（道路与铁道工程专业论文）季节性冰冻地区提高混凝土路面耐久性能的研究.pdf

摘要 摘要 由于混凝土结构因耐久性不良造成过早失效的事故在国内外都屡见不鲜， 给经济造成严重的损失，出于工程安全因素考虑，混凝土耐久性的问题越来越 受到世界各国学术界和工程界的广泛重视，提高混凝土的耐久性，对节约资源、 能源及资金均有重大的意义。 本文探讨了混凝土的腐蚀类型和腐蚀机理，包括了混凝土基材水泥的腐蚀 类型和机理，钢筋的锈蚀机理和混凝土结构的腐蚀机理，总结了混凝土耐腐蚀 性能的主要影响因素，以及与抗渗性能和抗冻性能之间的关系，从研究与分析 普通混凝土的结构形成入手，指出了普通混凝土高性能化的可行性与必要性， 提出了普通强度的混凝土高性能化的技术途径。本文还通过在混凝土中掺入引 气剂、粉煤灰或硅粉，来抵抗除冰盐对混凝土的破坏，并对其进行力学性能和 耐久性测试，重点试验是抵抗盐冻能力，并把试验中优选的方案在现场施工的 基础上进行综合比选，提出适合的施工工艺，建议今后在北方季节性冰冻地区 修建道路时推广使用。 最后，关于下一步工作的方向进行了简要的讨论 关键词：抗冻性，除冰盐，引气剂，耐久性，抗渗性，施工工艺 a b s t r a c t a b s t r a c t a sf o r t h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t es t r u c t u r e sc a u s e sp r e m a t u r e f a i l u r eo fa d v e r s ei n c i d e n t sa r en o tu n c o m m o ni nc h i n aa n da b r o a d ，c a u s i n g s e r i o u se c o n o m i cl o s s e s ，f o rs a f e t yc o n s i d e r a t i o n s ，t h ec o n c y e t ed u r a b l e q u e s t i o nm o r ea n dm o r er e c e i v e st h ev a r i o u sc o u n t r i e sa c a d e m i cc i r c l e s a n dt h ee n g i n e e r i n gw i d e l yt a k e s ，t h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t e ，s a v i n g r e s o u r c e s ，e n e r g ya n df u n d sh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c e 。 t h i sp a p e re x p l o r e st h et y p e so fc o n c r e t ec o r r o s i o na n dc o r r o s i o nm e c h a n i s m ， i n c l u d i n gt h ec e m e n tc o n c r e t es u b s t r a t et y p ea n dm e c h a n i s mo fc o r r o s i o n ，c o r r o g i o n o ft h es t e e la n dc o n c r e t es t r u c t u r ec o r r o s i o nm e c h a n i s m ，s u m m i n gu pt h ec o n c r e t e c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h em a i n i n f l u e n c i n gf a c t o r s ，a n d b e t w e e nt h e i m p e r m e a b i l i t yo fa n t i f r e e z ep e r f o r m a n c ea n dt h er e l a t i o n s h i p ，f o r m so b t a i n i n gf r o m t h er e s e a r c ha n dt h ea n a l y s i sp l a i nc o n c r e t es t r u c t u r e ，h a dp o i n t e do u tt h ep l a i n c o n c r e t eh i g hp e r f o r m a n c ef e a s i b i l i t ya n dt h en e c e s s i t y ，p r o p o s e dt h eo r d i n a r y i n t e n s i t yc o n c r e t eh i g hp e r f o r m a n c et e c h n o l o g yw a y 。