宿曉萍，王 清，王文華，孫昊月

1.長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 1300122.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 1300263.吉林省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春 130021

季節(jié)凍土區(qū)鹽漬土環(huán)境下混凝土抗凍耐久性機(jī)理

宿曉萍1，王 清2，王文華1，孫昊月3

1.長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012
2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130026
3.吉林省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春 130021

為了研究混凝土在凍融交替與鹽類侵蝕雙重因素作用下的抗凍耐久性能，根據(jù)季節(jié)凍土區(qū)大安境內(nèi)鹽漬土中主要易溶鹽的類型與含量，配制了3種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合鹽侵蝕溶液，制備了普通混凝土、2種引氣混凝土及2組粉煤灰混凝土試件，進(jìn)行鹽蝕－快速凍融循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)鹽凍破壞后混凝土的質(zhì)量損失、動(dòng)彈性模量衰減及其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：在凍融循環(huán)作用下，復(fù)合鹽加劇了混凝土的凍融剝蝕破壞；混凝土的凍害程度與侵蝕鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、凍融循環(huán)次數(shù)、混凝土的含氣量、粉煤灰摻量等因素有關(guān)；造成混凝土發(fā)生鹽凍破壞的原因有水結(jié)成冰的膨脹壓力，或冰與水的滲透壓力以及復(fù)合鹽與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生的化學(xué)侵蝕和鹽類的結(jié)晶膨脹，其中，鹽類結(jié)晶壓對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞更嚴(yán)重。

鹽漬土；鹽蝕；凍融循環(huán)；混凝土；抗凍性

0 引言

早在1991年Methta教授［1］就曾指出，凍害是除氯鹽腐蝕以外影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的又一重要因素。凍融破壞已經(jīng)成為我國(guó)東北、西北和華北地區(qū)水工混凝土建筑物老化病害的主要問(wèn)題之一［2－4］。如果凍融交替與其他有害環(huán)境因素共同作用時(shí)，混凝土的破壞將更為嚴(yán)重，混凝土工程的使用壽命會(huì)大大縮短［5－11］。吉林西部地區(qū)既是東北典型的季凍土分布區(qū)，也是我國(guó)土壤鹽堿化最嚴(yán)重的地區(qū)之一［4］。該區(qū)鹽漬土基本屬于內(nèi)陸蘇打鹽漬型，鹽分組成以硫代硫酸鈉和碳酸氫鈉為主，并含有少量硫酸鹽和氯化物［12－14］。在此環(huán)境中的混凝土建筑物，在遭受凍融破壞的同時(shí)又將受到復(fù)合鹽的侵蝕作用。

為了研究季節(jié)凍土區(qū)鹽漬土中有害介質(zhì)與環(huán)境因素對(duì)混凝土抗凍性能的影響，筆者以吉林省大安市為研究區(qū)，根據(jù)大安春季土樣中易溶鹽的測(cè)定結(jié)果，配制了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽溶液（水作為對(duì)比），制備了普通混凝土、粉煤灰混凝土及引氣混凝土試件，進(jìn)行復(fù)合鹽溶液條件下的快速凍融試驗(yàn)，對(duì)季節(jié)凍土區(qū)鹽漬土環(huán)境下混凝土的抗凍耐久性能及鹽凍破壞機(jī)理進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 侵蝕鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

對(duì)大安市為境內(nèi)春季土樣進(jìn)行理化性質(zhì)分析試驗(yàn)，得到土樣中Na＋、HCO－3、SO2－4、Cl－的含量與天然含水率［15］，依此配制含有碳酸氫鹽、氯鹽、硫酸鹽的復(fù)合鹽溶液，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)視為基準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即3.4%；考慮試驗(yàn)速度與結(jié)果比較，又配制了基準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)鹽溶液中各種單鹽用量3倍、5倍的侵蝕鹽溶液，水作為對(duì)比［16］。4組侵蝕溶液的組分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。由于試驗(yàn)用水為自來(lái)水，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定水中離子含量少，在此忽略不計(jì)，這與其他學(xué)者試驗(yàn)用水也是一致的。

表1 侵蝕溶液的組分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Composition and mass fraction of corrosion solution

1.2 混凝土試件的配制

試驗(yàn)采用相同強(qiáng)度等級(jí)5種配合比的混凝土，即強(qiáng)度等級(jí)均為C30的普通混凝土、2組引氣混凝土和2組粉煤灰混凝土，水膠比為0.48，含砂率為0.35?；炷恋呐浜媳纫?jiàn)表2。

