation of relative dynamic elastic modulus of specimens with different water-binder ratios

圖5 給出不同粉煤灰摻量混凝土試件相對動彈性模量隨鹽凍循環次數的變化情況.由圖可知：粉煤灰摻量為10%和30%時，150 次鹽凍循環后試件的相對動彈性模量分別為94.1%和93.3%，300 次鹽凍循環后分別為83.1%和88.2%；沒有粉煤灰摻量的試件在鹽凍150 次后相對動彈性模量為94.6%，300 次鹽凍循環后為91.9%；摻量50%的試件只進行了50 次鹽凍循環，其相對動彈性模量為83.4%，但此時試件已因質量損失率過大而達破壞標準.不同含氣量混凝土試件相對動彈性模量隨凍融循環次數的變化曲線如圖6 所示.由圖可知：3 組試件的相對動彈性模量差異不大，試驗結束時所有試件的相對動彈性模量均在80.0%以上.含氣量較高的兩組試件相對動彈性模量更大，說明含氣量是有利于混凝土的抗鹽凍性能.

圖5 不同粉煤灰摻量試件的相對動彈性模量變化Fig.5 Variation of relative dynamic elastic modulus of specimens with different fly ash contents

圖6 不同含氣量試件的相對動彈性模量變化Fig.6 Variation of relative dynamic elastic modulus of specimens with different gas contents

3 氯離子凍融復合作用下混凝土質量衰減預測模型

3.1 質量衰減預測模型的提出

由上述試驗研究分析可知，氯離子凍融復合環境下高性能混凝土主要是因為質量剝蝕過大而發生耐久性破壞.為把試驗結果應用到海洋環境下高性能混凝土耐久性的工程實際中，現建立鹽凍作用下混凝土質量衰減預測模型.依據本文不同水膠比的試驗數據，混凝土的質量損失隨凍融循環次數的衰變大致符合指數規律分布，如圖7 所示.不同粉煤灰摻量和含氣量的質量損失具有相似的規律.混凝土的衰變是其自身結構的破損引起的，應隨原始量作自然規律衰減，近似符合牛頓的物質冷卻定律，所以認為原材料、摻合料、水膠比相同的混凝土的質量衰變規律相似.

圖7 質量隨凍融循環次數的變化Fig.7 Variation of mass with freeze-thaw cycles

假定衰敗速率為 dGN/dN，與鹽凍循環下的質量損失成正比關系，即

式中：GN為N次鹽凍后試件的質量；G0為凍融開始前試件的初始質量； λ 為質量衰減系數.

經過N次凍融循環后，混凝土質量滿足以下關系：

式中：a為與混凝土材料有關的系數.

為了便于分析，定義剩余相對質量為

本文主要是分析水膠比、粉煤灰摻量、含氣量對混凝土損傷的影響，所以定義kw、kf、kq分別為不同w、不同f和不同q的混凝土質量損失修正系數，并令a=kwkfkq，得到剩余相對質量 ρ與N的關系為

3.2 模型參數的確定

以w= 0.45 的試件作為標準試件，對式（2）兩邊同時取對數，建立300 次鹽凍混凝土質量與凍融循環次數的線性回歸，得到衰減系數 λ=0.000 1 ，則

在實際工程中，修正系數kw、kf、kq的值較難測量，而配合比參數在混凝土制作時就能直接得到.因此，需要建立修正系數與配合比的關系.為了便于計算，以w= 0.45，f= 30%，q= 4.5%的試件數據為標準，對水膠比w= 0.35，0.45，0.55 的3 組剩余相對質量進行歸一化處理.利用回歸計算得到水膠比修正系數為

同理，以f= 30%，w= 0.45，q= 4.5%的試件數據為標準，分別對水膠比f= 0，10%，30%，50%和粉煤灰摻量q= 3.5%，4.5%，5.5%的剩余相對質量進行歸一化處理.通過回歸計算得到kf和kq分別為

將式（6）～（8）代入式（5）中，可得到以剩余相對質量表示的氯鹽鹽凍循環后質量指數衰減預測模型.

3.3 模型的驗證和應用

為驗證模型的準確性，選用文獻[1]在幾種工況下的試驗數據與本文模型結果進行比較，見表2.

表2 模型驗證Tab.2 Model validation

由表2 可知：試驗工況1 時，文獻[1]計算結果與本文計算結果相對誤差僅為0.81%，說明該工況下2 種方法計算結果高度吻合；2 種方法計算結果的最大相對誤差出現在工況6，相對誤差值為8.12%，小于10.00%，說明本文計算模型具有較好的準確性.

本文工程研究背景為納潮河大橋工程，位于唐山市曹妃甸工業區中部，是連接唐山青龍河南北兩岸的重要交通通道和曹妃甸工業區南北向的主要生活性城市橋梁.主梁箱梁試驗混凝土水膠比為0.41，粉煤灰摻量30%，含氣量4.1%.通過對箱梁混凝土進行鹽凍試驗，并與模型計算數據進行對比，結果如表3 所示.

表3 梁體試驗與模型計算對比Tab.3 Comparison of beam test and model calculation

由表3 可知，50、100、150、200 次凍融循環后，梁體試驗與模型計算結果的誤差在10.00%以內，模型適應性較好.根據《混凝土結構耐久性設計標準》（GB/T 50476—2019）[21]，混凝土抗凍性一般以抗凍等級表示，抗凍等級是采用齡期28 d 的試塊在吸水飽和后，承受反復凍融循環，以抗壓強度下降不超過25%，而且質量損失不超過 5.00%時所能承受的最大凍融循環次數來確定的.計算結果和試驗結果質量損失都小于5.00%，可滿足F50、F100、F150和F200 抗凍要求.

4 結 論

本文依托納潮河大橋工程，針對高性能混凝土基本性能，建立氯鹽侵蝕和凍融循環耦合作用下高性能混凝土的耐久性試驗，對復合作用下不同配合比高性能混凝土的凍融破壞進行研究.主要結論如下：

1） 若以質量損失為指標，水膠比對高性能混凝土抗鹽凍性能影響顯著，隨著水膠比增大，混凝土抗鹽凍性能降低；粉煤灰的加入不利于混凝土的抗鹽凍性能；含氣量增加有利于混凝土抗鹽凍性能，建議有抗鹽凍要求的橋梁結構高性能混凝土水膠比不宜大于0.45，粉煤灰摻量宜控制在30%以內.

2） 建立了考慮水膠比、粉煤灰摻量、含氣量等影響的混凝土質量衰減預測模型，并采用試驗驗證了模型的適用性，為混凝土抗鹽凍研究提供參考.

需要說明的是，該模型對應于水膠比為0.35～0.55、粉煤灰摻量為0～50%、含氣量為3.5%～5.5%的試驗條件，若要應用于更廣的范圍，還需建立更多更完善的試驗研究.