t m sp a p e ra l s oc i t e di n c o n c r e t em i x i n go fg a sa n df l ya s ho rs i l i c af u m e ，t od e - i c i n gs a l tr e s i s t a n c eo f c o n c r e t ed a m a g e ，a n di t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd u r a b i l i t yt e s t s ，t h ef o c u so f r e s i s t a n c ei st h ea b i l i t yt of r e e z es a l t ，s u g g e s t e df r o mn o wo nw i l lf r e e z et h el o c a l c o n s t r u c t i o np a t hw h e nt h en o r t hs e a s o n a lc h a r a c t e r i s t i cw i l lp r o m o t et h eu s e 。 f i n a l l y ，a b o u tt h ed i r e c t i o nw h i c hn e x ts t e pw o r k e dh a sc a r r i e do nt h eb r i e f d i s c u s s i o n 。 k e yw o r d s ：a n t i f r e e z e ，d e i c i n gs a l t ，a i re n t r a i n i n ga g e n t ，d u r a b i l i t y ， i m p e r m e a b i l i t y ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名； 月l o 日 同济大学学位论文原创- l ! 生声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 2 0 0 7 年10 月10 日 第1 章绪论 第1 章绪论 自从波特兰水泥问世以来，水泥混凝土材料以它的实用性和低廉的造价而 成为土建工程建设中不可缺少的材料，广泛用于桥梁、大坝、高速公路、工业 与民用建筑等结构中。据不完全统计，当今世界每年消耗的混凝土量不少于6 0 亿立方米，目前，随着逐步增长的城市化建设，年消耗量在不断增长。混凝土 材料经历了低强度、中等强度、高强度乃至超高强度的发展历程，似乎人们总 是乐于追求强度的不断提高。但是近四五十年来，混凝土结构因种种因素造成 过早失效乃至崩塌破坏的事故在国内外都屡见不鲜，有愈演愈烈之势。这些混 凝土工程的过早破坏，其原因不是强度不够，大部分是由于混凝土耐久性不良 所造成。 1 1 混凝土耐久性的含义 所谓混凝土的耐久性，是指其抵抗环境介质，并且长期保持良好的使用性 能和外观完整性，从而维持混凝土结构的安全和正常使用的能力n 1 。影响混凝 土结构耐久性的因素很多，可分为内在因素和外在因素两大类，内在因素是指 混凝土结构抵御环境的能力，由结构的设计形状和构造形式、选用的水泥品种 和骨料的种类、外加剂的种类，钢筋保护层的厚度和直径的大小、混凝土的水 灰比、浇注和养护的施工工艺等诸多因素所决定；外在因素是环境对混凝土结 构的物理和化学作用，包括干湿和冻融循环、碳化、化学介质侵蚀、磨损破坏 等诸多方面，不同环境对混凝土结构耐久性的影响程度不尽相同，外在因素是 通过内在因素而起作用的n ，。 混凝土耐久性具体包括抗渗、抗冻、耐腐蚀、碳化、碱骨料反应及混凝土 中的钢筋锈蚀等性能，虽然混凝土在遭受水压力、冰冻或侵蚀作用时的破坏过 程各不相同，但影响因素却有许多相同之处，其中混凝土的密实度是最为关键 的因素，其次是材料的性质、施工质量等佑1 。 第l 章绪论 1 2 混凝土耐久性研究的发展历史 尽管混凝土的发明只有一百多年的历史，但人们很早就开始关心并认识到 混凝土耐久性这一问题，从开始的不够重视，到投入大量人力物力，进行理论 和试验的研究，其中对混凝土耐久性的研究可以追溯到1 8 4 0 年，当时法国工程 。师兼研究员维卡为了探索所建造的土建码头被海水腐蚀的原因，对当时使用的 水硬性材料( 石灰和火山灰制成的砂浆) 进行性能研究，经对比分析受损前后成 分的变化，从而得出其耐久性失效的原因，维卡所著的水硬性材料遭海水腐 蚀的化学原因及其防护方法的研究是研究水硬性胶凝材料制成的混凝土腐蚀 破坏的第一部科研著作口纠。但在随后的半个多世纪里，人们对波特兰水泥混凝 土的防腐性问题一直未取得一致的看法，自从第一批混凝土构件问世并首次应 用于建筑工程时，就出现了混凝土能否在化学活性物质腐蚀条件下安全使用的 问题，可见，人们对混凝土结构的性能及其耐久性几乎是同时进行并研究的。 