混凝土盐冻破坏机理分析

轩倩茹

(新疆农业大学 交通与物流工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052)

0 前 言

混凝土已被广泛利用在公路、桥梁、房建、厂房和海港码头等工程中,并且具有稳定的材料供应,成本效益高等,但是与此同时，混凝土耐久性问题也一直存在。国内外许多专家学者在混凝土抗冻性方面做了许多研究,也产生很多优秀的理论和经验,但是我国由于地理气候的不同,不同地区温差大,对混凝土的研究侧重点也不同,对于一些寒冷地区，混凝土耐久性多是研究其冻融性,却忽略了混凝土的抗盐冻性。我国的西北地区盐渍土分布较广,盐湖较多,在这些地区,大量的混凝土结构变质,使用寿命大大缩短,其主要原因是硫酸盐攻击和冻融损伤。因此,研究混凝土的盐冻损伤机理有助于西北地区基础设施的快速发展。

1 盐冻产生原因及危害

1)对于西北严寒地区来说,盐渍土的分布范围较广,混凝土长期暴露于恶劣环境条件下,受到盐冻侵害的影响也较大。盐渍土壤是一种含有一定数量可溶性盐的土壤,例如石膏、芒硝和岩盐(硫酸盐或氯化物)。由于存在可溶性盐,盐渍土壤对混凝土具有侵蚀作用。盐渍土壤中的氯离子可以渗透到钢筋混凝土结构中,当氯离子含量达到临界水平,会损坏钢筋表面上的氧化物薄膜,最终导致钢筋腐蚀。此外,盐渍土壤中的硫酸根离子也会腐蚀混凝土导致混凝土损坏。对于道路与桥梁方面来说盐渍土中的硫酸盐对混凝土腐蚀影响更大一些。

2)由于冬季下雪频繁,特别是一些严寒地区气温变化较大的城市,有些城市一年之中有将近6个月时间都处于冰雪覆盖的情况,每年的降雪量大、积雪厚、堆积时间长,为了不影响市民的正常通行,很多地区都采用实验除冰盐和融雪剂来清除路面桥梁的积雪,从而导致混凝土不断处于冰冻和解冻干湿循环之下,很快便会发生盐冻破坏,带来很多财产损失。一些机场跑道采用的则是喷洒除冰液来方便扫雪车清除跑道积雪。其中除冰盐和融雪剂通常都是氯盐类融雪剂,而除冰液价格较贵,由醋酸盐、甲酸盐组成。大量融雪剂的使用导致路面和桥梁表面氯离子浓度增加,可能导致混凝土表面脱落,损坏混凝土内部结构,降低混凝土耐久性。融雪剂的使用对周围环境也会产生坏的影响,融雪剂中的一些有害离子随着雪水融入地下排水系统,对地下水造成污染,还会污染地下土质,破坏环境。

2 盐冻破坏机理研究

混凝土的抗盐冻性是评价混凝土耐久性的一个重要指标,国内外对混凝土抗冻性的研究开始于20世纪40年代初,许多国内外学者对混凝土冻融破坏机理提出了很多理论,其中静水压假说和渗透压假说最为有名,得到了诸多专家学者的认可,经过时间的验证,这两种理论得到了进一步的发展,对研究混凝土冻融循环破坏有很好的借鉴意义,之后杨全兵教授又提出在盐冻环境下混凝土的破坏机理。

静水压假说由T.C.Powers在1945年首次提出,他认为混凝土内部水结冰引起体积膨胀从而导致未结冰的水向外移动产生静水压力,该压力对混凝土内部有破坏作用从而引起混凝土冻融破坏。但是该理论也有不足之处,比如无法解释当水泥混凝土处于受冻却不会引起混凝土体积膨胀的液体中却仍然产生冻融破环的现象。不久之后，T.C.Powers又联合Helmuth一起提出了渗透压理论,该理论指出由于毛细孔孔径的差异产生了大孔径先行结冰之后小孔径再结冰的现象,从而导致不同孔径之间产生浓度差,迫使结冰的水向结冰处迁移产生渗透压,造成混凝土质量损失。