表2 C30混凝土的配合比［4］Table 2 Mixture ratio of C30concrete

混凝土所用原材料包括：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)3.0～2.4的中砂，平均粒徑為0.35～0.50mm，顆粒級(jí)配良好，堆積密度1 470kg/m3，表觀密度2 650kg/m3；粗骨料選用粒徑為5～10mm連續(xù)級(jí)配、表面粗糙的堅(jiān)硬碎石；Ⅱ級(jí)粉煤灰；SJ-2引氣劑；非引氣型高效減水劑。制作尺寸為40mm×40mm×160mm的棱柱體試件。

1.3 試驗(yàn)制度

試驗(yàn)以快凍法進(jìn)行，將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到24d的棱柱體試件浸入配制好的各組侵蝕溶液中（全浸泡方式），4d后放入快速凍融機(jī)中進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)。凍融循環(huán)制度為：1d完成6次循環(huán)，試件在（－15±2）℃溫度下凍結(jié)2h，在（6±2）℃溫度下融化2h。即由6℃降到－15℃用1h，再維持－15℃的溫度用1h；由－15℃升到6℃用時(shí)1h，再保持6℃的溫度1h，即為1次凍融循環(huán)。如此循環(huán)重復(fù)試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

考慮試驗(yàn)周期長(zhǎng)與試驗(yàn)工作量較大，采用無(wú)損傷試驗(yàn)，以質(zhì)量損失與動(dòng)彈性模量衰減作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)?；炷恋馁|(zhì)量用精度為0.1g的電子天平稱得。每組試驗(yàn)開(kāi)始前，用電子天平稱得試件的初始質(zhì)量m0（kg），達(dá)到試驗(yàn)要求的凍融循環(huán)次數(shù)（n次）時(shí)稱得的試件質(zhì)量mn（kg），則混凝土試件的質(zhì)量損失率ΔWn可按下式計(jì)算：

相對(duì)動(dòng)彈性模量是常規(guī)凍融試驗(yàn)中用來(lái)評(píng)定混凝土抗凍耐久性的重要指標(biāo)，也是反映試件內(nèi)部損傷程度的主要參數(shù)。試驗(yàn)中相對(duì)動(dòng)彈性模量［17］由無(wú)機(jī)非金屬超聲波檢測(cè)儀測(cè)得聲速后計(jì)算可得：

式中：Er表示相對(duì)動(dòng)彈性模量；E0，v0分別表示混凝土的初始動(dòng)彈性模量和超聲波傳播速度；En，vn分別表示混凝土經(jīng)n次凍融循環(huán)后的動(dòng)彈性模量和超聲波傳播速度。試驗(yàn)所用TICO超聲波檢測(cè)儀為瑞士Proceq SA ZURICH SWITZLANDSH生產(chǎn)，測(cè)量范圍為15～6 550μs，分辨率為0.1μs，電壓脈沖為1kV，脈沖率為3s－1，輸入阻抗為1mΩ，直接法測(cè)試的最大距離為15m。具體測(cè)試過(guò)程如下：1）用BNC電纜將傳感器接到主機(jī)Transmit和Receive接口后開(kāi)機(jī)；2）用標(biāo)定棒標(biāo)定檢測(cè)儀器；3）采用直接法測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)為棱柱體試件的兩端，長(zhǎng)度測(cè)定精確到1%，將測(cè)得的數(shù)值輸入儀器；4）在傳感器和試件兩端涂上耦合劑；5）將傳感器放在試件兩端抵牢，開(kāi)始測(cè)試；6）數(shù)據(jù)穩(wěn)定后存儲(chǔ)聲速數(shù)據(jù)值，每個(gè)試件測(cè)3次取平均值；7）試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉主機(jī)，拆下傳感器等。

試驗(yàn)時(shí)測(cè)定凍融循環(huán)為0、10、20、30次……時(shí)的質(zhì)量與聲速（可求得動(dòng)彈性模量），測(cè)數(shù)據(jù)前先將試件表面的浮渣清洗干凈，擦去表面積水。由于鹽溶液中的試件鹽凍破壞速度較快，根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中混凝土的脫落情況、動(dòng)彈性模量的衰變情況，適當(dāng)調(diào)整數(shù)據(jù)測(cè)定的頻率。

當(dāng)質(zhì)量損失率ΔWn達(dá)到5%或相對(duì)動(dòng)彈性模量Er下降至60%時(shí)，認(rèn)為試件已達(dá)破壞，終止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 復(fù)合鹽－凍融循環(huán)作用下混凝土的外觀變化