人们最初对混凝土结构耐久性问题的研究是从海上或沿海建筑物开始的， 这是因为发现这些建筑物的腐蚀严重，研究方法主要是采取调查与自然环境下 进行长期试验，1 9 0 2 年著名的工程师a p 舒良琴柯和b h 察尔诺姆斯基调查了 前苏联各港口码头和欧洲的港口码头的混凝土构筑物乜引，对混凝土密实性的影 响有了初步的认识，但却认为混凝土的碳化层对其耐久性却是有利的。1 9 2 5 年 美国的密勒组织了在硫酸盐含量极高的土壤内进行长期试验，其目的是为了获 得2 5 年、5 0 年以至更长数据，1 9 3 仁1 9 6 4 年间比利时的坎皮斯对混凝土在海 水中的耐久性进行了试验，以及戈尔夫对海上码头建筑物的混凝土结构耐久 性的研究，初步得出了水泥品种、混凝土的配合比和某些生产工艺等因素，对 混凝土耐久性影响各方面的见解。 其实在2 0 世纪5 0 年代以前，混凝土结构主要集中于强度及其性能的研究， 而对耐久性的研究并未给予广泛和足够的重视，甚至有些认识是错误的啪1 ，如 对混凝土碳化层的作用问题，并只限于材料方面，较大规模及系统性研究开始 于2 0 世纪5 0 年代以后，为了解决混凝土保护层较小的薄壁结构中，钢筋的防 腐和使用高强度的钢材制作高效预应力问题，前苏联首先开始对钢筋的腐蚀问 题进行了研究，b m 莫斯克文和r m 伊万诺夫等做了卓有成效的研究工作， 并出版了相关专著，并在研究成果的基础上制定了建筑结构防腐标准等1 ，为 混凝土结构耐久性的提高奠定了基础。美国在混凝土耐久性方面是遭受过惨重 第1 章绪论 损失的，其主要是桥梁遭受道路化冰盐的氯离子腐蚀，为了解决冬季交通问题， 使用了大量的化冰盐，1 9 4 7 年全美国使用约1 5 0 万吨的化冰盐，到1 9 6 6 一1 9 6 7 年，增加到6 5 0 万吨，到2 0 世纪7 0 年代，则约为1 1 0 0 1 2 0 0 万吨旧1 ，由于要 大量修复各种受损的桥梁，美国在2 0 世纪6 0 年代开始展开了广泛和深入的研 究。 从二十世纪6 0 年代开始，混凝土结构的耐久性问题是许多国际学术机构或 国际学术会议讨论的重要课题之一。国际材料与结构试验学会于1 9 6 0 年专门成 立了“混凝土的耐久性”技术委员会，该委员会历时五年总结了当时各国在混 凝土方面的成果，并提出了今后的研究方向和建议，1 9 7 8 年以后，每隔三年举 行一次建筑材料与构件耐久性的国际会议。除此之外，各国己举办过多次有关 混凝土碳化及钢筋锈蚀的学术讨论会，如a c i 第2 2 2 届委员会于1 9 7 3 年召开了 混凝土中金属腐蚀问题讨论会，美国试验与材料学会( a s t m ) 召开过多次有关混 凝土腐蚀的专题讨论会，1 9 7 6 年召开了氯化物腐蚀问题的讨论会，1 9 9 0 年召开 了混凝土中钢筋腐蚀速率问题研讨会侧。几届国际水泥化学会议都报导了混凝 土碳化研究的进展，并有关于混凝土碳化的论文发表，为了研究和解决混凝土 的耐久性问题，美国从1 9 8 5 年开始，投资2 0 0 0 万美元，在西北大学成立了一 个混凝土研究中心，主要研究混凝土的耐久性，研究期限为1 1 年，重点是道路 混凝土的耐久性问题，到1 9 9 6 第一期研究工作已结束时，该中心已在混凝土的 断裂、混凝土冻融( 盐冻) 、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应等到方面取得了很多的研 究成果，一些成果己应用到工程，现又正进行第二期研究的工作。 我国对混凝土耐久性的研究主要开始于2 0 世纪6 0 年代南京水利科学研究 院，较大规模的研究在8 0 年代，中国土木工程学会于1 9 8 2 年、1 9 8 3 年连续召 开了两次全国性的耐久性会议，对国外的研究成果进行了系统的总结与归纳， 于是我国建设部1 9 8 4 年颁布了房屋完损等级评定标准( 试行) ( 结构正常使 用性鉴定) 和危险房屋鉴定标准( 结构安全性鉴定) 、工业建筑可靠性鉴定 标准、民用建筑可靠性鉴定标准 j 3 j 虽然这样，但仍存在许多问题。由于 耐久性问题所导致的损失日趋严重，为了适应混凝土耐久性研究的紧迫需要， 建设部将“混凝土结构耐久性及耐久性设计 作为“八五 科技攻关项目，由 清华大学、中国建筑科学研究院等单位承担；较系统的研究是在九十年代，1 9 9 0 年中国标准化协会成立了“全国建筑物鉴定加固标准化委员会”，n 1 1 9 9 1 年全国 成立了混凝土结构耐久性学组，为了推进铁路桥梁病害诊断及剩余寿命评估工 第1 章绪论 作，中国铁道学会铁道工务委员会于1 9 9 5 年在大连主持召开了，桥梁病害诊 断及剩余寿命评估学术研讨会。 1 3 混凝土路面破损的原因及分析 历史上造成对混凝土耐久性不够重视的原因是多方面的，一是历史方面的 原因，混凝土作为建筑材料使用的历史并不长，与砖石砌体结构、木结构相比， 其还是一种非常年轻的建筑材料，而耐久性问题是需经过时间考验的了且混凝 土结构的使用又是如此广泛，其发展之快，使我们无暇顾及其在我们身边的变 化；二是观念上造成的，在政策、施工、设计等方面，甚至在思想上对混凝土 结构不够重视，追求一次性短期投资效益，缺乏长远的眼光“5 1 ，如我国在大跃 进时期的建设，使人们长期以来只重视混凝土结构的强度而不重视其耐久性， 加上往往没有耐久性方面的建设责任，甚至在事实上，业主和承包商不需要对 混凝土耐久性负责，即使我们设计耐久性是1 0 0 年的钢筋混凝土结构，但几十 年后建设施工单位可能己不存在，谁来追究或谁来承担其耐久性责任呢? 