（道路与铁道工程专业论文）水泥混凝土路面抗盐冻性能研究.pdf

n a n ji n gu n i v e r s i t yo fa e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o i c o u e g eo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s d e i c i n g s a l tr e s i s t a n c eo fc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n t a t h e s i si i l r o a da n dr a i l w a ye n g i l l e e r i n g b y h u i z h a n g a 撕s e d b y p r o f e s s o rp e i w e ig a o p r o f e s s o rj i a l l t o n gd i n g s u b m i 讹di np 砒i a lf u l f i l l m e n t o ft 1 1 er e q u i r e 】n e n t s f i o rt h ed e 铲e eo fm a s t e ro fe n g i n e e 血g m a r c h2 0 1 0 j 一 一 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：弓七鹄 日期：2 卢卜年3 月 一 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 除冰盐弓l 起的盐冻破坏已经成为寒冷地区路桥混凝土破坏的最主要原因。针对日益严重的 盐冻破坏问题，本文采用国内首次引进的c d f 盐冻试验机并参照欧洲r j l e m 标准进行水泥混 凝土路面抗盐冻性能的影响因素研究。主要研究内容和结果如下： 鉴于气孔结构参数对混凝土抗盐冻性影响的敏感性，讨论了采用国内首次引进的脚i d a i r 4 5 7 型硬化混凝土气孔结构测试仪进行测试的影响因素，结果表明：导线分布差异、导线长度、 阈值、制样和焦距对测试有一定的影响。指出：延长导线长度可减小导线分布差异造成的误差； 按照目测设定的阈值和焦距造成的误差很小，可以忽略；制样时，采用自动研磨机比手工方式 研磨平面对水泥浆体损伤要小；采用硫酸钡干粉填充试样表面气孔可获得更好的黑白对比度， 比氧化锌浆体填充的效果好。 研究了不同品种引气剂对混凝土力学性能的影响，结果表明：气孔结构对混凝土劈拉强度 的影响不明显，而抗压强度随含气量的增大成线性减小趋势；不同品种引气剂由于引入的气孔 结构差异，引起的混凝土抗压强度差异较明显；气泡间距系数与混凝土拌合物含气量有较好的 相关性。 研究了气孔结构对混凝土抗盐冻性能的影响规律。结果表明：随含气量增大，气泡间距系 数相应减小，混凝土抗盐冻性迅速提高；当含气量达到6 以上、气泡间距系数达到o 2 m m 以 下时，混凝土的剥蚀量随含气量增大、气泡间距系数减小而降低的幅度减缓；混凝土抗盐冻性 能与气泡间距系数有较好的相关性，施工中必须严格控制气泡间距系数而非仅控制含气量。 研究了不同表面、不同抹面工艺、养护工况和行车荷载对混凝土抗盐冻性的影响。结果表 明：不同表面状态的混凝土抗盐冻性能有较大差异，剥蚀量从大到小依次为成型顶面、隔板面、 切割面，指出c d f 试验标准采用隔板面评价混凝土抗盐冻性可能偏不安全；泌水会引起混凝土 表面分层，过度抹面会引起表层混凝土气孔结构的劣化，降低抗盐冻性；养护过程中，混凝土 表面干缩、过早进入放行状态对混凝土抗盐冻性能影响较大。 关键词：盐冻剥蚀；气孔结构：表面状态；养护条件；荷载 水泥混凝土路面抗盐冻性能研究 a b s t r a c t b 舔e d0 nt 1 1 ep r o b l e mo fi 舭r e 勰i 1 1 9 l ys e r i o u sd e i c i i l g - 丘d s ts c a 】i i l g ，l em n u e i l c i r 培f i a c t o 巧o n 圮 丘d s t - s a l tr e s i s t 锄c eo fc o n c r e t ew 弱i i l v e s t i g a t e di nt l l i sp 印e ra c c o