混凝土的鹽凍破壞及抗鹽凍性改善措施

本文由同濟大學孫振平教授課題組黎碧雲整理

註：本公眾號所發布內容均為課題組原創，轉載或修編時請務必註明出處

1引言

混凝土內部孔隙中的水隨溫度變化而凍結和融化，數次凍融循環後，混凝土內部開始萌生裂紋並逐漸擴展而導致強度下降和彈模降低，即為凍融破壞。當混凝土處於鹽溶液環境時，除了內部損傷外，混凝土表面還會出現明顯的剝蝕，即為鹽凍破壞[1]。

在寒冷地區，為了快速恢復交通，清除路面的積冰積雪，通常採用撒除冰鹽（或稱「融雪劑」）降低水的冰點，融化路面積冰積雪的措施。這不但加劇了路面的凍融破壞程度，還導致在路面過早出現嚴重的鹽凍剝落，使路面破壞提前、加劇。混凝土的鹽凍破壞，成為工程領域和各國研究者長期以來關注的問題。

本文旨在簡要介紹混凝土鹽凍破壞的特徵與典型現象，破壞機理和影響因素，並針對混凝土抗鹽凍性能提出改善措施，希望可為實際工程提供一定的參考價值。

2鹽凍破壞的典型現象與特徵

2.1典型現象

混凝土路面鹽凍破壞的最主要特性是表面剝蝕，從而造成其表面凹凸不平，骨料暴露。鹽凍破壞的現象主要表現在以下幾個方面[2,3]：

1) 這種破壞從表面開始，砂漿層先剝落，然後逐步向內部發展，造成表面骨料暴露，凹凸不平，但剝落層下面的混凝土依然保持堅硬完好，因此採用傳統鑽芯取樣測強的方法查不出破壞原因；

2) 這種破壞發展遠比其他種類的破壞快，非引氣混凝土往往在撒除冰鹽冬季頭1-2場雪就可發生破壞；

3) 在沒有受干擾的破壞部位如橋樑底部，常能看到分層剝蝕的痕迹和白色的鹽結晶體，現場檢驗有鹹味；

4) 在混凝土遭受破壞的截面上，可清楚地看到分層剝蝕的痕迹；

5) 在出現的剝蝕表面及裂紋內可見白色粉末狀NaCl晶體。

圖1混凝土路面鹽凍破壞

2.2特徵

混凝土鹽凍剝蝕破壞的特徵表現在：1）中低鹽濃度情況下破壞最嚴重；2）破壞程度與鹽種類無關；3）破壞速度最快；4）表面存在鹽溶液即引起鹽凍剝蝕破壞。

2.2.1 中低鹽濃度情況下破壞最嚴重

混凝土的硫酸鹽侵蝕、酸溶蝕和鹽結晶破壞等化學侵蝕，都是隨著侵蝕介質濃度的提高，破壞程度加劇。然而，混凝土的鹽凍破壞卻不然，這種破壞並非隨著鹽濃度的提高而加重，而是當鹽濃度呈中低濃度時，破壞最為嚴重[2]。

2.2.2 破壞程度與鹽種類無關

楊全兵[4]通過試驗研究了8種包括無機、有機化學物質的除冰鹽對混凝土鹽凍破壞和化學侵蝕的影響。結果表明：所有能除冰雪的化學物質，不論其化學組成如何，均使混凝土遭受嚴重的鹽凍剝蝕破壞，尚未發現所謂的對混凝土無害的除冰鹽或融雪劑。因此，所有在應用過程中撒除冰鹽的混凝土結構，均須採取防治鹽凍破壞的技術措施。

2.2.3 破壞速度最快

鹽凍條件下混凝土的剝蝕量和剝蝕速度都遠高於單純的水凍混凝土。萬小梅等[5]的試驗研究表明，當凍融循環25次時，鹽凍條件下混凝土的質量損失率為水凍條件下混凝土質量損失率的10倍左右。

2.2.4 表面存在鹽溶液即引起鹽凍剝蝕破壞

當混凝土僅在融化階段與鹽溶液接觸，而受凍階段表面不存在鹽溶液時，不會產生任何剝蝕破壞。也即，若混凝土表面僅存在水時，很難在凍融作用下產生剝蝕破壞。然而，在其它條件相同的條件下，一旦混凝土表面存在鹽溶液，受凍就會立即產生嚴重的剝蝕破壞。這一現象表明，就混凝土鹽凍剝蝕破壞的誘因而言，表面存在鹽溶液比內部存在鹽溶液更重要[2]。