圖1為部分混凝土試件在復(fù)合鹽溶液中發(fā)生凍融剝蝕破壞的外觀?？梢钥闯?，在復(fù)合鹽－凍融循環(huán)作用下，試件表層的混凝土出現(xiàn)裂紋并慢慢剝落，有的甚至露出石子。鹽凍次數(shù)越多，混凝土剝落情況就越嚴(yán)重，有的試件甚至從中間裂為兩截；而且復(fù)合鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，混凝土發(fā)生剝落越早，剝蝕破壞越嚴(yán)重，即鹽溶液中的試件質(zhì)量損失或表面混凝土剝落量均比水中的試件大得多。

圖1 混凝土試件在復(fù)合鹽溶液中的凍融剝蝕破壞Fig.1 Damage appearance of specimens under multi-salt solution and freeze-thaw cycles

另外，試件的破壞程度與混凝土中外加劑有很大關(guān)系：摻引氣劑的混凝土試件抗凍與抗鹽凍性能比普通素混凝土試件要好，破壞程度輕微；混凝土的含氣量越大，試件破壞得越輕。對(duì)于粉煤灰混凝土試件，不但未表現(xiàn)出較好的抗鹽凍性能，反而破壞更嚴(yán)重：粉煤灰的摻量越大，鹽凍破壞越嚴(yán)重。

2.2 復(fù)合鹽侵蝕－凍融循環(huán)作用后混凝土的質(zhì)量損失

在復(fù)合鹽侵蝕與凍融循環(huán)共同作用下，混凝土發(fā)生了不同程度的破壞，其質(zhì)量損失隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而變化的規(guī)律曲線見(jiàn)圖2。可以看出：混凝土質(zhì)量損失率與混凝土的配合比和復(fù)合鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)。

圖2 鹽蝕－凍融循環(huán)作用后混凝土的質(zhì)量損失率Fig.2 Mass loss rate of concrete after salts corrosion and freezing-thawing cycles

2.2.1 鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土質(zhì)量損失率的影響

圖2顯示：A組溶液即水中的混凝土質(zhì)量損失率曲線經(jīng)歷了平緩—緩慢增加的過(guò)程；對(duì)于復(fù)合鹽溶液中的各組混凝土，質(zhì)量損失率的變化規(guī)律基本一致，呈先降低后增加的趨勢(shì)。在試驗(yàn)初期，鹽溶液中的混凝土質(zhì)量損失率不但沒(méi)有增大，反而略有降低，且鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，質(zhì)量損失率下降越明顯，這與水中的混凝土截然不同?？梢?jiàn)，鹽在其中起了關(guān)鍵作用，由于鹽溶液不斷滲透到不密實(shí)的混凝土內(nèi)部，使得混凝土的質(zhì)量不降反升；隨著鹽蝕－凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件表層混凝土開(kāi)始剝落造成質(zhì)量損失，而且復(fù)合鹽侵蝕溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，質(zhì)量損失越嚴(yán)重，即混凝土質(zhì)量損失率曲線的上升段越陡?？梢?jiàn)，鹽類侵蝕與凍融交替對(duì)混凝土都有破壞作用，兩者共同作用時(shí)對(duì)混凝土的破壞又存在疊加效應(yīng)。由于混凝土的動(dòng)彈性模量下降得更明顯，試件均因相對(duì)動(dòng)彈性模量先降到60%而終止了試驗(yàn)。

2.2.2 外加劑對(duì)混凝土質(zhì)量損失率的影響

由圖2還可以看出：與基準(zhǔn)混凝土相比，引氣混凝土無(wú)論是在水中還是復(fù)合鹽溶液中，經(jīng)凍融循環(huán)作用后質(zhì)量損失要慢得多，能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)更多，比基準(zhǔn)混凝土顯示出更好的抗凍與抗鹽凍性能；對(duì)于粉煤灰混凝土，質(zhì)量損失要迅速得多，其剝落速度比基準(zhǔn)混凝土更快，并未表現(xiàn)出較好的抗凍與抗鹽凍性能，反而比基準(zhǔn)混凝土還要差。以C組鹽溶液中5種混凝土為例：兩組引氣混凝土（Y-Ⅱ與Y－Ⅲ）比基準(zhǔn)混凝土（Y-Ⅰ）的抗鹽凍次數(shù)分別延長(zhǎng)了100%與125%；而兩組粉煤灰混凝土（Y-Ⅳ與Y－Ⅴ）的抗鹽凍次數(shù)比基準(zhǔn)混凝土分別減少了25.0%與37.5%。

2.3 復(fù)合鹽蝕－凍融循環(huán)作用對(duì)混凝土動(dòng)彈性模量的影響

圖3 鹽蝕－凍融循環(huán)作用后混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量Fig.3 Relative dynamic elastic modulus of concrete after salts corrosion and freezing-thawing cycles

