高性能混凝土在氯盐侵蚀和冻融循环作用下的耐久性分析

冯 博 ，刘 青 ，钱永久

（西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031）

在寒冷沿海地区的桥梁工程中，混凝土的耐久性是工程师关注的要点.寒冷地区海洋环境工程结构通常会受到冻融循环、碳化、氯盐侵蚀等多种作用的影响，无论是物理还是化学作用，混凝土在此环境下的损伤机理十分复杂.长期以来，研究者重点关注混凝土强度能否满足要求，而忽视其耐久性设计，导致许多复杂环境中的混凝土桥梁因为耐久性不足而失效.桥梁结构在严寒海洋环境下通常会受到多种复杂因素的影响，从而导致其使用寿命往往达不到设计要求.处理这类问题不仅需要耗费巨大的人力和物力，同时，也会导致该区域交通中断，阻碍地区社会经济发展.因此，耐久性已经成为严寒沿海地区混凝土桥梁研究的重点与难点[1].

关于混凝土耐久性研究国内外学者已作了大量理论分析和试验研究.张立群等[2]对硅灰自密实混凝土的耐久性进行了分析，试验结果表明，硅灰自密实混凝土抗冻性能高于相同强度等级的普通混凝土；姜文镪等[3]通过时变的孔隙率表征孔隙结构的损伤演变，并结合离子传输方程，定量化研究冻融损伤对于氯离子传输过程的加速作用；王月[4]基于氯盐冻融循环的活性粉末混凝土试验，提出考虑冻融损伤影响下的氯离子扩散系数计算方法；南雪丽等[5]对硫铝酸盐快硬水泥混凝土、聚合物快硬水泥混凝土和普通硅酸盐水泥混凝土分别进行了冻融试验，结果表明普通硅酸盐水泥混凝土抗冻性能优于前两者；龙广成等[6]设计了轴压荷载-冻融耦合作用模拟试验，并建立相应的损伤本构模型；郑山锁等[7]通过拟静力加载试验分析了不同冻融环境下混凝土的抗震性能，结果显示其承载能力随着循环次数增多而降低；王晨霞等[8]通过控制矿渣和不同掺量的粉煤灰，对再生混凝土进行耐久性试验，并建立冻融-碳化耦合作用下矿渣-粉煤灰再生混凝土抗压强度模型；田立宗等[9]对混凝土试件进行了冻融和疲劳影响的4 种损伤试验，结果表明疲劳荷载会降低混凝土的抗冻性，但弹性模量和强度在先冻融后疲劳和先疲劳后冻融中表现出不同的变化过程；王家滨等[10]采用弹簧四点弯曲加载法，对弯曲应力作用下喷射混凝土受拉区和受压区氯离子扩散性能进行了研究；邹洪波等[11]设计了不同压力下的混凝土氯盐试验，推导出基于损伤变量的应力影响系数表达式；任娟娟等[12]对浸泡于氯离子溶液的混凝土进行疲劳试验，结果表明氯离子扩散深度随荷载应力比增大而增大；王喜彬等[13]分别对不同水灰比的普通混凝土和表面防水混凝土开展加速冻融循环试验和氯离子侵蚀试验，得出表面防水有利于结构抵抗氯盐侵蚀能力的结论；Almusallam 等[14]根据不同的混凝土表面涂料开展了耐久性研究，发现环氧树脂和聚氨酯涂料能够有效防止氯化物渗透，可间接性提高混凝土耐久性能；Hao 等[15]设计了包括冻融循环和弯曲荷载联合作用的测试程序，以研究再生骨料保温混凝土的耐久性；Al-Lebban 等[16]使用不同百分比的聚丙烯纤维来改善混凝土的机械性能，并展开了冻融循环试验，结果表明与无纤维的参比混料相比，纤维增强混凝土对冻融循环的耐久性更高.

综上所述，目前关于混凝土耐久性的研究多集中于考虑荷载和环境共同作用对混凝土耐久性的影响，或重点考虑普通混凝土在2 种或多种侵蚀介质耦合作用下的耐久性变化.而对于氯盐侵蚀和冻融循环耦合作用下的混凝土冻融破坏耐久性的研究不多.同时，部分学者也对多因素下的高性能混凝土耐久性进行了试验研究，但考虑水胶比、粉煤灰掺量和含气量等配合比影响的高性能混凝土冻融破坏的耐久性研究更是较少.