国家不 得不肩负起这一历史责任，造成沉重的社会经济负担；三是理论研究不足，我 们改造世界，首先得认识世界，尽管人们很早就认识到混凝土结构存在耐久性 问题，但由于其特殊性，以及其影响因素的复杂性，国内外许多学者付出了不 少的努力钔，至今对混凝土结构耐久性问题没有取得彻底的认识，仍然存在很 多有待进一步深入研究的问题，从损失来看，大部分是由于设计和施工方面造 成的，在法国所有损伤的建筑工程中，4 3 是由于不恰当的设计造成的，另4 3 是由于低劣的施工质量造成，6 是不恰当的选材造成的，8 是维护不当造成的。 因此加强混凝土耐久性的研究，提高混凝土耐久性的认识和设计、施工水平刻 不容缓。 本文通过对石清、石黄、国道3 0 8 栾城段、国道1 0 7 正定段等公路水泥混 凝土路面的收费广场和服务区的调研分析，发现石清高速公路一高原段的收费 广场和石黄高速公路一清水服务区的水泥混凝土路面的表面破损比较严重。 水泥混凝土路面破坏的主要特征为： 1 破坏是从表层开始，逐步向内部扩展，导致砂浆层剥落，骨料暴露，表 面凹凸不平，但剥蚀层下的混凝土基层依然保持坚硬完好； 2 面板虽然出现裂缝、断板，但水泥混凝土的强度还能保证； 第l 章绪论 3 接缝破坏往往是从表面开始剥落，沿接缝方向剥落，并逐渐扩展； 4 这种破坏发展非常快，对没有采取防治除冰盐破坏措施的普通混凝土， 往往经过一、二个冬季就出现破坏，比其它破坏快得多； 5 在出现破坏的表面往往能清楚地看到白色的痕迹，现场检验有咸味，估 计是n a c l ，对剥蚀界面的白色粉状物进行光谱分析，证明该白色粉状物为n a c l 晶体，为了验证提到的盐的影响，我们对两组试件进往了测试，分别在石太和 石黄两条高速公路上的桥面钻芯取样，其具体的配合比，实测的劈拉强度，- - 抗 压强度具体见表1 1 。 表1 1 混凝土配合比 混凝土种 劈裂强度抗压强度 水泥( k g )水( k g )砂子( k g )石子( k g ) 类( m p a ) ( m p a ) 石黄c 3 0 3 9 01 8 06 9 31 2 2 76 83 3 5 对比c 3 03 9 01 8 06 9 31 2 2 77 43 4 8 石太c 4 0 3 9 01 8 57 0 51 2 4 57 94 2 6 对比c 4 03 9 01 8 5 7 0 5 1 2 4 58 44 3 7 同时还测定了c l 一，s o ：一离子的含量，采用a g n o 。滴定方法测c ，一的含量， 同时采用b a c l z 实验测定了孵一离子的含量，测定了钻芯取样不同深度的a 一、 s o ：一含量，并测得同样配合比混凝土的离子含量，具体结果见表1 - 2 。 表1 2 氯离子含量测定 石黄石太 添加添加添加添加 距表所加离子距表所加离子 a g n 0 3 b a c l 2 a g n 0 3 b a c l2 面距面距 加入加入c l 一 s o ：一 加入加入c z 一 s o ：一 离离 l o m l 2 0 m 1 含量含量 1 0 m l2 0 m l 含量含量 ( c m )( c m ) n a c ln a c l ( g )( g ) n a c in a c l ( g )( g ) o l1 3 9 82 4 4 50 2 5 70 1 0 80 - 11 4 8 02 4 7 00 3 0 80 2 2 1 l 21 4 3 42 4 4 80 2 8 20 0 8 11 也1 6 8 82 6 9 91 4 6 60 1 8 8 2 31 3 4 82 3 6 60 2 2 20 0 8 32 01 5 3 02 5 4 00 3 5 40 1 5 7 3 - - 41 2 9 02 2 8 7o 1 7 60 0 0 33 41 4 0 02 4 0 60 2 6 00 0 7 0 4 - 5 1 1 9 82 1 8 8 o 1 0 80 0 5 5扣51 3 3 02 3 3 40 2 1 20 0 7 0 第l 章绪论 通过离子测试也发现表层c l 一、如：一离子浓度远远高于内层，所以说由于 a 一、s 讲一等离子的存在引起了混凝土饱水度的提高，造成了破坏，一般来说， 这种破坏形成主要有以下几种原因： ( 1 ) 混凝土的强度不足； ( 2 ) 混凝土板的厚度不够； ( 3 ) 混凝土的盐剥蚀破坏。 我国混凝土验收规范规定拍1 ，当对混凝土强度有疑问时，可通过钻芯取样 进行仲裁，按照现场钻孔取样试验分析，根据测试结果，我们发现混凝土的强 度损失不大，在破损路段钻取混凝土芯样，切除芯样底部及表层破坏部分后， 进行抗压强度测试，结果该组水泥混凝土芯样的抗压强度与施工时的质检强度 相比并未降低，由以上的数据分析可知，该处破损的混凝土路面只是表层受损， 内部混凝土强度并未发生变化，因为高速公路混凝土路面面板很厚，排除了路 面面板较薄或强度不足而导致的混凝土剥蚀破坏。 