r d i i l gt ot l l ec d ft e s tm e m o du s m g 也ec d ft e s t1 1 1 a c l l i i l e 砌c hw 勰缸ti m p o r t e di i lc t h e 嫩i i lc o n t e 鹏她ds t i l d y 聆s l l l t sm 勰 f 0 1 l o w s ： 一 i i l 啊e wo fm es e l l s i t i 访锣o fa j rv o i ds y s t e mo n 丘d s t s a l t 佗s i s t a i l c eo fc o n c r c t e ，t 1 1 ei i l n u 册c i n g f a c t 0 玛o fm e 弱l l r 锄朋to fa i rv o i ds y s t i e mb yr a p i d a i r4 5 7i m g e 姐a l y z 盯w e 他i n v e s t i g a t e d t h e 陀s u l t ss h o w 岫tt l l ed i s 仃i b u t i o na n dl e n g t l lo f 也w e r s el i i l e ，n l r e s h o l dl e v e l ，s a i n p l ep r 印a m 石o na n d f o c 璐a 他m ei n o s tc r i t i c a lf a c t o 培o ni n e 瓠u r 锄e n to fa i r 、r o i ds y s t e m nw 笛m d i c a t e dm a tp r o l o n g i n g t l l el e n g t l lo f 饥w e 璐el i n ec 觚d i r 血i l i s h l ee r r o ri i l 仃o d u c e db y 仃a v e r l i n ed i s t r i b u t i o n ；m ee r r o r i i l n 0 d u c e db y 廿l r e s h o l dl e v e l 锄df 如u ss e ta c c o r d m gt ot 1 1 en a k e de y em e 淞u r e m e n tc 锄b e g l e c t e d ； m eh 盯d e n e dp 觞t ea tm es 锄p l es l l r f a c ea r el e s s a g e db yu s i i l ga u t o m a t i c 鲥i l d i n g 臌c _ h i i l em 勰 b yn m n u a lg 曲d i n g ；f i l l i n gv o i d 、) l ，i md 巧b 撕u ms u l f a t ep o w d e fp r o d u c e sab 鲋e rm l a g ec o n n 粥t m 锄f i l l i n g 、加mz i i l co x i d ep 淞t e a c c o r d 吨t 0 雠c d f 撇m o de 虢c t so fa i rv o i ds y s 钯n 塔d u c e db yt h r e ed i 的e n ta i r 铋锄i n m ga g e n t 锄ds u r f a c ec o n d i t i o 璐i i l c l u d i i l gc o “n gf a c e ，i s o l a t i o nf a c ea n dc u n i n gf a c e 丘。o s t - s a l tr e s i s 眦eo fc o n c 佗t ew e 咒i i l v e s t i g a t e d t h e 陀s u l t ss h o w e dt l l a tm ef b s t - s a l tr e s i s 锄c eo f c c r e t ei n c r e 雒e sw i t ht h cd c c r e 髂i i l go fs p a c i n gf a c t o r 她di n c r e 弱i n go fa i rc o n t e n t t h es p e e do f 硒s t - s a l ts c a l i i l go fc o n c