圖3所示為各組混凝土經(jīng)復(fù)合鹽侵蝕與凍融交替共同作用后相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化規(guī)律?？梢?jiàn)，隨著鹽蝕－凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量曲線呈先略微上升后下降的態(tài)勢(shì)。

圖3結(jié)果顯示，復(fù)合鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量曲線下降得越陡，所能經(jīng)受凍融破壞的時(shí)間就越短。以基準(zhǔn)混凝土（Y-Ⅰ）為例：在A組溶液（水）中沒(méi)有鹽蝕的情況下，能經(jīng)受160次的凍融循環(huán)作用；在B、C、D組復(fù)合鹽溶液中時(shí)，能經(jīng)受的最大凍融循環(huán)次數(shù)依次為120、80、50次，比水中的混凝土分別減少25.0%、50.0%、68.8%?？梢?jiàn)，凍融交替與復(fù)合鹽侵蝕雙重因素作用加劇了混凝土的破壞進(jìn)程。

各組混凝土，無(wú)論是在水中還是在鹽溶液中，凍融循環(huán)作用后相對(duì)動(dòng)彈性模量曲線都先經(jīng)歷平緩段或略有增加，即出現(xiàn)較明顯的“拐點(diǎn)”后便迅速下降，曲線變陡。與基準(zhǔn)混凝土相比，引氣混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量曲線出現(xiàn)“拐點(diǎn)”較晚，而且所經(jīng)受的凍融循環(huán)作用的次數(shù)更多，抗凍耐久的時(shí)間更長(zhǎng)，抗凍與抗鹽凍的效果更好；而且含氣量越大，效果越好。如水中的Y－Ⅱ、Y-Ⅲ組引氣混凝土的“拐點(diǎn)”分別比基準(zhǔn)混凝土延后了100%與220%；B組鹽溶液中Y-Ⅱ、Y-Ⅲ組引氣混凝土的“拐點(diǎn)”分別延后了100%與200%?？梢?jiàn)，季節(jié)凍土區(qū)鹽漬土分布區(qū)的混凝土工程宜采用引氣混凝土，以提高混凝土工程的抗凍與抗鹽凍耐久性。

對(duì)于Y-Ⅳ、Y-Ⅴ組粉煤灰混凝土，相對(duì)動(dòng)彈性模量曲線“拐點(diǎn)”出現(xiàn)得較早，甚至早于基準(zhǔn)混凝土，抗凍融循環(huán)作用的次數(shù)少于基準(zhǔn)混凝土，抗凍與抗鹽凍的效果較差；而且粉煤灰摻量越大，混凝土的抗凍與抗鹽凍性能越差?？梢?jiàn)，建設(shè)在季節(jié)凍土區(qū)鹽堿土分布區(qū)內(nèi)的混凝土工程不宜采用粉煤灰混凝土。

2.4 鹽凍破壞后混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

混凝土試件外觀的鹽凍剝蝕破壞是其內(nèi)部損傷的宏觀表象。為了探究混凝土鹽凍破壞的實(shí)質(zhì)，進(jìn)一步對(duì)鹽凍破壞后混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行電鏡掃描、能譜與化學(xué)成分分析，試驗(yàn)樣品均取自C組復(fù)合鹽溶液中的Y-Ⅰ組、Y-Ⅱ組與Y-Ⅳ組混凝土試件。

2.4.1 普通混凝土鹽凍破壞后的微觀結(jié)構(gòu)

圖4所示為鹽凍破壞后C組復(fù)合鹽溶液中Y－Ⅰ組普通混凝土的2 000倍掃描電鏡照片。從照片中可以看到，混凝土結(jié)構(gòu)不但失去了原有的完整性與密實(shí)性，而且內(nèi)部生長(zhǎng)著大量花狀晶體，盤(pán)根錯(cuò)節(jié)。對(duì)花狀晶體進(jìn)行能譜與化學(xué)成分分析（表3）?？梢?jiàn)，這類晶體的主要元素有C、O、Au、Ca，其中，元素Au由樣品鍍膜帶入，元素C、O、Ca的摩爾分?jǐn)?shù)較高，分別為28.49%，38.56%，28.59%。這說(shuō)明這一物質(zhì)是CaCO3晶體，也證明水泥漿中的Ca（OH）2受到鹽溶液中CaHCO3的侵蝕，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成大量的CaCO3生長(zhǎng)在混凝土內(nèi)部孔隙間，巨大的體積膨脹應(yīng)力造成混凝土的開(kāi)裂、剝落、直至破壞。

圖4 鹽凍破壞后普通混凝土SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM photograph of normal strength concrete after frost damage

2.4.2 引氣混凝土鹽凍破壞后的微觀結(jié)構(gòu)