基于以上理论与数据我们初步认为，这种破坏主要是冻融破坏和盐剥蚀破 坏，其破坏的主要原因是混凝土中存在可冻水，当受冻时，混凝土中的可冻水 结成冰，体积膨胀，当混凝土中的保水度达到或超过临界保水度时，混凝土就 要受拉开裂，因为冻融循环的作用使开裂不断加剧直至破坏。因此在路面上播 撒盐，可在一定程度上防止路面结冰，然而长期以来的研究观察表明，盐溶液 会加剧混凝土的表面剥蚀。 通过大量的路况调查及室内破坏性对比实验及理论分析认为m 1 ，盐溶液是 造成目前广大北方地区的高速公路收费广场和服务区水泥混凝土路面设施破坏 的主要原因，并且这种破坏的危害是十分大的，我们通过实验分析认为，密实 并具有良好内部结构的混凝土具有较好的抗盐剥蚀破坏能力。其中混凝土剥蚀 破坏主要是盐离子的渗透造成的，从表面开始，因此，减少盐剥蚀病害的措施 应该是降低盐离子的渗透能力，使混凝土具有足够密实度，并具有良好的内部 结构，阻断盐离子的渗透通道，只有减少渗透，才能使水泥混凝土路面具有较 好的抗盐、抗冻融性能。 第1 章绪论 1 4 本文的研究思路与主要工作 对高速公路水泥混凝土路面研究的原因，是为今后混凝土冻害的防治提供 科学的理论依据，对于减少这类破坏所带来的损失，具有重要的价值，对于高 速公路交通运输业的发展，具有极其重要的意义，因此，高速公路水泥混凝土 路面的抗冻性及抗盐性问题的研究具有重要的理论意义和应用价值n 7 1 。 路面、桥面等混凝土工程除了受除冰盐影响较重外，即使抗冻性很好的混 凝土，在盐溶液中冻融也有可能发生表面大量剥落，主要参考了美国标准试 验方法的标准进行h 7 1 ，实际上混凝土抵抗除冰盐的性能与抗冻性密切相关。 为此，本文按照公路工程水泥混凝土试验规程中的“快冻法”进行了混凝 土抵抗盐溶液作用能力的研究。 具有抗盐冻、抗剥蚀破坏的混凝土具有较高的实用价值，本课题针对于这 类问题进行了分析和研究，以期达到以下的目标： 1 通过查阅文献资料，本文探讨了混凝土材料的腐蚀机理，具体包括混凝 土基材水泥的腐蚀类型和腐蚀机理、钢材的锈蚀机理和混凝士结构的腐蚀机理 以及混凝土抗渗性、抗冻性与耐腐蚀性之间的关系，并结合针对于河北省石家 庄高速公路水泥混凝土路面病害进行现场调研，研究分析水泥混凝土路面的破 坏类型、破坏的区域范围及成因分析，从而对症下药，提出可行的防范措施； 2 从分析混凝土的组成入手，讨论了原材料的选择，包括水泥品种、集料 性质、拌合物及养护用水的情况、外加剂和掺合料对混凝土耐腐蚀性能的影响。 并进行室内试验研究，对混凝土试件进行抗压、抗折、抗冻、抗渗及抗磨等试 验研究，根据试验的相关指标确定混凝土的耐久性状况； 3 通过查阅大量的文献资料，在吸取前人研究成果的基础上，本文探讨了 通过改善骨料的级配，降低空隙率，合理选择单方混凝土用水量，以复合超细 粉取代混凝土中的部分水泥，使普通强度等级的混凝土高性能化，并整理出试 验结果，确定混凝土的最优外加剂类型及相应的最优外加剂掺量，最后针对最 优外加剂类型及掺量进行完整的实验室配合比设计； 4 就提供的原始介质水、浓缩介质水，对c 2 5 ，c 3 0 ，c 3 5 强度等级的普通 混凝土的耐腐蚀性分别进行了试验研究，与其他在2 的稀h c l 溶液和1 2 的n a o h 溶液中的耐腐蚀性能做了具体比较，同时对这几种混凝土进行了抗渗和抗冻试 验及钢筋锈蚀试验，对其耐久性作出了一个综合评价，最后结合试验路的现场 第1 章绪论 施工，把室内试验研究成果应用到试验路段中去，提出改进施工工艺的措施， 通过冬季观察，验证并推广使用具有抗冻性的混凝土。 5 采用加入膨胀剂、硅粉掺合料，表面涂敷j s - i i 型复合防水防腐涂料几 项措施，使上述普通混凝土的抗渗性、抗冻性和耐腐蚀性能得到改善。 第2 章混凝土的腐蚀类型和破坏机理 第2 章混凝土的腐蚀类型和破坏机理 首先介绍一下水泥混凝土路面的具体要求，然后分析满足这些要求的必需 条件，即保护水泥混凝土路面的强度、耐久性、耐磨性等，从理论上分析混凝 土的腐蚀类型和破坏机理，找出混凝土耐久性的具体原因。 2 1 对混凝土路面的基本要求 混凝土路面与其它路面相比，水泥混凝土路面具有以下优点： 1 强度高混凝土路面具有较高的抗压强度和抗弯拉强度以及抗磨耗能 力； 2 稳定性好混凝土路面的水稳性、热稳性均较好，特别是它的强度能 随着时间的延长而逐渐提高，不存在沥青路面那种老化现象； 3 耐久性好由于混凝土路面强度和稳定性好，所以它经久耐用，一般 能使用2 0 - 4 0 年，而且它能通行包括履带式车辆等在内的各种交通运输工具； 4 养护费用少、经济效益高与沥青混凝土路面相比，水泥混凝土路面 的养护工作量和养护费用均较少，虽然它的建筑投资较大，但使用年限长，故 所分摊于每年的工程费用较少。因此，从长远角度看，选用混凝土路面，其经 济效益是比较显著的； 5 有利于夜间行车混凝土路面色泽鲜明，能见度好，对夜间行车有利。 水泥混凝土路面的结构组合一般由混凝土面板、基层或垫层组成，由于水 泥混凝土的力学强度和弹性模量均较高，具有较大刚性的水泥混凝土路面能把 承受到的车轮荷载，分布到板下地基的较大范围内。