r e t ei s d u c e di fa i rc o n t e n tb c y o n d6 o rs p a c i i l gf a c t i d rl e s s l a i l0 2 0 0 删n t l 他r e s u l t sa l s os h o w e d 廿l a tt h e 丘o s t s a l tr e s i s t a l l c eo fc o r l c r e t eo fd i 丘e r e n ts u r f a c ee ) 【i s td i 任e 他r i c e t h eo f d e ri sc o a t i n gf a c e ，i s o l a t i o nf a c e 锄dc u t t i i l g l c eb yn l ed e g r e eo f a l i i l g r - e 鲫l t si n d i c a t e d 血a ti tc 肌e 璐u r cl h e 丘d s t s a l t 化s i s t a n c eo fc o n c r e t eb yc o m r o l l i i l go ft 1 1 es p a c i i l gf a c 锄n o tm ea i r _ c o n t e n t 龇l dd e c r e 弱et l l e 丘d s t s a l tr e s i s t 瓤l c eb yi m p r o p e d yc o n c 他t cc o a t i i l ga n d 啊b r a t i n g n e 硼u e n c eo fd i 虢豫l tc o n c r e t ec o a t i n gv e k c l e 珊d b i l e1 0 a d i n g 锄dc u m gc o n d i t i o n0 n 丘d s t s a l tr e s i s t a i l c ew 私r e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o wt l l a te x c e s s i v ec o a t i i l gm a y b ed e t e r i o r a t et 1 1 ea i r v 0 i ds y s t 锄s u c h 雒i n c r e 觞i n gm es p a c i l l gf a c t o rs o 廿l a td 砌s h 也e6 o s t - s a l tr e s i 蛐m c e ；蛳g s h r i r l l ( a g e ，c a r b o i l i 髓t i o n 锄db e i n gu n d e r 缸_ a 伍cl o a dt o oe a r l y 、j l ，：h c nc l l r i n g 、j l r i ui l l n u e n c em e 丘。o s t s a l tr e s i s t a n c eo f p a 、r e m e n t k e yw o r d s ：d e i c e rs a l t a l i n g ；a i rv o i ds y s t e m ；s f a c ec o n d i t i o n ；c 嘶i 玛c o n d i t i o n ；l o a d 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。1 1 1 研究背景。1 1 1 1 混凝土盐冻破坏概述1 1 2 国外研究现状。3 1 2 1 混凝土盐冻破坏机理。3 1 2 2 混凝土抗盐冻影响因素。6 1 2 3 气孔结构测试方法9 1 3 国内研究现状1 0 1 4 论文主要研究内容。1 2 第二章试验原材料、设备及方法1 4 2 1 试验原材料1 4 2 1 1 水泥。