结构混凝土抗冻耐久性关键技术研究

付廷顺　裴国德

摘要：我国东北地区的大多混凝土路面板、桥面板、机场跑道及其他混凝土结构暴露在严酷低温环境及除冰盐环境下，均面临着由冻融循环产生的内部开裂和除冰盐环境下冻结产生的表面剥蚀问题。文章就鹤大高速公路项目如何提高混凝土抗冻耐久性、降低上述问题的危害进行了相关研究。

关键词：结构混凝土；抗冻耐久性；掺和料；混凝土路面；高速公路项目 文献标识码：A

中图分类号：TU528 文章编号：1009-2374（2016）28-0097-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.049

我国东北地区气温低、温差大、大风多，且暴露在盐冻环境下，导致无法形成结构抗冻耐久性的问题有两个，即由冻融循环产生的内部开裂和除冰盐环境下冻结产生的表面剥蚀。因此本文依托鹤大高速公路C1合同段ZT07标段的隧道和桥梁相关结构，做了部分实践性研究工作。

1 导致混凝土受冻害的因素

1.1 新拌水泥混凝土的受冻害因素

由于新拌混凝土具有低强度、含水多和孔隙率高的特点，因此在冻胀破坏特别容易在新拌混凝土中出现。而冻胀破坏的外观特征主要表现为冰夹层容易产生于材料体内，于热流方向上彼此平行而垂直。

1.2 成品混凝土受冻害的影响因素

凝胶孔、毛细孔及气泡是混凝土构件中的孔径形式，其在某一固定负温下只有少部分的水分是可冻水，可冻水变成冰所增加的体积而产生的应力就是冰冻破坏力。

1.3 除冰盐环境下的冻融破坏机理及特征

（1）由于具有除冰盐，因此混凝土内增加了渗透压，导致饱水程度的提高，而结冰后的孔隙内压力也随着增大，从而加剧了混凝土的冰冻破坏；（2）毛细孔中结冰产生内应力主要是受到盐的作用而产生，因此导致混凝土分层结冰程度的差异，从而产生了应力差等，使混凝土层剥离；（3）由于除冰盐的存在导致混凝土所承受的冻融循环次数增加，使混凝土的寿命严重透支，进而加剧了冻融破坏程度。

盐冻的破坏特征为扩展是从表面逐步向内部的。其表面砂浆剥落、骨料暴露，但剥蚀层下的混凝土基本保持坚硬完好，并可在遭受破坏的截面上看到分层剥蚀的痕迹；盐冻破坏过程非常短暂，若混凝土未采取掺引气剂等提高其抗冻耐久性的措施，则无论多大标号的混凝土，使用数个冬季即可发生剥蚀破坏现象，且在剥蚀的混凝土表面，常可看到白色的NaCl和GaCl2晶体。

2 应用部位及试验研究

2.1 应用部位

隧道二次衬砌、桥梁护栏底座等外露混凝土。

2.2 试验用原材料

本项目所采用的材料均是从多家供应商择优录用，并严格按照批次进行样品检验，经过检验合格后，方可批量进场投入生产使用。

矿粉：金刚（集团）白山水泥有限公司S95级矿粉；硅粉：长春司奥科技有限公司SF93型硅粉，必检项目合格；细骨料：敦化市大蒲柴恒瑞砂场河砂；粗骨料：敦化市翰章乡鸿瑞采石场碎石，合成的4.75～31.5mm连续级配；减水剂：北京景鑫忠盛建材有限公司JZ引气型聚羧酸高性能减水剂；膨胀抗裂剂：吉林省盛世达建材科技有限公司CMA三膨胀源膨胀抗裂剂。

2.3 试验用混凝土配合比

依据《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011）和《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011），采用选择合适水泥、骨料、外加剂和优质混合料的方法，以此来降低水胶比、减少孔隙率、增加水化产物和改善混凝土过渡区结构，配制出具有高强度、优良的工作性和耐久性的高性能道面及结构混凝土。

2.4 混凝土抗压强度试验

对上述每个配比混凝土均制作了150mm×150mm×

150mm尺寸的标准立方体抗压强度试件各3组，并经过28d的标准养护后，根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）的规定对其进行了抗压强度检测，试验结果如图1：

