高寒地区桥梁混凝土抗氯离子渗透性能研究

郭寅川，申爱琴，王 剑，赵洪基

（长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064）

新疆果子沟特大桥所处位置属于典型的高寒区域，该地区冬季为了降低路面或桥面的冰点，大量使用除冰盐，使该地区桥梁混凝土受到盐类腐蚀，特别是氯离子大量渗入，从而改变了桥梁水泥混凝土内部组织及结构，严重影响了桥梁的使用性能及耐久性能［1－2］.除冰盐的存在使得盐分伴随着消融的雪水流入桥梁各结构部位，造成冻融环境下盐分在混凝土中迁移，形成除冰盐与冻融耦合状态下的侵蚀破坏，使混凝土构造物表面保护层大面积地起皮和剥落，混凝土变得松散，其内部配筋裸露并受到腐蚀.因此，高寒地区桥梁各结构部位混凝土必须具备良好的抗渗性以及抗氯盐腐蚀性能.

水泥混凝土的抗渗性和抗氯盐腐蚀性能是混凝土耐久性研究中的热点.Saito 等［3］和Izquierdo等［4］研究了混凝土的冻融破坏过程；Picandet等［5］，Feldman等［6］和Marzouk 等［7］对水泥混凝土的氯离子渗透性进行了深入研究.谢友均等［8］研究了矿物掺和料对混凝土氯离子渗透性的影响；洪雷等［9－10］研究了荷载、龄期和冻融循环对混凝土氯离子渗透性的影响；陈妤等［11］，李晔等［12］，洪锦祥等［13］，贡金鑫等［14］则研究了冻融循环对水泥混凝土的损伤和耐久性的影响.以往的研究多集中于普通水泥混凝土的抗渗性、抗氯离子腐蚀或抗冻性等方面，而对高寒区域桥梁混凝土的抗氯离子渗透性研究很少.该区域桥梁混凝土的破坏方式与单纯的冻融破坏方式不同，除冰盐的存在会使混凝土内产生的渗透压增大，饱水度提高，结冰压力增大，从而加剧混凝土的冻融破坏，严重影响桥梁的使用性能和安全性.随着西部高寒地区桥梁基础设施建设的加速，该研究对提高高寒地区这种特殊环境条件下桥梁混凝土的耐久性有着重要的意义.

本文将通过正交试验研究水胶比、粉煤灰掺量、用水量和引气剂掺量等因素对混凝土抗氯离子渗透性能的影响规律，揭示高寒地区桥梁混凝土抗氯离子渗透性能的改善机理，进而提出基于抗氯离子渗透性能的高寒地区耐久性桥梁混凝土配合比设计参数，为高寒地区桥梁混凝土设计提供理论及技术依据.

1 混凝土试验方案设计

1.1 原材料

水泥：天山42.5R 普通硅酸盐水泥；粗集料：果子沟口河漫滩天然卵石；细集料：果子沟口河漫滩天然砂及砂砾；外掺料：奎屯热电厂生产的Ⅰ级粉煤灰；外加剂：新疆天山建材精细化工有限公司生产的FDN－15高效缓凝减水剂和JM－200C型引气剂.

1.2 配合比设计

（1）C50主塔泵送混凝土 主塔为果子沟特大桥最主要的受力结构部分.为保证桥梁的使用寿命与结构安全，其各项耐久性设计指标均较其他桥梁结构部位高，必须满足最不利条件下的耐久性设计值.因此，主塔混凝土的抗氯离子渗透性可按照桥面板抗氯离子渗透性要求进行设计.针对高塔泵送的施工工艺以及索塔混凝土处于大风、日照等冷热干湿循环环境，此处混凝土配合比设计以提高混凝土的工作性、外观质量、抗裂和抗冻性能为原则.结合主塔混凝土耐久性要求及特点，认为水胶比1）本文所涉及的水胶比、掺量等除特别说明外均为质量比或质量分数.mW／mB，粉煤灰掺量wFA，用水量mW和引气剂掺量φA是影响主塔混凝土性能的4个重要因素，这4个参数的选用范围将在很大程度上影响混凝土的各项性能.通过检测不同砂率下新拌混凝土的工作性，确定砂率为43%时其工作性满足设计要求及强度要求.