3鹽凍破壞機理

第一個可部分解釋除冰鹽有害作用的理論模型是Powers和Helmuth一起提出的滲透壓理論。但滲透壓理論雖能較好地解釋除冰鹽的有害作用，卻無法合理地解釋混凝土鹽凍破壞的幾個特徵，比如，為什麼中低濃度鹽溶液引起的混凝土鹽凍破壞最嚴重？為什麼受凍時混凝土表面存在鹽溶液即引起鹽凍剝蝕破壞？除冰鹽導致的混凝土鹽凍破壞作用比混凝土單純的水凍融破壞要嚴重得多[6]。

一般認為，在混凝土表面撒除冰鹽，或混凝土內部含有鹽分會降低混凝土內部孔溶液（或表面溶液）的冰點，減少混凝土的凍害，是正效應。但鹽的存在還會產生5個負效應[7]：1)提高飽水度；2)過冷溶液最終結冰將增加破壞作用；3)因鹽濃度差導致的分層結冰將產生應力差；4)撒除冰鹽融化混凝土表面的冰雪時，將引起額外的熱衝擊而產生破壞應力；5)孔內鹽溶液因濃度過飽和產生鹽結晶而形成結晶壓。楊全兵[8]通過試驗測定了溶液結冰壓，結果表明，當凍結溫度明顯低於冰點時，鹽的正效應將失去意義；鹽的第一負效應主要是基於鹽的吸濕性推測出來的，沒有系統的試驗實測數據支持；第二和第三負效應很小，幾乎可忽略，因為鹽凍試驗中鹽濃度較低（3%~5%）；第四和第五負效應在試驗室鹽凍條件下不會發生，第四負效應對現場撒除冰鹽的混凝土設施才有意義，第五負效應只有在鹽濃度較高的鹽湖地區服役的混凝土才會發生。

此外，楊全兵的毛細管吸水飽和度試驗[9]證明，混凝土內部毛細管吸水飽水度和吸水速度隨著NaCl濃度的增加而顯著提高，這是不利的一面。在相同的飽水度下(100%飽水），隨著NaCl濃度的增加，特別是當NaCl質量分數大於6%時，溶液結冰膨脹率和結冰壓顯著降低，這是對減輕凍害有利的一面。正、反兩方面效應的綜合作用可能導致中低濃度鹽溶液結冰壓破壞最嚴重。楊全兵根據實測的混凝土毛細管平衡飽水度計算得到的結冰壓證實了濃度為2%~6%的NaCl溶液將產生最大的結冰壓，解釋了中低濃度NaCl溶液造成凍融破壞最嚴重這一特殊現象。

4影響抗鹽凍性的主要因素及改善抗鹽凍性的措施

4.1孔結構

硬化混凝土的孔結構參數包括孔隙率、孔徑大小、孔徑分布、孔形狀和氣泡間距係數等。孔徑大小決定了混凝土中孔溶液的冰點，一般孔徑越小，冰點越低，成冰率也低，從而減小因結冰引起的對混凝土的破壞，提高混凝土的抗凍性。氣泡參數中最主要的指標是氣泡間距係數L，一般L越小，混凝土抗凍性越好[10]。硬化水泥漿體具有良好的孔結構，尤其是氣泡間距係數，一般認為間距小於0.25mm時，混凝土具有良好的抗凍性[11]。

摻引氣劑能在混凝土拌合過程中引入大量均勻微小穩定的封閉氣泡，這種氣泡在混凝土硬化後仍可保留於硬化體中。大量試驗證明，摻入引氣劑可以改善混凝土的孔結構，從而提高抗凍/鹽凍性能。混凝土引氣成為提高混凝土抗鹽凍剝蝕性能的基本措施。

張輝等[11]通過室內試驗研究了氣孔結構對混凝土抗鹽凍性能的影響規律。其試驗結果表明，通過摻引氣劑為混凝土引入直徑小、獨立存在的氣泡，可以大幅提高混凝土的抗鹽凍性能，氣泡間距係數相比含氣量對混凝土抗鹽凍性的影響更敏感；當新拌混凝土含氣量>6%、硬化混凝土氣泡間距係數

圖2摻引氣劑的混凝土的鹽凍剝蝕量變化

圖3混凝土含氣量與氣泡間距係數的關係

圖4氣泡間距係數與混凝土鹽凍剝蝕的關係

由圖2可見，未摻引氣劑的基準混凝土試件剝蝕量隨鹽凍循環次數的增加而增大，且在鹽凍循環次數超過14時，剝蝕量增大的幅度更大，28個循環後剝蝕量達1.3 kg/m2；含氣量為3.9%的混凝土試件其剝蝕量也隨鹽凍循環次數的增加而增大，但相同鹽凍循環次數情況下的剝蝕量比基準混凝土低得多，28個循環後的剝蝕量只有0.7 kg/m2；含氣量為8%的混凝土試件的剝蝕量更小，28個循環後剝蝕量僅為0.2 kg/m2，只有基準混凝土的1/7。這說明通過引氣的措施，可以大幅提高混凝土的抗鹽凍剝蝕性能。