鉴于此，本文依托纳潮河大桥工程，针对高性能混凝土耐久性，设计了氯盐侵蚀和冻融循环耦合作用下高性能混凝土的耐久性试验，对氯盐侵蚀和冻融循环耦合作用下不同配合比混凝土的冻融破坏展开研究，旨在为复杂环境下高性能混凝土服役性能提供借鉴与参考.

1 试验工况设置

试验主要研究水胶比w（0.35、0.45、0.55），粉煤灰掺量f（0、10%、30%、50%），含气量q（3.5%、4.5%、5.5%）等因素对高性能混凝土耐久性的影响.本试验水泥采用唐山冀东水泥厂生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥；细骨料是迁安的细度模数为2.5～3.0 的河砂，属于Ⅱ区中砂；粗骨料为唐山古冶榛子镇石料场生产的5～25 mm 的连续级配碎石；粉煤灰使用大唐火电厂生产的F 类Ⅱ级以上粉煤灰，引气剂采用天津维鼎生产的高效引气剂.试验配合比详见表1.含气量的测定较为复杂，本文按照混凝土拌合物含气量测定方法进行，关键测定步骤包括：1） 混凝土拌合物装入量钵容器内（装料避免过满），震动30 s，再次装料、震动，直到容器内混凝土填满且震实；2） 用注水器从注水口注水，直到水从排水（气）口中平稳流出，关闭注水阀后再关闭排气阀；3） 用手泵打气加压，使指针略微超过规定的位置，微调阀调节指针，使得指针指到规定的位置；4） 平稳地按下平衡阀约5 s 后松开，指针稳定下来所指的就是混凝土的含气量.具体的试验步骤和要求参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）[17].浸泡液为质量分数3.5%的NaCl 溶液.试件放进冻融箱后，每冻融循环25 次后测定质量和动弹性模量.

表1 试验混凝土配合比Tab.1 Concrete mix ratio in test

2 试验结果及分析

现有研究表明[18-20]：混凝土抗冻性受水胶比、含气量、掺合料等的影响十分显著.因此，本文设计了盐冻作用下混凝土耐久性试验，分析不同水胶比、含气量和粉煤灰掺量下的冻融破坏.

2.1 质量损失率

图1 给出了不同水胶比混凝土试件质量损失率随盐冻循环次数N的变化情况.

图1 不同水胶比试件的质量损失率变化Fig.1 Variation of mass loss rate of specimens with different water-binder ratios

从图1 中可以看出：w= 0.35 的试件在进行150 次盐冻循环后质量损失1.81%，300 次盐冻循环后质量损失2.94%；w= 0.45 的试件150 次盐冻后质量损失3.06%，300 次盐冻循环后质量损失4.28%；w= 0.55 的试件只进行了50 次冻融循环，质量损失就已经达到了4.65%.水胶比作为混凝土的重要参数，对混凝土可冻水含量、强度和平均气泡间距有重要影响.水胶比越小，可冻水就越少，孔隙率越低，平均气泡间距越小，强度相应越高，进而混凝土抗冻性能较好.因此，在盐冻环境下建议混凝土水胶比不宜过大.

不同粉煤灰掺量混凝土试件质量损失率随冻融循环次数的变化情况如图2 所示.由图可知，粉煤灰掺量最大的试件在50 次盐冻循环后，质量损失就已经达到了8.12%，超过了容许值5.00%，说明粉煤灰过大对混凝土的耐久性不利.

图2 不同粉煤灰掺量试件的质量损失率变化Fig.2 Variation of mass loss rate of specimens with different fly ash contents

粉煤灰掺量30%试件300 次盐冻循环后质量损失率为4.28%；粉煤灰掺量10%试件300 次盐冻循环后质量损失率为3.82%；没有粉煤灰掺量的试件300 次盐冻循环后质量损失率为2.68%.掺入粉煤灰的混凝土，会由于粉煤灰的二次水化反应改善混凝土的孔结构特征，但掺入粉煤灰后也将增加混凝土的总孔隙率，并加剧毛细孔曲折程度，从而延长过冷水向附近孔隙的迁移路径，不利于混凝土抗冻融性能，增大粉煤灰混凝土盐冻后的质量损失率.由上可知，在盐冻环境下建议混凝土的粉煤灰掺量不宜超过30%.