1 4 2 1 3 细骨料1 4 2 1 4 粗骨料1 4 2 1 5 引气剂1 5 2 1 6 减水剂1 5 2 2 试验设备及方法1 5 2 2 1 混凝土拌合物含气量试验1 5 2 2 2 混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度试验1 5 2 2 3 硬化混凝土气孔结构试验1 6 2 2 4 混凝土抗盐冻试验1 6 第三章硬化混凝土气孔结构的测试方法研究1 8 3 1 前言1 8 3 2 试验方案1 8 3 3 导线分布差异对硬化混凝土气孔结构参数测试的影响1 9 3 4 导线长度对硬化混凝土气孔结构参数测试的影响1 9 3 5 制样方式对硬化混凝土气孔结构参数测试的影响2 1 3 6 阈值对硬化混凝土气孔结构参数测试的影响2 2 3 7 焦距对硬化混凝土气孔结构参数测试的影响2 3 3 8r a p i d a i r 试验结果与“仿a s 刚c 4 5 7 ”的相关性2 4 3 9 本章小结2 4 第四章引气剂对混凝土气孔结构和力学性能的影响研究2 6 4 1 前言2 6 4 2 试验方案2 6 4 3 引气剂对混凝土气泡特征参数的影响分析2 6 4 4 引气剂对混凝土力学性能的影响分析2 9 4 5 本章小结3 2 i i l 水泥混凝土路面抗盐冻性能研究 第五章气孔结构对混凝土抗盐冻性的影响研究3 3 5 1 前言3 3 5 2 试验方案3 3 5 2 1 试验材料3 3 5 2 2 试验方案及设备3 3 5 3 含气量对混凝土抗盐冻性的影响3 4 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图1 1 某路面接缝附近因冻融破坏造成的裂缝l 图1 2 除冰盐因盐冻造成的混凝土表面剥落l 图1 3 混凝土表层的盐冻剥蚀2 图1 4 静水压假说和渗透压假说示意图4 图1 5n a c l 浓度对混凝土内部结冰压的影响5 图1 6 冰层开裂导致表面剥蚀模型示意图5 图1 7 撒盐后不同深度下混凝土温度变化6 图1 8 混凝土内部盐溶液浓度分布6 图1 9 气泡与水泥石之间的相互作用7 图1 1 0 混凝土抗盐冻性与气泡间距系数之间的关系。7 图1 1 1 混凝土抹面后表面状态的变化。8 图1 1 2 常用的混凝土孔结构自动图像分析仪1 0 图1 1 3 两种图像分析仪法与人工显微镜法对硬化混凝土气孔结构测试结果的相关性1 0 图1 1 4 过早抹面产生的分层1 2 图2 1 新拌混凝土含气量测定仪1 5 图2 2r a p i d a i r 型硬化混凝土气孔结构分析仪1 6 图2 3 制作好的待测试样。1 6 图2 4c d f 试验机1 7 图2 5c d f 法冻融循环制度1 7 图3 1 制作完毕的试件表面图像：1 8 图3 2 不同的导线分布1 9 图3 3 导线长度对混凝土气孔结构参数测试的影响2 l 图3 4 手工或自动研磨方式下的试样表面。2 1 图3 5 阈值变化对图像分析所得气孔大小的影响一2 2 图3 6 不同阈值下各孔径所占百分含量一2 3 图3 7 不同焦距下的图像2 3 图3 8r a p i d a i r 和“仿a s l m c 4 5 7 ”的相关性2 4 图4 1 新硬混凝土含气量之间的关系2 7 图4 2 新硬混凝土含气量的区别2 7 图4 3 混凝土含气量和气泡间距系数之间的关系2 7 图4 4 引气剂品种对硬化混凝土气孔结构的影响。2 8 图4 5 引气剂品种对硬化混凝土气孔结构的影响一2 8 图4 6 引气剂品种对混凝土气孔结构的影响。2 9 图4 7 含气量对混凝土抗压强度的影响3 0 图4 8 含气量对混凝土劈裂抗拉强度的影响一3 0 图4 9 含气量对抗压强度的影响。3 0 图4 1 0 含气量对劈裂抗拉强度的影响3 0 图4 1 l 引气剂品种对混凝土抗压强度影响3 l 图4 1 2 引气剂品种对混凝土劈拉强度影响3 l v 水泥混凝土路面抗盐冻性能研究 v l 图4 1 3 引气剂对抗压强度的影响3 1 图4 1 4 气泡间距系数对抗压强度的影响3 1 图4 1 5 气泡间距系数对劈拉强度的影响3 2 图4 1 6 气泡比表面积对劈拉强度的影响3 2 图5 1 掺不同品种引气剂的混凝土盐冻剥蚀量变化3 4 图5 2 混凝土含气量与气泡间距系数的关系3 4 图5 4 分别掺引气剂a 、b 、c 的混凝土盐冻剥蚀量与气泡间距系数的关系3 5 图5 5 气泡间距系数与盐冻剥蚀的关系3 6 图5 6 含气量与混凝土盐冻剥蚀的关系3 6 图5 7 引气剂品种对混凝土抗压强度的影响3 6 图5 8 引气剂品种对气泡比表面积的的影响3 6 图5 9 盐冻剥蚀与混凝土含气量之间的关系3 7 图5 1 0 含气量对不同面剥蚀的影响3 8 图5 1 1 气泡间距系数对不同面剥蚀的影响3 8 图5 1 22 8 个循环后试样表面3 9 图5 1 3 不同表面的盐冻剥蚀量3 9 图6 1 混凝土结构物排水不当造成的盐冻破坏。