圖5所示為鹽凍破壞后C組復(fù)合鹽溶液中Y-Ⅱ組引氣混凝土的2 000倍掃描電鏡照片?？梢钥吹?，混凝土內(nèi)部呈現(xiàn)出纖維狀與草狀物質(zhì)交錯(cuò)重生的松散結(jié)構(gòu)，不再是凝膠狀與晶體結(jié)合的致密結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)對(duì)其能譜圖與化學(xué)成分分析（表4）發(fā)現(xiàn)，混凝土不僅含有Ca、Si、O、Al等一些常見(jiàn)元素，還出現(xiàn)了Na、C、S、Cl等元素，顯然是復(fù)合鹽溶液中各類鹽的侵蝕所致。

2.4.3 粉煤灰混凝土鹽凍破壞后的微觀結(jié)構(gòu)

圖5 鹽凍破壞后引氣混凝土SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM photograph of air-entraining concrete after frost damage

圖6 鹽凍破壞后粉煤灰混凝土SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM photograph of fly ash concrete after frost damage

圖6為鹽凍破壞后C組復(fù)合鹽溶液中Y-Ⅳ組混凝土的2 000倍掃描電鏡照片。SEM照片顯示，鹽凍后的混凝土內(nèi)部凸起大量的球狀物質(zhì)，互相膠結(jié)重疊，表面雜生著一層白色毛刺，猶如“刺球”一般，經(jīng)過(guò)能譜分析與化學(xué)成分測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表5。這些“刺球”的主要元素為Na、Ca、C、O，初步推斷這可能是 Na2CO3、NaHCO3、CaCO3或Ca（OH）2晶體。由于Ca（OH）2晶體與凝膠狀C-S-H同為混凝土的水化物，但是化學(xué)成分測(cè)定的結(jié)果顯示沒(méi)有Si元素的存在，可見(jiàn)Ca（OH）2晶體存在的可能性不大，應(yīng)是CaCO3；由于復(fù)合鹽溶液中NaHCO3鹽的含量較大，與水泥漿體中的Ca（OH）2發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物是CaCO3與Na2CO3。綜合起來(lái)，可以判斷這些晶體主要是CaCO3與Na2CO3。

表3 圖4中花狀晶體的能譜圖與化學(xué)成分Table 3 Energy spectrum diagram and chemical composition of flower crystal in Fig.4

表4 圖5方框區(qū)域的能譜圖與化學(xué)成分Table 4 Energy spectrum diagram and chemical composition of square area in Fig.5

表5 圖6中刺球的能譜圖與化學(xué)成分Table 5 Energy spectrum diagram and chemical composition of thorn ball in Fig.6

3 復(fù)合鹽與凍融循環(huán)共同作用下混凝土鹽凍破壞的機(jī)理分析

3.1 水中混凝土凍融破壞機(jī)理分析

關(guān)于混凝土凍融破壞的機(jī)理，許多學(xué)者提出了各種假說(shuō)，其中，以靜水壓假說(shuō)和滲透壓假說(shuō)公認(rèn)程度較高［18］。靜水壓假說(shuō)主張：在潮濕條件下，混凝土的毛細(xì)孔內(nèi)吸水，空氣泡內(nèi)壁也能吸附水，但在常壓下都很難吸滿水，總會(huì)有無(wú)水的空間存在；當(dāng)溫度降低到0℃以下時(shí)，毛細(xì)孔中的水結(jié)成冰，體積膨脹，將未凍水向著大的空氣泡方向推動(dòng)，便形成了靜水壓力。滲透壓力假說(shuō)主張：冰水飽和蒸汽壓不同，冰的飽和蒸汽壓小于水的飽和蒸汽壓。研究表明，小孔水的冰點(diǎn)低于大孔中水的冰點(diǎn)，所以混凝土中的大孔水先結(jié)冰，逐漸擴(kuò)展到小孔，使得冰水之間產(chǎn)生了飽和蒸汽壓差，這一壓力差將未凍水推向凍結(jié)區(qū)，便形成了滲透壓。由于未凍水的遷移滲透使得毛細(xì)孔中冰的體積不斷增大，從而產(chǎn)生更大的膨脹壓力，混凝土開(kāi)始開(kāi)裂。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，裂縫不斷擴(kuò)展、連通，混凝土由表及里的剝落，造成質(zhì)量損失，內(nèi)部損傷加劇，強(qiáng)度逐漸降低，最終破壞。