因此，水泥混凝土路面承 载能力的大部分由路面板提供，由于水泥混凝土路面的这一工作特性，使得混 凝土路面板在车轮荷载下产生的应力，成为路面板厚度设计的主要控制指标啪1 。 水泥混凝土的抗弯拉强度比抗压强度低得多，在车轮荷载作用下，混凝土路面 板受弯拉部位最易破坏，荷载越大，板越薄，板所产生的弯拉应力就越大，当 弯拉应力超过混凝土的极限抗弯拉强度时，混凝土便产生了断裂裂缝。理论研 究和工程实践表明，在车轮荷载的重复作用下，尽管荷载应力小于混凝土的极 限抗弯拉强度，路面板仍会产生破坏，因此，为使路面能够经受车轮荷载的多 第2 章混凝土的腐蚀类型和破坏机理 次重复作用而不破坏，混凝土板必须具有足够的抗弯拉强度和厚度。此外，混 凝土的热胀冷缩会使板产生温缩应力，板顶面和底面的温度差使板产生翘曲应 力，板的平面尺寸越大，所产生的这些应力也越大，为减小混凝土板的这些应 力，保证板经久耐用，必须把混凝土路面划分成较小的板块，并设置各种不同 类型的接缝。 水泥混凝土是一种脆性材料，它在断裂时相对拉伸变形很小，因此，在荷 载作用下，土基和基层的变形情况，对混凝土板的影响很大，不均匀的变形会 使混凝土板与基层脱空，在车轮荷载的作用下板会产生过大的弯拉应力而破坏 1 ，因此，为保证混凝土路面经久耐用，要求土基和基层不仅要有足够的强度， 还要有良好的均匀性。 混凝土板是水泥混凝土路面最重要的结构层，它直接承担车轮荷载的水平 向和垂直向的作用，因此，不仅要求表面平整、耐磨和一定的粗糙度，更重要 的是应具有足够的强度和一定的厚度，以抵抗车轮荷载作用下板内产生的弯拉 应力，首先，混凝土路面板的弹性模量及力学强度大大高于基层和土基的相应 模量和强度；其次，混凝土的抗弯拉强度远小于抗压强度，约为其1 6 l 7 ， 因此，决定水泥混凝土板尺寸的强度指标是抗弯拉应力，由于混凝土板与基层 或土基之间的摩擦力一般不大，刚性路面存在有接缝，所以在力学图式上把水 泥混凝土路面结构看作是弹性地基板，它的分析采用板体理论，一般不用层状 理论，混凝土路面是以水泥混凝土板作为主要承受荷载的结构层，应力在其内 部沿深度消散很快，而基层承受的应力很小，起着支承作用。 在车轮荷载的作用下，板内产生的弯拉应力随板的部位变化而变化，荷载 应力分析表明，板中应力仅为边缘应力的2 3 7 1 ，因此，在混凝土强度一致的 情况下，路面板应采用边厚中薄的断面型式才能与荷载应力的大小相适应，然 而，断面厚度变化的板，施工时非常不便，而且实践表明，断面变化转折处易 断裂破坏，因此，我国规范规定板的横断面一般宜采用等厚式，当板的接缝传 荷能力较好时，可以以板中应力控制板厚的设计，否则应以板边应力控制板厚 设计。水泥混凝土路面形式及其工作特性，决定了对路面混凝土的基本要求， 水泥混凝土路面板是一种长度和宽度比其厚度大得多，并有地基支承的薄形结 构物，它不仅在交通荷载作用下会产生较大的弯拉应力，而且由于常年裸露在 自然环境之中，当大气温度、湿度及地基的水温状况变化时，会引起胀缩和翘 曲现象，这种胀缩和翘曲受阻时，也会产生较大的弯拉应力，因此，要求路面 第2 章混凝土的腐蚀类型和破坏机理 混凝土有较高的抗弯拉强度、较低的弹性模量及膨胀系数。 混凝土路面还承受行驶车辆的摩擦、冲击和震动，且长期经受风雨、日晒 以及寒冷地区的反复冻融作用阳，因此，要求路面混凝土还应具有耐磨、耐冻、 耐冲击和耐震动等良好的耐久性能，水泥混凝土路面的磨损是一个复杂的物理 力学过程，就通常的车辆磨损条件而言，路面混凝土的主要磨损形式是疲劳磨 损和磨粒磨损，提高路面混凝土抗磨损能力的措施，就是提高混凝土的断裂韧 性，降低脆性，减少原生缺陷，提高硬度或降低弹性模量。此外，为便于浇捣 混凝土时的施工操作，要求混凝土具有良好的和易性，混凝土拌和物在施工拌 和、运输、浇筑、捣实和抹面过程中不分层、不离析、不泌水，能均匀密实填 充在结构物模板内，即具有良好的工作性，符合施工的要求，此外，也应具有 合理的经济性。 2 2 水泥类材料的腐蚀机理 水泥类材料的腐蚀主要有下列两种：一是按介质分类，可分为硫酸盐腐蚀、 海水腐蚀、土壤腐蚀等；二是按腐蚀的形态分类，可分为溶出型腐蚀、分解型 腐蚀、膨胀型腐蚀。 但是水泥类材料在实际工程中的腐蚀，往往是多种类型复合的腐蚀。 2 2 1 溶出型腐蚀 溶出型腐蚀的产生，主要是由于水泥石中的水化物c a ( o h ) ：被溶解和洗出， 当混凝土中的c a o 损失达3 2 时，混凝土就会被破坏，在水泥石液相中，当石 灰含量超过极限浓度的一定数量时，水泥石的主要组分( 水化硅酸钙、水化铝酸 钙和氢氧化钙) 才能稳定存在于固相中，与液态形成平衡状态，当水泥石被水冲 洗或渗滤时，水泥石中所含氢氧化钙及可溶性水化铝酸钙受物理性的溶解而排 出，使水泥石的c a ( o h ) ：浓度降低，p h 值同时下降，此时，水泥石液相中的c a ( o h ) 。 浓度必须得到补偿，水化硅酸盐，水化铝酸盐发生水解，析出c a o 生成结合性 产物( 硅酸、氢氧化铝、氢氧化铁) ，导致水泥石强度降低和腐蚀破坏m 1 。 