水闸混凝土盐冻破坏的主要影响因素分析

董建忠

(新疆维吾尔自治区塔里木河流域管理局信息中心，新疆 库尔勒 841000)

0 引言

混凝土盐冻破坏是寒冷气候条件下水闸混凝土结构破坏的主要原因之一[1-2]，可能会导致内部或外部损坏。抗盐冻性取决于冻融循环的数量和频率以及最低温度、盐浓度、混凝土成分、初始养护和龄期[3-4]。

可以采用不同的试验方法，例如板试验或毛细吸盐冻融(CDF)试验来证明不同混凝土成分的抗冻融除盐性能[5]。近年来，人们对这些方法与野外暴露的相关性进行了深入研究。根据不同作者的说法，大多数现有的测试方法都过于严格，它们不能用来评价混凝土的使用性能。因此，基于全概率方法的工程模型将具有显著的优势。对不同混凝土成分、不同龄期的混凝土结构进行寿命预测是一种更生态、更经济的方法[6]。

因此，采用一种能够预测在冻融除冰盐侵蚀条件下混凝土结构寿命的模型，全面考虑了包括中间干燥期在内的所有相关参数。针对2种混凝土材料，研究了在标准和实际盐冻破坏条件下，不同参数对其性能的影响。

1 材料与方法

1.1 冻融除冰盐侵蚀使用寿命预测

混凝土结构的可持续设计要求生态和经济的最优化。因此，作为评估长期环境影响和优化维护管理的必要工具，使用寿命预测变得越来越重要[7]。在耐久性方面，在盐冻破坏下混凝土结构的使用寿命预测方面还需要进一步的研究。

冻融除冰盐诱导混凝土结构在自由风化条件下剥蚀的过程如图1所示。

图1 水闸混凝土结构在室外风化条件(包括冻融盐害)下的盐垢进展图

剥落的过程可以用方程1来描述：

s(n)=neff·rs

(1)

式中，neff—一个冬季期间的冻融循环的总数减去对冻融破坏无效的冻融循环的数量(nini)；rs—特定混凝土组合物每次冻融循环的剥落率。

为了量化nini和rs的输入参数，不同的混凝土成分暴露于实验室性能测试的标准化冻融循环中。使用了一种改良的CDF检验方法，并根据冻融荷载的不同，确定了每2次冻融循环中对破坏无影响的剥落量。实验表明，将最低温度从-20℃提高到-10℃，可使不掺气剂的混凝土平均减少50%的剥落。因此，将每个混凝土样本在最低温度为-10℃下每2次冻融循环剥落量≤18g/m2(每28次冻融循环剥落量≤252g/m2)定义为“未损伤”混凝土。

1.2 混凝土成分

为了研究最低温度、盐和水分含量的影响，选择了2种具有广泛耐久性的混凝土。混凝土组成及其抗冻融耐盐性见表1。

图3是平方倍频法(门限系数α=0.1)、能量检测法和文献[7]方法对机密信号的盲检测概率的仿真情况，图中能量检测法在有大信号存在的情况下基本失效，文献[7]方法本质上有一个强干扰抵消的过程，所以对机密信号盲检测效果最好，但是当Ps/Pw大于16dB时，却不能检测到机密信号.因此，10lg(η0)=16dB是一个可靠的参数，因此前文的功率参数设计方案在满足Ps/Pw≥16dB时，可以保证机密信号的抗盲检测能力.

表1 混凝土的组成、空隙含量、抗压强度和等级

1.3 样品制备及实验

浇铸立方体(边缘长度为150mm)后，样品在1d后脱模。之后，标本在20℃的水中保存34d。在35d时，将标本锯成所需尺寸(70×110×150mm3)。在20℃/65%(湿度)条件下干燥保存21d后，将标本的侧面密封。将标本放置在3%NaCl溶液的容器中。然后给予7d的时间通过毛细管吸力吸收溶液。为了减少早期水化的影响，冻融暴露在63d龄时开始。

不同的实验储存系列，有或没有中间干燥期，以及不同的最低温度，如图2所示。

图2 实验程序

混凝土试样中氯离子含量用化学滴定法测定。钻孔粉尘从混凝土表面取3个深度为1～5mm不同点。利用工作频率为13.49MHz的移动核磁共振仪(ACT)通过1H T2弛豫时间间接测量近地表区域的水分运动。测量使用CPMG脉冲序列进行256次扫描和128次回波。硫酸铜校准弛豫光谱含水量，减少测量时间。使用LabView程序MathScript和Diadem进行数据评估。根据混凝土的抗冻融耐盐性，在12mm或3～4mm深度测量了结果。采用AutoPore III压汞孔法(MIP)测量孔径分布，免除粗粒。