由此可見(jiàn)，水是造成混凝土受凍破壞的主要原因。混凝土中的水有3種存在形式，即化學(xué)結(jié)合水、物理吸附水和自由水。其中，自由水對(duì)混凝土凍融破壞的影響最大。自由水廣泛存在于混凝土的大小不同的毛細(xì)孔或大孔中，其數(shù)量多少和毛細(xì)孔直徑有關(guān)，而混凝土受凍害程度與孔隙中飽水程度有關(guān)，混凝土在完全飽水狀態(tài)下，其凍脹壓力最大。對(duì)于水中的混凝土，表層含水率要大于內(nèi)部的含水率，由于凍結(jié)時(shí)表面混凝土的溫度低于內(nèi)部的溫度，所以凍害首先從表層開(kāi)始逐步向內(nèi)部深入發(fā)展。因此試件表面的混凝土脫落要嚴(yán)重些。

3.2 復(fù)合鹽溶液中混凝土的鹽凍破壞機(jī)理分析

在凍融交替的反復(fù)作用下，復(fù)合鹽溶液中的各組混凝土破壞程度均比水中的混凝土嚴(yán)重，鹽在混凝土凍融破壞中起了重要作用。混凝土發(fā)生鹽凍破壞可以從有利和不利2個(gè)方面分析。有利的一面是復(fù)合鹽環(huán)境下混凝土中溶液的冰點(diǎn)降低，且鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，冰點(diǎn)降低幅度越大，對(duì)混凝土的凍融損傷就越輕。不利的一面是鹽溶液滲透進(jìn)混凝土內(nèi)部的孔隙中，因過(guò)飽和，NaHCO3、NaCl、Na2SO4不斷結(jié)晶析出，巨大的結(jié)晶壓力造成混凝土膨脹開(kāi)裂，使得混凝土內(nèi)部損傷，動(dòng)彈性模量下降，強(qiáng)度降低。但是，在凍融循環(huán)初期，混凝土的孔隙中因?yàn)槌錆M復(fù)合鹽的結(jié)晶體變得更加密實(shí)，使得相對(duì)動(dòng)彈性模量與質(zhì)量略有增加。

可見(jiàn)，復(fù)合鹽侵蝕溶液對(duì)混凝土造成的凍融損傷破壞，存在著降低冰點(diǎn)、緩解凍融損傷的正效應(yīng)，也存在著鹽類結(jié)晶膨脹導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂損傷的負(fù)效應(yīng)。在復(fù)合鹽侵蝕與凍融交替反復(fù)作用下，各種鹽結(jié)晶壓對(duì)混凝土的破壞猶如疲勞作用，對(duì)混凝土損傷存在超疊效應(yīng)，當(dāng)損傷負(fù)效應(yīng)累積到大于正效應(yīng)時(shí)，混凝土發(fā)生膨脹開(kāi)裂，混凝土的強(qiáng)度也就不斷降低，直至破壞。

但是，從混凝土試件的脫落程度、破壞速度、質(zhì)量與動(dòng)彈性模量的損失等方面比較來(lái)看，無(wú)論是哪組混凝土，鹽溶液中的混凝土凍融破壞都比水中的嚴(yán)重?？梢?jiàn)，水結(jié)成冰的膨脹壓力，或是冰與水的滲透壓力對(duì)混凝土內(nèi)部損傷的作用相對(duì)較小，而鹽對(duì)混凝土凍脹破壞的作用更大。鹽凍破壞后的各組混凝土微觀結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果也證明了鹽類結(jié)晶破壞是造成混凝土發(fā)生鹽凍破壞的重要因素。

3.3 外加劑在混凝土凍融破壞中的作用

在復(fù)合鹽侵蝕與凍融循環(huán)的共同作用下，引氣混凝土比普通混凝土表現(xiàn)出較好的抗凍性，可見(jiàn)，引氣有利于混凝土抗凍。這是由于摻入引氣劑在混凝土中產(chǎn)生大量的封閉氣泡，這些均勻分布的細(xì)小氣泡不但具有一定的保溫作用，而且能有效地緩沖在凍結(jié)過(guò)程中滲透壓與冰晶應(yīng)力（或鹽類結(jié)晶力）對(duì)混凝土造成的膨脹破壞作用，從而減輕混凝土的凍害。

試驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰的摻入對(duì)提高混凝土抗鹽凍破壞性能作用不大，甚至不如普通混凝土。這是由于粉煤灰對(duì)混凝土后期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比較大，而對(duì)其早期強(qiáng)度不利，粉煤灰的摻量越大，混凝土的早期抗壓強(qiáng)度下降得越多。這一點(diǎn)在試驗(yàn)中也得到了證明，Y-Ⅰ、Y-Ⅳ、Y-Ⅴ3組混凝土的28d立方體抗壓強(qiáng)度分別是37.2、33.1、31.4MPa。隨著齡期的延長(zhǎng)，粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸升高，但是在凍融交替與復(fù)合鹽侵蝕的共同作用下，混凝土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)不及冰晶壓力、滲透壓力與鹽類結(jié)晶壓力產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)，便很快破壞?？梢?jiàn)，季節(jié)凍土區(qū)鹽堿土環(huán)境中服役的混凝土工程不建議采用粉煤灰混凝土，或者粉煤灰摻量過(guò)大的混凝土。

