水灰比对水泥混凝土抗盐冻性能影响分析

申力涛

（山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原 030006）

我国东北、华北及西北地区，由于地理位置原因，冬季经常出现雨雪天气，造成路面积雪结冰，对交通造成一定的影响，为提高路面冰雪天气下车辆通行率，降低道路行驶隐患，市政工程主管单位常通过喷撒除冰盐（融雪剂）的方法对积雪结冰路面进行融雪除冰作业，此方法虽能快速融雪除冰，提高道路车辆通行效率，但对路面造成的后期破坏也是极其严重的，除冰盐（融雪剂）通过降低冰雪融点，使冰雪融化，达到开放交通目标，但融化后的除冰盐溶液渗入到水泥混凝土缝隙中，经过冻融循环后，水泥混凝土会发生严重的剥蚀破坏，其速率与严重程度要远远高于常规冻融破坏，有关资料显示，当喷撒除冰盐（融雪剂）进行融冰除雪后，水泥混凝土经过一个冬季的破坏程度可达到常规冻融破坏的4～5倍。

图1 水泥混凝土发生盐冻剥蚀破坏

由图1可知，除冰盐（融雪剂）对水泥混凝土造成的盐冻剥蚀破坏不仅危及水泥混凝土建筑物结构安全，降低其服役寿命，而且对其造成的破坏进行维修也将花费大量的人力、物力和财力，维修过程中需要中断或者对交通进行管制，对群众的日常出行造成不便[1-4]。参考国内外对除冰盐（融雪剂）造成的水泥混凝土剥蚀破坏研究资料得知，水泥混凝土抗盐冻剥蚀性能主要受5个因素影响：a）水灰比；b）含气量；c）饱水度；d）水泥混凝土原料质量；e）冻融破坏前龄期[5-8]。目前我国对水泥混凝土抗盐冻剥蚀性能不够重视，仍偏重于水泥混凝土力学性能方面，加之施工管理的粗放及施工人员素质普遍低下的现状，在施工过程中不能对水泥混凝土水灰比进行有效控制，从而造成水泥混凝土建筑物在喷撒除冰盐（融雪剂）后一个冬季就发生严重的剥蚀破坏。本文通过调整水泥混凝土水灰比，研究分析了在不同水灰比条件下水泥混凝土抗盐冻剥蚀破坏性能的变化规律，以便为今后的水泥混凝土结构设计和施工提供技术指导。

1 试验原材料及方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥

本次研究选用唐山冀东水泥有限公司生产的P.O42.5级水泥，其物理力学性能指标检测结果见表1。

表1 水泥物理力学性能指标检测结果

1.1.2 粗集料

本次研究所用粗集料由山西喜跃发路桥建筑材料有限公司提供的三档石料掺配组成，其中大中小石料的掺配比例为3∶1∶1，粒径范围为4.75～26.5 mm，石料的级配曲线图见图2。

图2 石料级配曲线图

1.1.3 细集料

本次试验用细集料由山西喜跃发路桥建筑材料有限公司提供，筛分结果达到JTG F30—2003《公路水泥混凝土路面施工技术规范》相关规定的要求，详见图3。

图3 河砂级配曲线图

1.1.4 水及减水剂

水为饮用水；减水剂为苏州市兴邦化学建材有限公司生产的PC-1018型聚羧酸减水剂。

1.2 试验方法

1.2.1 试件制作

为了便于试验操作，本次试验模具采用直径250 mm的PVC管材，高度为75 mm，底面放置木板并涂刷脱模剂，按设计的配合比进行搅拌并装入模具，在振实台振动30 s左右至表面出浆，然后对试件表面进行拉毛工艺处理，模拟实际水泥混凝土路面施工过程中表面处理方式。24 h后拆除底置木板，将水泥混凝土试件连带PVC模具共同养护24 d后，放入20℃水中养护4 d。

图4 水泥混凝土盐冻剥蚀试件成型

1.2.2 盐冻方法

实际盐冻过程中，除冰盐（融雪剂）溶液都是与水泥混凝土成型面接触，因此本次试验研究采用试件倒置的方法，将试件的成型面翻转浸泡在配制的3%氯化钠盐溶液中，浸入深度为4～6 mm[9]。

图5 水泥混凝土试件盐冻剥蚀试验示意图

1.2.3 盐冻循环制度

参考国内外相关资料后，选取快速盐冻试验方法来进行本次试验，以达到快速评价的目的，设置的冻融循环制度见图6。

图6 水泥混凝土盐冻剥蚀循环制度图

a）一次完整的盐冻循环合计为8个小时，其中每个周期内前3 h为温度降低阶段，由20℃降至-25℃，然后低温保持1 h，4～7 h为温度上升阶段，由-25℃升至20℃，保温1 h，每天可完成3次盐冻循环。

b）每完成5个盐冻循环后，将试件表面进行清洗，收集剥落的水泥混凝土颗粒，试件控制在45 min内完成。

1.2.4 剥落量测试方法

表层的水泥砂浆剥落是水泥混凝土盐冻剥蚀破坏的典型现象，从而造成试件表面粗骨料裸露，凹凸不平。本次研究采用单位面积剥落物质量作为水泥混凝土抗盐冻剥蚀性能指标，即在完成预先设定的盐冻循环过程后，将试件放入超声波清洗剂进行清洗，同时用小毛刷将试件表面的小颗粒一同收集，然后将剥落物放入烘箱内105℃烘干至恒重进行称量。

图7 剥落物清洗及收集

2 混凝土配合比设计

参照相关研究资料，本次研究进行了5种不同水灰比的盐冻对比试验，由于实验过程中混凝土试件盐冻剥落物主要是表层的水泥砂浆，因此配合比设计过程中遵循固定水泥浆体积的原则进行设计，详见表2。

表2 水泥混凝土盐冻剥蚀试件配合比统计表

3 剥落量测试

按表2设计的配合比进行水泥混凝土试件制作并养护，养护结束后将试件放入试验机内进行盐冻试验，每完成5个盐冻循环后，对剥落物进行收集及烘干称量，称量结果及变化规律曲线详见表3和图8。

表3 水泥混凝土试件剥落物质量统计表 g

图8 水泥混凝土试件盐冻循环剥落量变化规律曲线

由表3和图8可知，水泥混凝土试件的盐冻剥落量随水灰比的提高而逐渐增大，说明试件在盐冻过程中剥蚀破坏逐渐变得严重，抗盐冻剥蚀性能逐渐降低，分析主要原因是随着水灰比不断提高，试件内部的空隙率逐渐增大，开口空隙数量逐渐增多，使较多的盐溶液渗入水泥混凝土内部，发生结晶膨胀，导致剥落量增加。

4 结论

由本次研究结果可知，水灰比大小对水泥混凝土抗盐冻剥蚀性能有决定性影响，采用高效减水剂来降低水泥混凝土水灰比，可显著提高其抗盐冻剥蚀破坏能力，从而提高其耐久性，因此建议在水泥混凝土结构设计及施工过程中，在满足水泥混凝土工作性的前提下，尽可能降低水灰比，提高水泥混凝土结构物的密实度，降低空隙率，减少盐溶液渗入水泥混凝土孔通道，从而达到提高水泥混凝土抗盐冻剥蚀破坏的能力。