水可分为软水、硬水，其中含有c a ( h c o 。) ：或m g ( h c o 。) 。的是硬水嘲，它能 把水泥石中的c a ( o h ) 。变成c a c o 。沉淀下来，使水泥石密实；软水可以溶解 第2 章混凝土的腐蚀类型和破坏机理 c a ( 0 h ) ：，不但能使水泥石表层碳化，而且还会溶解水泥石表面已形成的碳酸盐 膜层，因此对水泥石产生溶出型腐蚀的水主要是软水。 影响溶出型腐蚀速度的主要因素是呻1 ：水的冲洗条件，水泥石表面水体的更 换条件、水体的压力，水体中含有影响c a ( o h ) 。溶解度的物质数量。 2 2 2 分解型腐蚀 分解型腐蚀的主要特征是：腐蚀介质中的离子与水泥石中的离子进行交执 作用，破坏了水泥石中的液相碱度平衡，使固相石灰溶解，使水化硅酸盐和水 化铝酸盐水解，水泥石分解型腐蚀的最终产物是硅酸凝胶、钙盐和铝盐，水泥 石腐蚀产物的性质，可以表示出介质的腐蚀程度，若腐蚀产物无粘结性，罗醍 够的密实性，而且属于可溶性的，则腐蚀速度快，此时腐蚀介质很容易向水泥 石的深部发展，水泥石的结构将很快地被破坏。 在工程中经常遇到的分解型腐蚀有酸性溶液( p h 值 a i 盐水 a 3 ；从质量损失角度看( 图 4 1 2 、图4 1 3 ) ，按抗冻性能的优劣排序如下：，a i 清水 a 3 a i 盐水；再从同种 试件，在不同坏境下进行对比分析，首先对普通试件a 0 在清水、盐水中对比， 从相对动弹性模量角度明显可以看出：a o 清水 a o 盐水( 图4 i 0 ) ，从质量损 失角度明显可以看出：a o 清水 a o 盐水( 图4 1 2 ) ；再来分析加入i 类引，气萧的 a l ，从相对动弹性模量角度可以看出二者比较接近：a 1 清水 a i 盐水 a i 盐水( 图4 1 2 ) 。通过对a 0 、a 1 两 组试件在清水与盐水中对比，发现无论掺与不掺外加剂，混凝土试件在清水中 的抗冻性能都明显强于在盐水中的抗冻性，因此，盐冻对混凝土的腐蚀作用更 大，由此可知，撒盐除冰是引起路面破坏的主要因素。 通过掺入不同外加剂的混凝土试件作冻融实验，比较在相同条件下各种引 气剂抗冻性能的差异，从试验中可以比较出i 类及i i 类引气剂的引气效果比较 好。由于意外的原因，冻融实验机的循环水出现故障，试验因故中断，这批试 件被迫作废，但这次试验为下一次的试验提供了宝贵的经验，一方面优选出i 类及i i 类引气剂，另一方面由于未加入减水剂，发现部分试件的和易性不良， 尤其是加硅粉的试件，很难振捣成型，这是由硅粉的物理性质决定的，硅粉对 混凝土的和易性影响很大，因此在以后的实验中加入了高效减水剂。 2 第二次冻融试验 在做第一批试件的同时，因为预见到普通试件a o 会很快退出循环，并且冻 融循环的周期较长，考虑到试验设备条件及试验周期，同时为了节省时间，因 此替换掉冻坏的试件，同时放入了第二批试件，在以前试验的基础上加入了高 效减水剂( 0 7 5 ) ，引气剂的剂量加倍，重新打了四组试件，分别加入i 类、i i 类、i 类、类引气剂及硅粉，然后放入盐水( 3 o ) 中继续做冻融试验，比较 一下引气剂掺量的增加对混凝土抗冻性的影响，第二次冻融循环混凝土配合比 设计如表4 1 2 。 表4 1 2 第二次冻融循环混凝土配合比设计 编号 砂( k g )碎石( k g )水泥( k g )水( k g ) 外加剂及掺量备注 b 15 3 51 2 5 54 7 51 9 5i 类0 2 c 4 0 盐水 b 25 3 51 2 5 54 7 51 9 5 类 0 0 2 3 c 4 0 盐水 b 35 3 51 2 5 54 7 51 9 5类0 0 3 c 4 0 盐水 第4 章普通的混凝土耐久性能研究 第二批试件做到了第7 7 次( 即第一批试件做到第1 8 5 次的同时) ，此时b 4 只做到了第5 3 次，试验机控制系统出现了故障，试验中断，对第二次冻融试量 的数据进行处理，作图如下： 奢 删 璐 望 器 捋 韶 晕 2 0 o o 8 0 6 0 4 0 2 0 0 2 墓15 醅 耄 ， 罂o s 0 j j ：、j 蠢j ? 一一? 一 二! j 蔓” 2 55 3 冻融循环次数 图41 4 第二次冻睦循环次数与相对动弹性模量的关系 萋；驻黧繇蒜黼爨鬻誊戳囊i 臻i 豢 j ；蕊鬃藏滋溺嚣缀瑟瑟篱蘸剿 瓣麟懑燃l 鬻黧鎏l | 黪鬻蓥鬻2 1 i 慧疆爹；罗簟尊。? 。誊蚜黧霞警1 02 55 3 7 j 冻融循环次数 圈41 5 第二次冻融循环欢致与质量损失率的关系 习 司 经过7 7 次的冻融循环，从相对动弹性模量角度看( 圈4 1 4 ) ，b 2 在不足7 6 次时退出冻融循环，说明b 2 的抗冻性较差，不能满足实验的要求，即加入i v 引 第4 章普通的混鞋l 耐久性能研究 气剂的混凝土抗冻性很差，因此，这组试件不再考虑，其余几组试件的抗冻性 相对较好，从相对动弹性模量角度看( 图41 4 ) ，在经过了7 7 次冻融循环后还 都保持在9 0 9 6 p a 上，b 1 、b 3 、b 4 基本一样，从图中难以区分优劣；从质量损失 角度看( 图41 5 ) ，按抗冻性能的优劣排序如下：b 3 b i b 4 。