4 結(jié)論

1）季節(jié)凍土區(qū)鹽漬土分布區(qū)內(nèi)的混凝土工程會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的鹽凍剝蝕破壞，混凝土的凍害程度與侵蝕鹽的種類、侵蝕溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、凍融循環(huán)次數(shù)、混凝土的含氣量、粉煤灰摻量等因素有關(guān)。

2）復(fù)合鹽－快速凍融試驗(yàn)初期，由于復(fù)合鹽的滲透與密實(shí)作用，混凝土的質(zhì)量和動(dòng)彈性模量略有增加；隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，混凝土的質(zhì)量和動(dòng)彈性模量均呈下降趨勢(shì)。復(fù)合鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，質(zhì)量和動(dòng)彈性模量下降趨勢(shì)越明顯，混凝土剝落得越嚴(yán)重，有的甚至在中間凍斷。即使在水中的混凝土，質(zhì)量和動(dòng)彈性模量也呈下降趨勢(shì)，只是下降得平緩些。

3）在復(fù)合鹽－快速凍融試驗(yàn)中，引氣混凝土比基準(zhǔn)混凝土抗鹽凍破壞的能力強(qiáng)，且隨著含氣量的增加而增大。而摻入粉煤灰的混凝土沒(méi)有明顯地改善混凝土抗鹽凍破壞的能力，反而比普通混凝土破壞嚴(yán)重。季節(jié)凍土區(qū)鹽堿土區(qū)內(nèi)混凝土工程不建議采用粉煤灰混凝土，宜采用引氣混凝土。

4）在復(fù)合鹽的侵蝕與凍融循環(huán)共同作用下，混凝土發(fā)生鹽凍破壞原因是多方面的，既有水結(jié)成冰的膨脹壓力，或冰與水的滲透壓力，也有復(fù)合鹽對(duì)水泥水化產(chǎn)物的化學(xué)侵蝕以及鹽類的結(jié)晶膨脹壓力。其中，鹽類結(jié)晶壓造成混凝土內(nèi)部損傷是導(dǎo)致混凝土發(fā)生鹽凍破壞的主要因素。

（References）：

［1］洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕與保護(hù)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1998.

Hong Dinghai.Corrosion and Protection of Steel Bars in Concrete［M］.Beijing：China Railway Publishing House，1998.

［2］李金玉，曹建國(guó).水工混凝土耐久性的研究與應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2004.

Li Jinyu，Cao Jianguo.Research and Application of Durability in Hydraulic Engineering Concrete［M］.Beijing：China Electric Power Press，2004.

［3］黃國(guó)興，魯一暉.水工混凝土結(jié)構(gòu)的材料研究創(chuàng)新成果綜述［J］.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2008，6（4）：279-287.

Huang Guoxing，Lu Yihui.General Introduction on Research Achievements of Materials for Hydraulic Concrete Structures［J］.Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2008，6（4）：279-287.

［4］宿曉萍.吉林省西部地區(qū)鹽漬土環(huán)境下混凝土耐久性研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.Su Xiaoping.Research on the Concrete Durability Due to Salinized Soil in the Western Region of Jilin Province［D］.Changchun：Jilin University，2013.

［5］蔣衛(wèi)東，陳嘯，劉斌.基于六盤(pán)山隧道襯砌混凝土腐蝕破壞分析及對(duì)策［J］.公路，2007（11）：228-232.

Jiang Weidong，Chen Xiao，Liu Bin.Analysis and Treatment of Corrosion Failure of Lining Concrete in Liupanshan Tunnel［J］.Highway，2007（11）：228-232.

［6］洪雷，唐曉東.凍融循環(huán)對(duì)高性能混凝土氯離子滲透性的影響［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（18）：41-44.

Hong Lei，Tang Xiaodong.Influnence of Freezing－Thawing Cycles on Chloride Permeability of High Performance Concrete ［J］. Journal of Wuhan University of Technology，2010，32（18）：41-44.

［7］葛勇，楊文萃，袁杰，等.混凝土在硫酸鹽溶液中抗凍性的研究［J］.混凝土，2005（8）：71-73.

Ge Yong，Yang Wencui，Yuan Jie，et al.Research on Frost Resistance of Concrete in Sulfate Solution［J］.Concrete，2005（8）：71-73.