4 l 图6 2 孔溶液饱和度对剥蚀速率的影响。4 3 图6 3 孔溶液饱和度对剥蚀量的影响一4 3 图6 4 抹面对盐冻剥蚀速率的影响。4 3 图6 5 抹面对盐冻剥蚀的影响。4 3 图6 6 养护方式对盐冻剥蚀的影响4 4 图6 7 重复加卸载对盐冻剥蚀的影响4 4 表1 1a s t mc 6 7 2 盐冻破坏分级表2 表1 2 单个试验员测试结果误差统计9 表1 3 不同试验员同一试样测试误差统计9 表1 4 路面混凝土含气量推荐值1 1 表1 5 混凝土路面和桥面最大平均气泡间距系数以船1 2 表2 1 海螺水泥的化学成分1 4 表2 2 海螺水泥物理性能检验结果1 4 表2 3 海螺水泥胶砂强度检验结果m p a 1 4 表2 4 细骨料物理性质。1 4 表2 5 石灰岩粗骨料检验结果1 5 表3 1 混凝土配合比肚卧n j ) 1 9 ， 表3 2 导线分布差异对硬化混凝土气孔结构参数测试结果的影响。1 9 表3 3 不同导线长度下测得的硬化混凝土含气量，。2 0 表3 4 不同导线长度下测得的硬化混凝土气泡间距系数埘m 2 0 表3 5 不同导线长度下测得的硬化混凝土气泡比表面积m m 1 2 0 表3 6 阈值对气孔结构参数图像分析结果的影响2 2 表3 7 焦距对气孔结构测试的影响2 4 表5 1 不同表面的盐冻剥蚀量数据的重复性他g ，m j ) 3 8 表6 1 混凝土配合比他g m m ) ) 。4 2 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 混凝土盐冻破坏概述 在寒冷的地方，如我国北方地区，道路工程结构物无遮盖地袒露在大气中，长期受风霜雨 雪侵蚀，在设计使用年限前就经常会发生冻融破坏：为了快速恢复交通，清除路面的积冰积雪， 通常采用的撤除冰盐降低水的冰点，融化路面积冰积雪的措施，不但加剧了路面的冻融破坏程 度，还导致在路面过早就出现严重的盐冻剥落，使路面破坏提前、加剧，见图1 1 和1 2 【1 1 。 图1 1 因冻融造成的裂缝图1 2 因盐冻造成的混凝土表面剥落 f i 9 1 1f b s ti i l d u c e dc r a c k i i 唱o f ap a v e n l e n t f i 9 1 2s c a l e dc o n c r e t es u r f k e 冻融破坏：混凝土在饱水状态下因冻融循环产生膨胀压和渗透压，两者共同反复作用，导 致混凝土结构破坏。即由于混凝土孔隙中的水由于冰冻膨胀引起结冰膨胀压和体积膨胀导致周 围未结冰水向外迁移引起渗透压。经调查发现，混凝土冻融破坏不仅发生在“三北”等严寒地区， 在长江以北黄河以南的中部地区也广泛存在。美国某报告指出：大约2 5 3 0 0 0 座混凝土桥梁的桥 面板使用不到2 0 年，就已经出现不同程度的破坏，而且每年还将新增3 5 0 0 0 座，混凝土冻融破 坏是导致这些桥梁过旱破坏的重要原因【2 】。 混凝土盐冻破坏：在冻融循环条件下，由于使用除冰盐引起的混凝土路面的剥蚀开裂破坏 现象。从本质上看，混凝土的盐冻破坏是冻融破坏的一个特殊形式，但混凝土在冻融和除冰盐 存在的双重环境下比单纯的冻融作用下所受的破坏要严重的多，一般在混凝土内部破坏以前， 混凝土表面就出现了大面积的剥落现象。按照a c i 1 1 6 报告“水泥和混凝土术语”所述，剥蚀被 定义为“局部片状剥落或硬化混凝土和砂浆从接近表面处剥离”，并且按照表面砂浆剥落的深度 分为轻度剥蚀( 砂浆剥落深度小于5 删n ) 、中度剥蚀( 砂浆剥落深度在5 1 0 i n m ，粗骨料裸露) 、重 度剥蚀( 砂浆剥落深度在5 1 0 i i 姐，环绕骨料周围的砂浆剥落深度在1 o 聊均和非常重度剥蚀 ( 局部剥落深度超过2 0 删n ) 等。表1 1 所示为按照a s l mc 6 7 2 评价混凝土抗盐冻剥蚀性能的分 级表【3 】。 1 水泥混凝土路面抗盐冻性能研究 表1 1a s t mc 6 7 2 盐冻破坏分级表 t 如i e1 - 1g m d el i s to f 丘o s ts a l tr e s i s t a n c eo fc o n c r e t ea c c o r d i i l gt oa s t mc 6 7 2 等级表面状况 无剥蚀 非常轻微剥蚀，无粗骨料暴露 轻微到中度剥蚀 中度剥蚀，部分粗骨料暴露 中度到重度剥蚀 重度剥蚀，整个表面粗骨料暴露 路面使用除冰盐除冰的机理【4 】：首先要有足够的湿度使盐块溶解，当盐在水中溶解后，形 成盐水，盐水比水的冰点低，会使其周围的冰雪融化，融化的雪水又使盐水增多，这些盐水又 使周围更多的冰雪融化，这一过程不断进行直到冰雪完全融化或盐水被稀释到不能继续融化冰 雪为止。