不同含气量混凝土试件质量损失率随盐冻循环次数的变化情况如图3 所示.从图可以看出：3 组试件的质量损失率都相差不大；含气量3.5%的试件300 次盐冻循环后的质量损失率为5.03%.其余2 组试件300 次盐冻循环后的质量损失都未超过5.00%；4.5%含气量的试件质量损失最小.混凝土抗盐冻性与内部孔隙特征有关，减小连通孔隙，保证适度的气泡间距与含气量对增强抗盐冻有利.当含气量增大时，气泡间距系数减小.含气量的加入有利于混凝土的抗冻性，但其含量并非越高越好.

图3 不同含气量试件的质量损失率变化Fig.3 Variation of mass loss rate of specimens with different gas contents

2.2 相对动弹性模量

图4 给出不同水胶比混凝土试件相对动弹性模量随盐冻循环次数的变化曲线.从图中可以看出：水胶比为0.35 的试件在150 次盐冻循环后相对动弹性模量为92.1%，300 次盐冻循环后相对动弹性模量为83.3%，0.45 水胶比试件经150 次盐冻循环后相对动弹性模量为93.3%，300 次盐冻循环后为88.2%.通过两组数据对比发现，当粉煤灰掺量为30%时，水胶比0.45 的试件抗盐冻性优于水胶比0.35 的试件.水胶比为0.55 的试件相对动弹性模量陡降，只经历了盐冻循环50 次，但是控制试件破坏不是相对动弹性模量下降至60%，而是质量损失率超过了5.00%.

图4 不同水胶比试件的相对动弹性模量变化Fig.4 Variation of relative dynamic elastic modulus of specimens with different water-binder ratios

图5 给出不同粉煤灰掺量混凝土试件相对动弹性模量随盐冻循环次数的变化情况.由图可知：粉煤灰掺量为10%和30%时，150 次盐冻循环后试件的相对动弹性模量分别为94.1%和93.3%，300 次盐冻循环后分别为83.1%和88.2%；没有粉煤灰掺量的试件在盐冻150 次后相对动弹性模量为94.6%，300 次盐冻循环后为91.9%；掺量50%的试件只进行了50 次盐冻循环，其相对动弹性模量为83.4%，但此时试件已因质量损失率过大而达破坏标准.不同含气量混凝土试件相对动弹性模量随冻融循环次数的变化曲线如图6 所示.由图可知：3 组试件的相对动弹性模量差异不大，试验结束时所有试件的相对动弹性模量均在80.0%以上.含气量较高的两组试件相对动弹性模量更大，说明含气量是有利于混凝土的抗盐冻性能.

图5 不同粉煤灰掺量试件的相对动弹性模量变化Fig.5 Variation of relative dynamic elastic modulus of specimens with different fly ash contents

图6 不同含气量试件的相对动弹性模量变化Fig.6 Variation of relative dynamic elastic modulus of specimens with different gas contents

3 氯离子冻融复合作用下混凝土质量衰减预测模型

3.1 质量衰减预测模型的提出

由上述试验研究分析可知，氯离子冻融复合环境下高性能混凝土主要是因为质量剥蚀过大而发生耐久性破坏.为把试验结果应用到海洋环境下高性能混凝土耐久性的工程实际中，现建立盐冻作用下混凝土质量衰减预测模型.依据本文不同水胶比的试验数据，混凝土的质量损失随冻融循环次数的衰变大致符合指数规律分布，如图7 所示.不同粉煤灰掺量和含气量的质量损失具有相似的规律.混凝土的衰变是其自身结构的破损引起的，应随原始量作自然规律衰减，近似符合牛顿的物质冷却定律，所以认为原材料、掺合料、水胶比相同的混凝土的质量衰变规律相似.

图7 质量随冻融循环次数的变化Fig.7 Variation of mass with freeze-thaw cycles

假定衰败速率为 dGN/dN，与盐冻循环下的质量损失成正比关系，即

式中：GN为N次盐冻后试件的质量；G0为冻融开始前试件的初始质量； λ 为质量衰减系数.