（2）C40桥墩与桥面板混凝土 冬季除冰盐直接撒布于桥面板上，之后除冰盐又与消融的雪水向下流入桥梁其他结构部位，使得桥墩等下部支撑构造物遭受氯离子腐蚀，造成大面积的腐蚀破坏.同样，C40桥面板与桥墩混凝土配合比正交因素为mW／mB，wFA，mW，φA.通过对不同砂率下混凝土工作性测试，确定砂率为42%.

（3）C30大体积承台混凝土 大体积承台用混凝土的强度等级为C30，泵送高度达60～100m，设计坍落度为160～180mm.结合大体积承台混凝土耐久性设计要求，确定正交因素为mW／mB，wFA，mW，φA.通过对不同砂率下混凝土工作性的测试，确定砂率为43%.

设计的正交因素表与正交试验表见表1，2.

表1 混凝土正交因素表Table 1 Perpendicular factors of concrete

2 抗氯离子渗透性能研究

2.1 试验设备及测试方法

在评价氯离子渗透能力方面，ASTM C1202法是目前应用最为普及的抗氯离子渗透性测评方法，本研究选用浙江绍兴肯特公司生产的KENTCC1202型混凝土氯离子渗透仪进行试验.

具体试验过程为：先将φ100×50mm 的混凝土圆柱型切片试块放入真空室内进行真空饱水处理（24h），然后通过EJU 夹具将其与渗透仪控制器相连接，进行数据采集，监测在6h内通过的电量.试块一边浸入3% NaCl阴极电解液中，另一边浸入1.2% NaOH 阳极电解液中，试验过程中试块两边保持60V 的恒定电压.以库仑表示通过的总电量值，从而表征试块的抗氯离子渗透性能.电通量越大，则氯离子渗透性越大，对混凝土的腐蚀作用也越大，电量标准对比见表3.

表2 正交试验设计表Table 2 Design of orthogonal test

2.2 试验结果

按照上述方法，对果子沟特大桥不同部位C50，C40及C30混凝土56d抗氯离子渗透性进行正交试验，试验结果如表4所示.

2.3 正交试验结果分析

根据正交试验结果，可进行方差分析，从而寻求出对测试指标影响最敏感的因素.根据C50混凝土正交试验结果计算分析的各因素显著性概率F 值见表5（C30，C40混凝土正交试验的方差规律与其基本一致）.由表5分析可知，影响高寒地区混凝土抗氯离子渗透性的因素显著性顺序依次为：水胶比、用水量、粉煤灰掺量、引气剂掺量.其中，水胶比和用水量的影响较为显著.

2.4 试验结果分析

2.4.1 水胶比对氯离子渗透性的影响

分析上述表格可知：水胶比对混凝土抗氯离子渗透性影响最为显著.对于C30 混凝土而言，当水胶比由0.39增大到0.45时，其电通量由1 211.8C增大到1 840.7C，增大约50%；而C40混凝土水胶比由0.34增大到0.40时，其电通量也逐渐提高，增大约30%.由此可知低水胶比有利于提高混凝土抗氯离子渗透性能，较大的水胶比会使混凝土抗氯离子渗透性能明显降低，且水胶比越大，混凝土的抗氯离子渗透性能下降越快.与C30，C40混凝土不同，C50混凝土的水胶比由0.29增大到0.35 时，其电通量有所降低，减小约20%.究其原因，认为试验中C50混凝土选取水胶比较低，混凝土水泥用量较大，导致其水化反应速度较快.快速的水化使得混凝土水化热较高，水的蒸发量和消耗量过大，容易在混凝土内部形成许多微裂纹或连通孔隙.正是这些裂纹或孔隙的存在，导致C50混凝土电通量变化规律的异常及其电通量变化幅度较小的试验结果.但从试验整体情况来看，较低的水胶比使C50混凝土的电通量整体上小于C30和C40混凝土.因此C50混凝土试验结果的异常并不影响得出下列结论：在新疆高寒地区混凝土设计中，应尽量采用较低的水胶比以保证其具有良好的抗氯离子渗透性能.

2.4.2 用水量对氯离子渗透性的影响

由表5可知，用水量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响显著性仅次于水胶比.为了更好地说明不同用水量对混凝土抗氯离子渗透性能影响的差异，固定水泥用量为380kg及粉煤灰掺量为10%，改变用水量，分析对比所测得的电通量，见图1.