但由于使用除冰盐融化冰雪后，盐水提高了混凝土保水度并引起混凝土由表及里出现 盐溶液浓度差等问题，会导致混凝土更易发生冰冻破坏。 v e r b e c k 和l e g e r 的研究【5 】表明：盐冻破坏作用的本质是物理的而不是化学的。“盐”不单 是指n a c l 或c a c l 2 ，除氯化物外的除冰盐，如尿素、乙醇及乙二醇，在相同条件下它们对混凝 土造成的盐冻破坏作用与n a c l 相似。 盐冻典型的破坏特征：破坏从表面开始，逐步向内部扩展；表面砂浆剥落，骨料暴露，但 剥蚀层下的混凝土基本保持密实完好，并可在遭受破坏的截面上看到分层剥蚀的痕迹，如图1 3 ： 盐冻破坏非常快，如混凝土未掺引气剂，即使强度很高的混凝土，使用几个冬季即可发生剥蚀 破坏：在剥蚀的混凝土表面，常可看到白色的n a c l 、c a c l 2 晶体。 图1 3 混凝土表层的盐冻剥蚀 f i 9 1 3f r 0 s ts a l ts c a l 吨o f c o n c r e t es u r f i a c e 盐冻已经成为寒冷地区混凝土开裂破坏的主要原因。我国8 0 年代初才开始建造混凝土结构 立交桥和高等级公路，同时除冰盐也在北京市道路和立交桥首先使用，9 0 年代开始在高速公路 2 南京航空航天大学硕士学位论文 使用除冰盐。由于我国建造高等级混凝土路面和使用除冰盐的历史较短，对除冰盐对混凝土的 破坏认识和研究极少，因此在设计和建造高等级混凝土路面时均未采取相应的技术措施，导致 北方数起高等级混凝土路面和城市立交桥桥面的过早破坏。哈绥公路小岭段，1 9 9 5 年竣工后， 于1 9 9 6 年冬季按公路养护规范撤除冰盐除雪，撒盐后近一个冬季，就发现路面和路肩表面出现 大面积的剥蚀破坏，破损路段约1 9 3 k m 。哈尔滨一大庆、哈尔滨一亚不力高速公路，因使用除 冰盐两个冬季即出现严重的剥蚀破坏现象【6 】。北京已经拆除重建的西直门立交桥，除碱骨料破 坏外，在桥板接缝、桥墩部位存在严重的盐冻破坏，其它的立交桥也存在类似的情况川。 美国标准局1 9 9 8 年的调查表明，美国全年混凝土因各种耐久性破坏的损失约为2 5 0 0 亿美 元，其中混凝土桥梁修复费用为1 5 5 0 亿美元【8 】。混凝土因盐冻破坏而所用的维修重建费用甚至 比修建新路或者新桥的花费还要多，造成了巨大的经济损失，并且严重地威胁了公共安全。然 而至今仍未有统一的盐冻理论和措施来有效指导及提高路面混凝土抗盐冻性。 通过对混凝土掺加引气剂，在搅拌过程中引人大量均匀、稳定且封闭的微小气泡，可以大 幅度提高混凝土抗冻和抗盐冻耐久性，这已被混凝土学术界和工程界所公认。国外很多理论研 究及工程实践均表明，掺加引气剂是提高混凝土抗冻性能和抗盐冻性能的最有效措施。在北美、 北欧发达国家早已普遍推广引气技术，据报导，他们8 0 以上的混凝土都掺加引气剂，特别在 水工、港工、道桥等重要工程更是明确规定了必须掺加引气剂。 然而目前国内由于传统引气剂质量欠佳，加上人们对引气剂的应用认识还不足，制约着引 气剂在国内混凝土工程的推广应用，致使混凝土工程耐久性，特别是抗冻和抗盐冻耐久性不满 足要求。我国公路水泥混凝土路面施工技术规范( 丌g ) f 3 0 - 2 0 0 3 中明确列出“有抗冰( 盐) 冻要求地区，各交通等级路面、桥面、路缘石、路肩及贫混凝土基层必须使用引气剂；无抗冰 ( 盐) 冻要求地区，二级及二级以上公路路面混凝土中应使用引气剂。”引气剂在我国道路混凝 土工程中的应用还很不普及，尚处于推广阶段。究其原因，除担心掺加引气剂会过多降低混凝 土的强度外，还主要与我国引气剂种类和牌号众多，质量参差不齐，使用中经常出现质量问题 等因素有关。 1 2 国外研究现状 1 2 1 混凝土盐冻破坏机理 从上世纪三十年代开始，很多研究就致力于混凝土的冻融破坏，一些关于冻融破坏的理论 由此逐渐被提出来。但由于混凝土盐冻破坏机理和特征较冻融破坏更为复杂，至今还没有统一 的理论来解释混凝土的盐冻破坏。但一些理论已经被认可并应用于实际工程中，鉴于国内仍没 有系统或创新的理论解释盐冻，故下文只阐述国外一些经典理论及其成果。 