再把b 批数据与a 批数据叠加到一起，因为相对动弹性模量都比较好，故从质量损失角度去比较， 掺入同种g l 气剂试件的图标形状一样，a 批为实心图标，b 批甜空心图标，如图 41 6 所示，首先比较a 1 与b 1 ，即b 1 a t ，说明i 类引气剂的弃q 量加倍后，抗 冻性反而下降了；再来比较a 2 、b 3 ，二者基本一样，说明珊类引气剂的剂量加 倍后，抗冻性没有明显的提高；最后比较a 3 、b 4 ，即b 4 a 3 ，说明1 i 类引气剂 的剂量加倍后，抗冻性反而下降了。 童i5 瑚 耋 t 犁o s 0 o2 55 07 51 0 0 1 2 51 5 0i7 5 冻融循环次数 圈4 1 6 第一、二次冻融循环狄数与质量损失率的关系 综上所述，对于同种外加荆，在掺量的不同情况下，引气剂加倍后，抗冻 性能没有明显的提高，并且由于引气剂的增加，引起含气量的提高，强度就会 降低，由此可见，通过增加掺量的办法来提高抗冻性的效果并不理想，从前两 次冻融试验的结果综合来看，i 类、i i 类引气剂抗冻性能稳定，引气剂的掺量 以第一次冻融试验为准，另外在第二次试验时，加入减水剂后，和易性明显 提高，因此建议以后的试验，加入减水剂，再进行试验，并比较不同水灰比的 影响。由于试验中断，第二批试件也同时退出了循环，但从前两次试验中也发 现了一些问题，在做相对动弹性模量试验时，发现用动弹仪的触头直接接触试 件的表面( 试件的侧面) ，在经历了几十个冻融循环后，试件的表面已经变得粗 糙了，细骨料已脱落，粗骨料表面已变得凹凸不平，使测量时动弹仪触点与试 第4 章普通的混凝士耐久性能研究 件表面接触不良，所测得的部分试验数据中频率有些漂浮不稳定，一方面增加 了测量的难度，另一方面使获得的数据不可靠，预测曲线的趋势线偏差较大。 4 4 混凝土的抗渗性试验 。本试验主要用于检测混凝土硬化后的防水性能，以测定其抗渗标号，标准 试件为上口直径1 7 5 r a m ，下口直径1 8 5 r a m ，高1 5 0 r a m 的圆柱体，每组试件6 个， 试件成型后2 4 h 拆模，用钢丝刷刷净两端面水泥浆膜，标准养护龄期为2 8 d 。 如试验过程中，水从试件周边渗出，说明密封不好，要重新密封，试验时，水 压从0 2 m p a 开始，每隔8 h 增加水压0 1 m p a ，并随时注意观察试件端面的情况， 一直加压至6 个试件中有3 个试件表面开始渗水，记下此时的水压力，即可停 止试验。 混凝土的抗渗标号以每组6 个试件中4 个未发现有渗水现象时的最大水压 力表示，抗渗标号按下式计算： s ：1 0 h 一1( 4 7 ) 式中：s 一混凝土抗渗标号； h 一第三个试件开始有渗水时的最大水压力( m p a ) 。 本试验在石家庄市道路桥梁检测中心进行，由于抗渗试模的数量只能够打 两组试件，因此分别选中掺加i 类引气剂的混凝土试件c 5 和掺加硅粉的混凝土 试件c 8 ，混凝土的配合比设计如表4 1 3 。 表4 1 3 混凝土的配合比 编标数量水灰砂水泥 硅粉 石 水引气剂类型及减水 号号( l )比 ( k g )( k g )( k g )( k g )( k g )掺量剂( ) c 5c 4 03 00 41 6 31 4 3 53 7 5 65 7 i 类 0 1 2 c 8 c 4 03 0 o 2 9 1 4 91 0 0 8o 9 93 3 6 53 63 在标准养护室内养护后，进行了抗渗试验，试验结果如表4 1 4 表4 1 4 抗渗试验结果 渗水时最大水压( 肝a ) 试验标号结论备注 123456 符合s 1 2 抗渗等检验依据 p 1 2 1 3 1 3 1 3 1 3 1 3 1 3 级的技术指标g b j 8 2 0 3 以上试验结果表明：无论是掺加i 类引气剂的混凝土试件还是掺加硅粉的 第4 章普通的混凝土耐久性能研究 混凝土试件，由于混凝土的内部结构得到了改善，抗渗性都有了明显的提高， 达到s 1 2 抗渗等级的技术标准，具有较高的抗渗性能，能够满足路用混凝土抗 渗耐久性的要求，下面分析一下混凝土的抗渗机理： 1 混凝土在氯化钠溶液中冻融质量损失率的变化 混凝土的质量损失首先由表面剥落引起，可以想象在实际工程中的混凝土， 在浓度很低的除冰盐的作用下，受到自然界温度变化引起的冻结和融化，可以 使混凝土表面严重剥落，实验室的冻结与融化速率是自然环境的数十倍，而鲺 实验室所采用的氯化钠溶液浓度对混凝土抵抗盐剥落最不利，在这种情况下， 混凝土的剥落速度显然要快得多。剥落严重的试件表面会起砂变酥，达到了一 定程度后粗骨料外露，甚至有粗骨料剥落，可见在氯化钠溶液中遭受冻融循环 的混凝土质量损失绝不能忽视，由于混凝土自身的不均匀性，各个面的剥落是 不均匀的。实际上，成型面的剥落比其他面严重，剥落速度是其他面的数倍， 同一个面的剥落程度也不是处处均匀，在缺陷或有孔的部位会产生集年剥落。 2 混凝土在氯化钠溶液中相对动弹性模量的变化 混凝土在冻融循环过程中，相对动弹性模量的变化曲线表明，盐冻虽造成 混凝土表面严重剥落，但相对动弹性模量的下降稍显缓慢，