2 结果与讨论

在建立冻融侵蚀工程模型的背景下，研究了最低温度、盐、水分和氯化物含量对冻融侵蚀的影响。因此，根据其对初始阶段nini和后续剥落率rs的影响来评价结果，如图1所示。

2.1 抗冻融除盐性能低的混凝土

在-20℃的最低温度下，对混凝土“0.60/nAE”在有无中间干燥期的冷冻融冻暴露过程中，横截面上的剥落率、氯化物含量(近表面1～5mm区域的平均值)和水分吸收(近表面3～4mm区域的平均值)的比较情况，如图3所示。

图3 (a)2批不同系列混凝土的平均剥落率；(b)距离表面1～5mm处的氯化物含量(平均值)；(c)盐冻病害期间每2次冻融循环的线性缩放；(d)冻融暴露期间靠近表面区域1～2mm处的水分吸收(平均值)

如图3a所示，混凝土在连续暴露无干燥期后，剥落率呈上升趋势。经过21次冻融循环后，总剥落量几乎达到5000g/m2，而8次冻融循环干燥7d后，总剥落的中位数约为3000g/m2。中间干燥期可减少约40%的后续剥落。经过中间干燥期后，近地表区域的氯化物含量增加(图3b)。1次冻融循环后的水泥氯化物含量最高，为2.48%(重量比)。然而，在最低温度为-20℃的冻融暴露下，出现了硬攻击导致混凝土样本几乎没有初始剥落。干燥7d后，2次冻融循环后的剥落率为173g/m2d，远远高于先前定义的无损剥落量35g/m2d(图3c)。并且，水分在随后的2次冻融循环内被不断吸收(图3d)。如图3c所示干燥7d后的剥落率比-20℃条件下冻融循环后的混凝土低65%。

对单侧1H NMR分析T2衰变以确定体积水(主要在毛细管孔隙系统中)和物理结合水(主要在凝胶孔隙系统中)分布，如图4a所示。从图4b发现连续暴露混凝土试件吸水，观察到散装水向物理结合水的再分配。8次冻融循环后，物理结合水减少表示裂缝形成，用MIP测量证实。冻融暴露后未经中间干燥，孔隙结构粗化，总孔隙体积测量提高。

图4 (a)冻融试验中近表面3～4mm深度处两种混凝土物理结合水和重力水的定性进展；(b)连续冻融荷载和中间干燥期冻融荷载作用下冻融暴露前后孔隙分布(毛细孔区域高亮显示为灰色)

在冻融循环和干燥后，样品在随后的2次冻融循环中的吸水率达到最大。干燥处理后，初始吸水率略有下降。经过额外的6次冻融循环，裂缝开始显现。试验结束时，近地表混凝土的孔隙系统测量值分布范围更广，表明毛细管孔的数量增加，而半径小于10nm的孔洞增加最为显著。干燥过程对后续剥落率产生积极影响的原因可能源于孔隙系统的变化。随着试样内部氯化物含量的增加，剥落现象逐渐减弱，这是因为水分蒸发和氯化物通过“背驮式”运输至近表面混凝土，导致干燥后近表面区域的盐浓度增加。另外，还可能由于水泥基体中氯化物的吸收、结晶和反应，孔隙被堵塞，氯化物的积累导致孔隙溶液冰点降低，从而减少剥落。

中间干燥期对剥落率的影响如图5a所示。经过中间干燥期后，剥落率减少约25%，氯化物含量无显著差异(图5b)。此外，根据图4c中初始阶段的定义对结果进行了评估。初始阶段定义为混凝土试件在首次冻融暴露前处于预饱和状态。干燥期后，7d可观察到4次冻融循环的初始阶段，6次冻融循环后剥落率达到18g/m2以上的水平。单面核磁共振测量证实了潜在损坏率。干燥期后，仅在4次冻融循环后，达到了临界饱和程度(图5d)，并发生破坏(图5c)。后续的冻融循环只会导致外区含水量的少量增加(图5d)，剥落率恒定(图5c)。

图5 (a)(0.60/nAE/-10/无干燥)和(0.60/nAE/10/7d干燥期)两批不同系列的平均剥落率；(b)距离表面1～5mm处的氯化物含量(平均值)；(c)盐冻病害期间每2次冻融循环的线性缩放；(d)冻融暴露期间靠近表面区域1～2mm处的水分吸收(平均值)