3 水泥混凝土路面抗盐冻性能研究 p o w e r s 在1 9 4 5 年提出的静水压假说【9 】表明：在冰冻过程中，混凝土孔隙中的部分 冰膨胀，迫使未结冰的孔溶液从结冰区向外迁移；孔溶液要在可渗透的水泥浆体结构 必须克服粘滞阻力，因而产生静水压，形成破坏应力，静水压模型1 1 0 l 。流动粘滞阻力 力随孔溶液流程长度的增加而增加，相应于临界饱和度，存在一个极限流程长度或极 如果流程长度大于临界值，则产生的静水压力将超过材料的抗拉强度而造成破坏。孔 的水泥浆体的渗透性、毛细孔到最近的气泡边缘的距离、冻结率是影响静水压力的主 p o w e r s 和h e l i i l u 吐l 在1 9 5 3 年提出的渗透压假说【l l 】表明：混凝土冻结时，毛细孔中水的冰 点与孔径有关，孔径越小，冰点越低，当大毛细孔中水结冰时，孔隙水中的离子浓度得提高， 而蒸汽压将下降，这时小毛细孔中未结冰的水就可能向大毛细孔中渗透而形成压力，这种渗透 压力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土就会遭受破坏。 当混凝土经受盐冻循环时，除了由于孔隙中水结冰体积膨胀9 造成的静水压和渗透压以 外，另外还有盐溶液浓度差引起的额外的渗透压。由于水中溶解有盐，降低了水的冰点；同时 也由于毛细孔的尺寸非常小，冰点也低于o ，所以毛细孔中的水并未马上结冰。对一个特定 的孔，当温度足够的低时，其内的水开始部分结冰，同时孔内的盐浓度随之升高：盐浓度升高， 则整个水泥石中的盐浓度的均衡分布被打破：其它更小的毛细孔中的未结冰的自由水则流向此 处以降低盐浓度，从而建立新的平衡。这样，在孔溶液从一个毛细孔迁移补充到另一个毛细孔 的过程中，就会产生渗透压力。孔溶液的迁移使结冰孔隙中冰的体积和溶液的体积不断增长， 渗透压也相应增长。渗透压作用于水泥浆体，导致水泥浆体的内部开裂，造成了混凝土最终的 盐冻破坏。 静水压和渗透压假说较为成功地解释了混凝土冻融破坏或盐冻破坏的机理，奠定了混凝土 抗冻性、抗盐冻性研究的理论基础，同时也为引气剂的大规模应用铺平了道路。静水压与渗透 压假说的示意图【l2 】如图1 4 所示。 4 l 辨井气一1 鬯一 l 图1 4 静水压假说和渗透压假说示意图 f i 9 1 4s k e t c hm a pf 0 r l e 鲥e so fh y d m u l i cp s s u r ea n do s n l o t i cp r e s s u r e 南京航空航天大学硕士学位论文 根据这两个假说，掺入引气剂的引气混凝土硬化后，水泥浆体内部会均匀分布着微小的封 闭气孔。当未冻溶液迁移时，可以就近排入气孔中，使未冻孔液缩短了形成静水压力的流程， 且缓解了孔溶液迁移过程中形成的渗透压，气孔充当了一个“缓冲气囊”的作用。气孔之间的 间隔距离应足够小，使水泥硬化浆体中任一点至最近的气孔的距离不超过极限流程长度，此流 程长度也叫气泡间距系数。 因此，气泡间距系数是评价混凝土抗盐冻性的一个重要定量指标，气泡间距系数越大，则 盐冻过程中毛细孔中的静水压和渗透压越大，混凝土的抗盐冻性越差；反之，则越好。 然而渗透压理论虽然能较好地解释除冰盐的有害作用，但是无法合理地解释混凝土盐冻破 坏的几个最基本现象，比如为什么中低浓度盐溶液引起的混凝土盐冻破坏最严重、受冻时混凝 土表面存在的盐溶液对盐冻破坏的重要性等，如图1 5 展示了不同盐溶液浓度混凝土抗盐冻性 的影响i l 引。 o u 出锄0 p u m l u 等人【1 4 】认为：静水压和渗透压不是混凝土盐冻破坏的主要原因，混凝土 的盐冻剥蚀主要是由于在降温过程中，冰和混凝土的温度变形不一致，而冰的弹性模量和抗拉 强度又小于混凝土，因此当温度降低到一定程度时，混凝土表面冰层首先开裂，其开裂时混凝 土表面产生了局部拉应力，逐渐反复，导致了混凝土表面逐渐被拉坏最终层层剥落，其模型示 意图见图1 6 。此理论可以解释混凝土表面剥蚀和盐冻破坏存在盐溶液浓度最劣值的原因，却不 能解释为何引气可以有效提高混凝土的抗盐冻性。 墨 要 趸 - 吖a ) ， 图1 5n a c l 浓度对混凝土内部结冰压的影响 f i 9 1 5e 位c to f n a c lc o n c 肌1 埘i o n0 n i c e f o 加：l a t i o np r e s s u 他i i lc 伽l c r e t e i 霎键一? 塔彰帮。