表3 电量标准对比表Table 3 Comparison of standard of electricity quantity

表4 桥梁不同部位混凝土氯离子渗透试验结果Table 4 Chloride ion permeation test result in different parts of bridge concrete

表5 C50混凝土方差分析Table 5 Variance analysis of C50

图1 用水量与电通量的关系Fig.1 Relationship of water content and electric flux

由图1可知：当固定混凝土中水泥用量和粉煤灰掺量时，混凝土的抗氯离子渗透性能随着用水量的增加而降低.因此，为保证高寒地区混凝土具有良好的抗氯离子渗透性能，应采用较低的用水量.当抗渗要求较高时，用水量应低于150kg／m3；对其他抗渗性要求较低的混凝土构造物，其用水量也不宜过大.固定水泥用量而增加用水量，可以看作是水胶比不断增大的过程，试验结果也进一步证明了过高的水胶比对混凝土的抗氯离子渗透性能不利.因此，合理控制用水量与水泥用量，能较好地提高混凝土的抗氯离子渗透性能.

2.4.3 粉煤灰掺量对氯离子渗透性的影响

综合表2，4可以看出，随着粉煤灰掺量由10%增至30%，混凝土电通量总体呈下降的趋势，即其抗氯离子渗透性逐渐增强.当水胶比低于0.40时，电通量下降的趋势更为明显，如C40，C50混凝土试验数据所示，可见添加粉煤灰能在一定程度上改善混凝土的抗氯离子渗透性能.但由于粉煤灰本身活性较低，掺量持续增大时对混凝土早期强度影响较大.考虑到粉煤灰的火山灰效应能在后期逐渐发挥出来，它在改善混凝土拌和物的工作性、减少混凝土单位用水量的同时，也能减少多余水分在混凝土硬化后形成的较大孔隙，提高混凝土的致密性，因此，在合理控制优质粉煤灰掺量的同时延长混凝土的养护时间，可兼顾混凝土的抗氯离子渗透性能与早期强度.

2.4.4 引气剂掺量对氯离子渗透性的影响

加入引气剂对混凝土抗冻性能的改善效果显著，但对其抗氯离子渗透性能的影响机理还有待深入分析.综合表2和表4可以看出，在4种因素中，引气剂掺量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响最小.大量研究表明，引气剂的掺入能够在混凝土中引入适量的细小均匀且独立而不连通的气泡，有效割断混凝土中的毛细孔通道，防止外界有害物质的侵入，从而增强混凝土的抗氯离子渗透性能.但试验数据表明，过多的含气量会降低混凝土内部的密实性，可能导致混凝土抗氯离子渗透性能的下降.这主要是因为增加引气剂掺量会引入过多的气孔，而这些气孔又难以完全封闭，从而形成连通的孔隙.因此，控制混凝土中的适宜含气量也是提高其抗渗性能的关键.

3 基于抗氯离子渗透性的配合比建议值

综上所述，参考相关耐久性设计规范，同时考虑到新疆南疆寒冷地区及北疆严寒／寒冷地区冻融环境的差异，提出了新疆高寒地区基于抗氯离子渗透性的桥梁混凝土材料组成参数取值范围.桥梁主塔C50，桥面板及桥墩等C40 混凝土及大体积承台C30混凝土的材料组成建议值见表6所示.

表6 高寒地区混凝土抗渗性设计建议值Table 6 Suggestion of design of concrete with resistance to chloride ion permeation in alpine frigid region

4 结论

（1）影响高寒地区混凝土抗氯离子渗透性能的因素显著性顺序依次为：水胶比、用水量、粉煤灰掺量、引气剂掺量.其中，水胶比和用水量的影响较为显著.

（2）低水胶比有利于提高混凝土抗氯离子渗透性能，但水胶比低于0.30时对混凝土抗氯离子渗透性能的改善并不明显，较大的水胶比会使混凝土抗氯离子渗透性能明显降低.

（3）当固定混凝土中水泥用量和粉煤灰掺量时，混凝土的抗氯离子渗透性能随着用水量的增加而降低.当抗渗要求较高时，用水量应低于150kg／m3；对其他抗渗性要求较低的混凝土构造物，其用水量也不宜超过165kg／m3.

（4）根据高寒地区环境特点提出了基于混凝土抗氯离子渗透性能的配合比建议值，并在依托工程——新疆果子沟特大桥项目中取得了良好效果.

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