经过N次冻融循环后，混凝土质量满足以下关系：

式中：a为与混凝土材料有关的系数.

为了便于分析，定义剩余相对质量为

本文主要是分析水胶比、粉煤灰掺量、含气量对混凝土损伤的影响，所以定义kw、kf、kq分别为不同w、不同f和不同q的混凝土质量损失修正系数，并令a=kwkfkq，得到剩余相对质量 ρ与N的关系为

3.2 模型参数的确定

以w= 0.45 的试件作为标准试件，对式（2）两边同时取对数，建立300 次盐冻混凝土质量与冻融循环次数的线性回归，得到衰减系数 λ=0.000 1 ，则

在实际工程中，修正系数kw、kf、kq的值较难测量，而配合比参数在混凝土制作时就能直接得到.因此，需要建立修正系数与配合比的关系.为了便于计算，以w= 0.45，f= 30%，q= 4.5%的试件数据为标准，对水胶比w= 0.35，0.45，0.55 的3 组剩余相对质量进行归一化处理.利用回归计算得到水胶比修正系数为

同理，以f= 30%，w= 0.45，q= 4.5%的试件数据为标准，分别对水胶比f= 0，10%，30%，50%和粉煤灰掺量q= 3.5%，4.5%，5.5%的剩余相对质量进行归一化处理.通过回归计算得到kf和kq分别为

将式（6）～（8）代入式（5）中，可得到以剩余相对质量表示的氯盐盐冻循环后质量指数衰减预测模型.

3.3 模型的验证和应用

为验证模型的准确性，选用文献[1]在几种工况下的试验数据与本文模型结果进行比较，见表2.

表2 模型验证Tab.2 Model validation

由表2 可知：试验工况1 时，文献[1]计算结果与本文计算结果相对误差仅为0.81%，说明该工况下2 种方法计算结果高度吻合；2 种方法计算结果的最大相对误差出现在工况6，相对误差值为8.12%，小于10.00%，说明本文计算模型具有较好的准确性.

本文工程研究背景为纳潮河大桥工程，位于唐山市曹妃甸工业区中部，是连接唐山青龙河南北两岸的重要交通通道和曹妃甸工业区南北向的主要生活性城市桥梁.主梁箱梁试验混凝土水胶比为0.41，粉煤灰掺量30%，含气量4.1%.通过对箱梁混凝土进行盐冻试验，并与模型计算数据进行对比，结果如表3 所示.

表3 梁体试验与模型计算对比Tab.3 Comparison of beam test and model calculation

由表3 可知，50、100、150、200 次冻融循环后，梁体试验与模型计算结果的误差在10.00%以内，模型适应性较好.根据《混凝土结构耐久性设计标准》（GB/T 50476—2019）[21]，混凝土抗冻性一般以抗冻等级表示，抗冻等级是采用龄期28 d 的试块在吸水饱和后，承受反复冻融循环，以抗压强度下降不超过25%，而且质量损失不超过 5.00%时所能承受的最大冻融循环次数来确定的.计算结果和试验结果质量损失都小于5.00%，可满足F50、F100、F150和F200 抗冻要求.

4 结 论

本文依托纳潮河大桥工程，针对高性能混凝土基本性能，建立氯盐侵蚀和冻融循环耦合作用下高性能混凝土的耐久性试验，对复合作用下不同配合比高性能混凝土的冻融破坏进行研究.主要结论如下：

1） 若以质量损失为指标，水胶比对高性能混凝土抗盐冻性能影响显著，随着水胶比增大，混凝土抗盐冻性能降低；粉煤灰的加入不利于混凝土的抗盐冻性能；含气量增加有利于混凝土抗盐冻性能，建议有抗盐冻要求的桥梁结构高性能混凝土水胶比不宜大于0.45，粉煤灰掺量宜控制在30%以内.

2） 建立了考虑水胶比、粉煤灰掺量、含气量等影响的混凝土质量衰减预测模型，并采用试验验证了模型的适用性，为混凝土抗盐冻研究提供参考.

需要说明的是，该模型对应于水胶比为0.35～0.55、粉煤灰掺量为0～50%、含气量为3.5%～5.5%的试验条件，若要应用于更广的范围，还需建立更多更完善的试验研究.