譬唯 糕塑黝 图1 6 冰层开裂导致表面剥蚀模型示意图 f i 9 1 6s i m u l a t i o no faf s sa c 6 0 nb yd e l 盒 l a t t i c em o d e l 除了上述经典理论以外，补充解释混凝土盐冻破坏较冻融破坏更为严重的主要理论如下： p i g e o n 【15 1 认为盐冻破坏比冻融破坏更为严重的原因主要为：1 除冰盐的吸湿作用和保水作 用，大大增加了混凝土饱水程度和饱水时间；2 毛细孔壁的水泥浆体吸附一部分盐，造成毛细 孔内的溶液浓度差 5 水泥混凝土路面抗盐冻性能研究 r 0 s h 和h a n l i c k 认为：除冰盐融化冰雪需要从混凝土吸收大量热，使冰雪覆盖层下 凝土温度骤降，造成过冷水，因而对混凝土引起低温冲击作用，产生温度应力，加剧混凝 冻融破坏。图1 7 展示的是混凝土表面到内部的温度变化曲线，从除冰盐喷洒在混凝土表 盖的结冰簿层开始，混凝土表层温度的下降非常明显。表面由于除冰盐吸热而温度要大大 内部的温度。再者除冰盐造成混凝土内部盐浓度分布的差异，如图1 8 ，使各层的结冰程度 差异，当混凝土一层层结冰时造成应力差，进而导致渗透压的出现，并引起内部应力。在 情况下，这样的结冰现象还可能会阻断水的渗流，从而在某层内形成高的应力集中，当温 一步降低时会产生更快的结冰速度，加剧混凝土的破坏。 虽然上述理论都有缺陷，但所研究的结论值得借鉴：由于除冰盐的存在，混凝土内饱 度提高，结冰压增大，溶液浓度差引起额外的渗透压，还有冰层开裂引起的局部应力、撤 盐造成的混凝土内部浓度差造成的分层，过冷水引起剧烈的温度应力等，这些因素都可能是混 凝土盐冻破坏严重于普通冻融破坏的因素。 图1 7 撒盐后不同深度下混凝土温度变化 f i 9 1 7v r a r i a t i o ni i lt e m p e r a t l l r eo f c o n c r e t eu n d e r d i 丘e r e n td e p t l la f i e rl l s i i 培d e i c i i l gs a l t 1 2 2 混凝土抗盐冻影响因素 勺表 盐浓j 宴： 图1 8 混凝土内部盐溶液浓度分布 f i 9 1 8c 0 n c e l l t r a 【t i o nd i s t r i b u t i o no f s a l t s o l u t i o ni i lc o n c r e t e 同保证混凝土抗冻融耐久性的必要条件一样，引气也可显著改善混凝土的抗盐冻性。混凝 土中引入气泡后，气泡可以有效缓冲水泥浆体中产生的各种应力，起到一个“缓冲气囊”的作 用，见图1 9 【1 。丌。引气剂可以在混凝土搅拌过程中引入大量均匀、稳定而封闭的微小气泡，而 表征混凝土的气泡特征参数主要有3 个指标，即含气量、气泡间距系数和气泡比表面积。 一般来说，含气量增加，则剥蚀量降低，但g f a g e d l l i l d 【1 8 】的研究表明，含气量太高时，使 气孔结构不太稳定，形成连续的孔洞，使得冻融期间的吸水量增加，剥蚀量有一个突然的增加。 但混凝土的抗盐冻性不仅与混凝土含气量有关，更主要的是受硬化水泥浆中气泡间距系数 影响( 一般应小于2 0 0 肛m ，以满足除冰盐存在下苛刻冻融破坏的要求) n 9 1 。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 图1 9 气泡与水泥石之间的相互作用 f i 9 1 9i 沁l a t i o nb e t w e e i la i rv o i d 锄dc e m e i l tp 弱t e 7 0 、8 0 年代，基于热力学的分析，国外提出了很多混凝土冻融破坏作用的模型。其中，g f a g e d u n d 用模型描述了p o 袱：r s 静水压假说【2 0 】，提出结冰产生的最大静水压力与材料的渗透系 数成反比，与气泡间距系数的平方成正比，与降温速度及毛细孔水含量成正比，气泡间距是影 响混凝土抗冻性的重要参数。9 0 年代，m c k 鹏s 【2 1 】等人通过试验认为，如同气泡间距系数与抗 冻性有定量关系一样，混凝土抗盐冻性与气泡间距系数也有一定的定量关系；而在7 9 年， s o m m e r h 【2 2 】认为在不同的水灰比下，保障混凝土抗盐冻性的气泡间距系数是有所区别的，提 出了各个气泡间距系数下的混凝土抗盐冻安全等级，结论分别见下图1 1 0 a 和图1 1 0 b 。 晤4 3 蔷2 蟊1 幂o 神 始 钼 蝠 00 10 2o 3 oo 20 40 60 8l 气泡间距系数n 蚰 a ) 气泡间距系数与抗盐冻性的定量关系 a