同济大学的杨全兵在混凝土盐冻破坏机理(Ⅰ)-毛细管饱水度和结冰压一文中研究了NaCl溶液对毛细管饱水度和结冰压的影响，提出盐虽然可以降低溶液的冰点,但是NaCl溶液浓度的增加可以提高混凝土的饱水度，即含氯离子的混凝土达到临界饱水度的时间缩短。这也是混凝土受盐冻破坏的主要原因之一,另外实验结果表明，在盐溶液内质量浓度在2%～4%时,将产生最大的结冰压,这也很好地解释了为什么中浓度盐溶液对混凝土破坏最严重。

Lei Jiang将掺有20%粉煤灰的混凝土放置于5%硫酸钠溶液和5%硫酸镁溶液两种溶液中进行混凝土冻融实验,实验过程中发现：一方面，冻融循环减缓了硫酸盐离子在混凝土中的扩散；另一方面,硫酸盐加速了混凝土中微裂纹的形成,从而导致冻融破坏。此外,混凝土的抗压强度损失和相对动弹模量损失在最初的冻融循环中,硫酸钠溶液中的混凝土小于水中的混凝土质量损失,但是在以后的试验中,混凝土损失更为严重。

3 防治措施

水泥混凝土受盐冻破坏的原因是混凝土受盐溶液侵蚀并随着冻融循环次数的增加便会产生裂缝,强度降低和造成破坏。若要提高混凝土抗盐冻性，可以通过以下措施实现。

1)通过减少水胶比来提高混凝土的抗冻性能,通过增加的水泥用量,提高混凝土的密实度,混凝土密实度是影响混凝土耐久性的主要因素。这种方法由T.C.Powers最早提出,他提到了关于水在毛细孔中冻结并产生水的静水压力,随着孔隙水结冰造成混凝土体积膨胀，而通过减少水胶比,混凝土内部的毛细管数量、气泡数量和间距均有所减少,从而结晶水减少,混凝土盐冻损坏降低。

2)目前,许多学者已经研究出加入引气剂可以有效提高混凝土的抗冻性。对于普通混凝土,掺入一定量的引气剂使含气量达到3%～5%,可明显提高其抗冻融性。引气剂的加入可以降低水的表面张力和界面能,使混凝土在搅拌过程中产生许多微小均匀的封闭气泡,这些微小的气泡占据了混凝土内部空隙,阻隔了毛细管通道,提高了抗渗性,使得其吸水率减小也就提高了抗冻性能。

3)一些学者认为加入硅粉或其他高活性火山灰掺合料可以有效地提高混凝土耐久性(抗盐冻性)。为了有效利用硅粉,还必须引入一种有效的聚羧酸类高效减水剂。减水剂的掺入,显著地改善了水泥混凝土的孔结构,使水泥混凝土的密实度提高,透水性降低,从而提高抗渗、抗冻、抗化学腐蚀及防锈蚀等能力。

4 结 论

随着国内外对混凝土抗盐冻性的研究力度的加大,现在已经研发出一些高效环保的除冰盐比如醋酸盐、甲酸盐等,但是价格普遍较高,对于一些需求量大的除雪工作,比如街道除雪,则不会采取此种盐来除雪，所以还需要研发出一种价格低并且环保高效型的除冰盐来供选择。此外,目前有关对盐冻的研究总是考虑单一元素对混凝土结构的损伤,却没有考虑到混凝土实际所处环境复杂恶劣，很有可能出现冻融破坏的原因是若干个元素的结合导致,比如几种盐类共同作用,在冻融循环下混凝土的损伤情况以及不同盐溶液的浓度,在单一溶液以及多溶液情况下混凝土的质量变化又会有什么不同。因此，目前的理论仍有许多不足,还需要更多的实验研究来为实际工程提供理论支持。

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