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图1 混凝土标准立方体抗压强度试验结果

2.5 混凝土的抗冻性能试验

（1）试件的相对动弹性模量下降到75%；（2）试件质量损失率达到5%；（3）达到300次冻融循环。

只要满足上列条件中的任何一个，即可停止试验。每个配合比的试验结果均为三组试件试验结果的平均值，具有代表性。

3 试验结果分析

第一，未加矿物掺和料的编号为Ⅰ-1、Ⅱ-1和Ⅲ-1的普通混凝土：施工流动性也能满足要求，但是黏聚性、保水性稍差，做面提浆较困难，有离析、泌水现象；Ⅰ-1和Ⅱ-1的抗压强度可满足设计要求，但强度储备偏少，Ⅲ-1的抗压强度则未达到设计要求；Ⅰ-1、Ⅱ-1和Ⅲ-1的抗冻等级均仅达到F100，无法满足严寒、寒冷地区结构混凝土的抗冻等级要求。

第二，单掺粉煤灰的编号为Ⅰ-2、Ⅱ-2和Ⅲ-2的混凝土：拌合物流动性、粘聚性、保水性都较好，浆体柔和，抗压强度比Ⅰ-1、Ⅱ-1和Ⅲ-1分别均提高7%～10%；抗冻性能均比Ⅰ-1、Ⅱ-1和Ⅲ-1有所提高，其中Ⅱ-2和Ⅲ-2的抗冻等级均提高了两级，达到了F200；粉煤灰与矿粉复掺的编号为Ⅰ-3的混凝土：拌合物流动性良好，特别是黏聚性和保水性得到了极大的改善；标准立方体抗压强度较对比组Ⅰ-1提高了13%；抗冻性能达到了F150，较Ⅰ-1和Ⅰ-2均提高一个抗冻等级；粉煤灰与硅粉复掺的编号为Ⅲ-3的混凝土：拌合物流动性良好，黏聚性和保水性均有较大改善；标准立方体抗压强度较对比组Ⅲ-1提高了10%。

第三，以是否掺膨胀剂为单因子变量，将编号为Ⅰ-4、Ⅱ-3和Ⅲ-4的混凝土作为试验组，编号为Ⅰ-3、Ⅱ-2和Ⅲ-3的混凝土作为对照组进行试验研究，结果发现：掺膨胀剂混凝土的和易性较未掺膨胀剂混凝土差，但仍可满足施工要求；掺膨胀剂混凝土的抗压强度较未掺膨胀剂混凝土无明显变化；掺膨胀剂混凝土的抗抗冻性能较未掺膨胀剂混凝土明显提高，如Ⅲ-4的抗冻等级>F300，较Ⅲ-3至少提高了一个抗冻等级，Ⅱ-3的抗冻等级>F250，较Ⅱ-2至少提高了一个抗冻等级，Ⅰ-4和Ⅰ-3比较，尽管抗冻等级均为F150，无显著变化，这与水胶比较大有关，但质量损失率和相对动弹性模量数据Ⅰ-4较Ⅰ-3有明显改善。

4 结语

（1）掺入适量的优质粉煤灰对混凝土的和易性、匀质性、强度储备和抗冻耐久性均有所提高，但粉煤灰与矿粉或硅粉复掺效果更显著；（2）掺入钙矾石类膨胀剂，在引气的情况下，可明显改善粉煤灰混凝土、粉煤灰与矿粉或硅粉复掺混凝土在除冰盐环境下的抗冻融剥蚀性能；（3）采用低水胶比，恰当引气，单掺粉煤灰或双掺粉煤灰和矿粉或硅粉，且掺入适量钙矾石类膨胀剂的混凝土的长期抗盐冻性能可够满足工程耐久性要求，应大力推广应用。

参考文献

[1] 张国强.混凝土抗盐冻研究[D].清华大学，2005.

[2] 劉勇，等.西北地区道面混凝土早期裂缝防治技术

[J].混凝土，2009，（4）.

[3] 王硕太，马国靖，朱志远，等.高性能道面混凝土配合比设计[J].公路交通科技，2007，（4）.

作者简介：付廷顺（1972-），男，辽宁大连人，中交一航局第三工程有限公司工程师，研究方向：质量管理；裴国德（1972-），男，吉林吉农人，中交一航局第三工程有限公司检测工程师，研究方向：试验检测。

（责任编辑：王 波）