由圖4可見，隨著氣泡間距係數的不斷減小，混凝土試件鹽凍剝蝕量迅速減小，當氣泡間距係數從0.4mm減小到0.2mm時，剝蝕量減小了約80%（剝蝕量與間距係數的相關性達到0.93）；當氣泡間距係數在0.18mm以下時，其對混凝土鹽凍剝蝕性能的影響鈍化。

4.2水膠比

混凝土鹽凍破壞的根本原因是含有可凍水，將因結冰膨脹和結晶膨脹產生結冰、結晶壓力，當膨脹力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土將產生破壞。水膠比增大時，毛細管數量、孔徑和可凍水量均增加，混凝土的整體性能降低，抗鹽凍性能降低。因此，水膠比是控制混凝土抗鹽凍性能的關鍵因素。

申力濤[12]通過摻加高效減水劑的措施來降低水泥混凝土的水灰比，研究了水灰比在0.32~0.40範圍內時，水泥混凝土的水灰比對抗鹽凍性能的影響。結果顯示，水泥混凝土試件的鹽凍剝落量隨水灰比的增大而逐漸增加，說明試件在鹽凍過程中剝蝕破壞逐漸加劇，抗鹽凍剝蝕性能逐漸降低。分析認為，其主要原因在於，隨著水灰比的不斷增大，試件內部的孔隙率逐漸增大，開口孔隙數量逐漸增多，使較多的鹽溶液滲入水泥混凝土內部，發生結晶膨脹，導致剝落量增加。孫叢濤等[13]的試驗結果也表明，隨著水膠比的增大，混凝土試件的抗鹽凍循環次數逐漸減少，當水膠比增大到一定程度，試件的抗鹽凍循環次數會急劇下降。

4.3礦物摻合料

礦物摻合料通過各自的效應和作用改變混凝土的微觀結構，從而影響混凝土的抗鹽凍性能。摻加適量的粉煤灰、硅灰和礦渣粉等礦物摻合料可以減少硬化水泥漿體中的大孔而增加小孔，細化孔徑並改善其孔徑分布。礦物摻合料還可以填充到粗細骨料及水泥顆粒的孔隙之中，提高混凝土的密實度，從而提高其強度及抗鹽凍性能。

張愛蓮等[14]研究了礦物摻合料單摻和復摻情況下的混凝土抗鹽凍性能。結果表明：單摻礦物摻合料的56次耐單面鹽凍順序是硅灰>粉煤灰>礦渣粉；復摻礦物摻合料的56次耐單面鹽凍順序是硅灰+礦渣粉>硅灰+粉煤灰>礦渣粉+粉煤灰。復摻礦物摻合料混凝土的單面抗鹽凍性均大大優於單摻礦物摻合料的抗鹽凍性。張雲清等[15]的試驗結果表明，對於摻硅灰的HPC，當水膠比小於0.31時，氣泡結構特徵不再是影響其抗鹽凍性的主要因素，即使不添加引氣劑，這種混凝土也具有較高的抗鹽凍性能。

4.4其他

混凝土的表面剝落特性取決於滲透性或表面層的抗飽和能力，對混凝土進行表面處理可提高其抗鹽凍剝蝕性能。

朱方之等[16]通過試驗比較了不同混凝土的抗鹽凍剝蝕能力。其結果顯示：外塗防水混凝土≈引氣混凝土>內摻防水混凝土≈非引氣混凝土。他們發現，外塗硅烷凝膠製作的防水混凝土，混凝土內部粗細骨料與膠凝體系界面強度沒有受到影響，憎水層能夠大幅度降低表層混凝土對外部鹽溶液的吸收能力和水飽和度，減小凍結融解過程中的靜水壓和壓力差，從而提高其抗鹽凍剝蝕的能力。對有凍融損傷的混凝土進行表面處理，再鹽凍時剝蝕的速率得以延緩，剝蝕量降低。他們根據這一試驗結果認為：在北方寒冷地區，尤其是除冰鹽環境下，外塗硅烷表面處理對混凝土進行防護，是十分必要的「附加措施」。

5 結語

經過過去數十年的研究工作，混凝土的鹽凍破壞的現象和機理越加明晰，試驗方法更加可靠。然而，目前仍缺乏被普遍認可的統一的試驗方法標準，不同地區的研究者採用各自的試驗方法，所得結論難以進行科學的對比。同時，目前大多數的試驗研究僅停留在單一條件下混凝土的抗鹽凍性研究上，僅能反映材料本身的性能。而混凝土作為一種結構材料，服役環境往往十分複雜，多因素耦合下的鹽凍研究領域將成為熱點。

因此，儘快提出貼近實際服役環境的混凝土抗鹽凍試驗方法迫在眉睫。

參考文獻

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