结果表明，低温和干燥期对于抗冻融耐盐性混凝土初始阶段的nini和劣化阶段的剥落量有着显著的影响。对于在冻融除冰盐侵蚀下的夏季和冬季干燥的混凝土结构的经济使用寿命设计具有关键性意义。然而，目前的预测寿命并未考虑到干燥期和不同的野外最低温度的影响。在后续的14次冻融循环中，连续系列的剥落率并未达到，但在-20℃干燥后，连续系列的剥落率在-10℃干燥后达到了12次冻融循环。对于水胶比为0.60且无夹带空气的混凝土，在-10℃下，单次干燥7d，其剥落率从289g/m2d减少到17g/m2d(图5c)。

2.2 抗冻融除盐性能高的混凝土

已知夹带空气和低水胶比的混凝土在实验室中表现出较小的剥落率和优异的现场性能。因此，结果仅适用于-20℃(严寒攻击)的研究。冻融暴露时(0.50/AE/-20/7d干燥期)和非中间干燥期(0.50/AE/-20/无干燥)的剥落率、水分和氯化物含量如图6所示。

图6 (a)两个系列混凝土的平均剥落率；(b)氯化物含量(近地表上1～5mm的平均值)；(c)盐冻破坏期间每2次冻融循环的剥落率；(d)有无中间干燥期冻融暴露期间的水分含量(近地表上部1～2mm的平均值)

连续曝光序列的标度率几乎是线性的。21次冻融循环后的总剥落量为190g/m2，非常低。然而，剥落率和总累积剥落均有积极影响(图6a)。冻融干燥期后剥落率降低约20%，氯化物含量增加约10%(图6b)。尽管混凝土的抗冻融耐盐性较低，但冻融荷载增加，氯化物含量也随之增加。对于连续暴露于含除冰盐的冻融循环的系列，冻融循环8次后氯化物含量最高。而冻融暴露中断的系列，则确定了氯化物进一步的增加。

每2次冻融循环后，0.50/AE混凝土系列的剥落率至少包含21次冻融循环(图6c)。干燥后，剥落率进一步降低。然而，对于抗冻融耐盐性非常好的混凝土，初始含水率对nini没有可量化的影响。对于无干燥，仅在冻融荷载期间测量了较小的吸收率。对于有干燥期，在干燥后的第一次冻融循环内吸水率最高。

为研究中间干燥期对剥落率的影响，进行单侧1H NMR研究。观察到在毛细吸力和冻融暴露过程中试样吸收物理结合水和重力水。20次冻融循环后，物理结合水减少，体积水增加，表明裂缝形成。干燥7d后，水分含量随着冻融循环增加。干燥前的散装含水量在干燥后的13个冻融循环内未达到，并且水分再分配到凝胶孔。如图7(a)所示。

图7 (a)冻融试验中近表面1～2mm深度处两种混凝土物理结合水和重力水的定性进展；(b)连续冻融荷载和中间干燥期冻融荷载作用下冻融暴露前后孔隙分布(毛细孔区域高亮显示为灰色)

结果再次得到MIP的证实。连续的冻融荷载导致孔隙结构变粗。相反，中间干燥条件下的孔隙结构从粗孔变细孔。凝胶孔的增加可能归因于盐的结晶阻塞了表面毛细孔。例如，混凝土干燥后，毛细孔的吸湿量减少，物理结合水比例增加。干燥后，近表面混凝土中氯离子浓度提高。冻融和中间干燥后，孔隙体积可能变小或增大。然而，干燥的积极作用需要进一步研究。除中间干燥期外，最低温度、水分含量均对损伤演化有显著影响。如图7(b)所示。

3 结语

研究揭示了混凝土在盐冻条件下抵抗破坏的关键因素。混凝土初始含水率对其抗盐冻能力有显著影响，降低含水率可以延缓破坏过程。中间干燥期的增长减缓了破坏的发展，归因于离子结晶和反应改变了孔隙结构。最低温度从-20℃提高到-10℃，可显著降低混凝土剥落量，延长破坏的初始阶段。高内部盐浓度也有助于减缓破坏过程。然而，为精确控制和管理盐冻破坏，需更深入研究这些影响参数，并将它们纳入设计模型中。此外，混凝土抵抗盐冻破坏能力的提升还需进一步研究。