［8］Tian B，Cohen M D.Does Gypsum Formation During Sulfate Attack on Concrete Lead to Expansion？［J］.Cement and Concrete Research，2000，30（1）：117-123.

［9］楊文武，錢(qián)覺(jué)時(shí)，黃煜鑌.海洋環(huán)境下硅灰混凝土的抗凍性與氯離子擴(kuò)散性［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32（2）：158-162.

Yang Wenwu，Qian Jueshi，Huang Yubin.Frost Resistance and Chloride Ion Diffusion of Silica-Fume Concrete in a Marine Environment［J］.Journal of Chongqing University，2009，32（2）：158-162.

［10］王復(fù)生，秦曉娟，孫瑞蓮.青海察爾汗鹽湖條件下水泥混凝土侵蝕的試驗(yàn)研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2003（4）：25-28.

Wang Fusheng，Qin Xiaojuan，Sun Ruilian.Study on Corrosion and Destruction of Concrete Under Natural Conditions of Caerhan Salt Lake［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2003（4）：25-28.

［11］余紅發(fā)，孫偉，李美丹.混凝土在化學(xué)腐蝕和凍融循環(huán)共同作用下的強(qiáng)度變化［J］.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，22（4）：588-592.

Yu Hongfa， Sun Wei， Li Meidan. Strength Development of Concrete Subjected to Combined Actions of Freezing-Thawing Cycles and Chemical Attack［J］.Journal of Shenyang Jianzhu University，2006，22（4）：588-592.

［12］張曉平，李梁.吉林省大安市鹽漬化土壤特征及現(xiàn)狀研究［J］.土壤通報(bào)，2001（增刊1）：26-30.

Zhang Xiaoping，Li Liang.Characteristic and Current Situation of Salinized Soil in Da’an City，Jilin Province［J］.Chinese Journal of Soil Science，2001（Sup.1）：26-30.

［13］李曉軍，李取生.松嫩平原西部土地利用變化及其鹽漬化效應(yīng)研究［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2005，19（3）：88-92.

Li Xiaojun，Li Qusheng.Studies on Land Use Change and the Land Salinization of the Western Songnen Plain［J］.Journal of Arid Land Resources and Environment，2005，19（3）：88-92.

［14］李彬，王志春，梁正偉，等.吉林省大安市蘇打堿土鹽化與堿化的關(guān)系［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2007，25（2）：151-155.

Li Bin， Wang Zhichun，Liang Zhengwei，et al.Relationship Between Salinization and Alkalization of Sodic Soil in Da’an City，Jilin Province［J］.Agricultural Research in the Arid Areas，2007，25（2）：151-155.

［15］王文華.吉林省西部地區(qū)鹽漬土水分遷移及凍脹特性研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

Wang Wenhua.A Study on the Moisture Content Migration and Characteristics of Frost Heaving of Saline Soil in the Western of Jilin Province［D］.Changchun：Jilin University，2011.

［16］宿曉萍，王清.復(fù)合鹽與干濕循環(huán)雙重因素作用下混凝土耐久性試驗(yàn)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版，2013，43（3）：851-857.

Su Xiaoping，Wang Qing.Experiment of the Concrete Performance Under the Condition of Multiple Salts and Dry-Wet Cycles［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2013，43（3）：851-857.

［17］羅騏先，Bungy J H.用縱波超聲換能器測(cè)定混凝土表面波速和動(dòng)彈性模量［J］.水利水運(yùn)科學(xué)研究，1996，9（3）：264-270.

Luo Qixian，Bungy J H.Using Compression Wave Ultrasonic Transducers to Measure Velocity of Surface Waves and Dynamic Modulus of Elasticity for Concrete［J］.Hydro-Science Research，1996，9（3）：264-270.

［18］段桂珍，方從啟.混凝土凍融破壞研究進(jìn)展與新思考［J］.混凝土，2013（5）：16-20.

Duan Guizhen，F(xiàn)ang Congqin.Research Progress and New Thinking of Destruction of Concrete Due to Freeze-Thaw Cycles［J］.Concrete，2013（5）：16-20.

Frost Resistance and Durability Mechanism of Concrete Under Saline-Alkali Condition in Seasonal Frozen Soil Area

Su Xiaoping1，Wang Qing2，Wang Wenhua1，Sun Haoyue3
1.SchoolofCivilEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China
2.CollegeofConstructionEngineering，JilinUniversity，Changchun130026，China
3.JilinProvincialElectricPowerSurveyandDesignInstitute，Changchun130021，China

In order to study the frost resistance and durability of concrete structures under double factors of salts attack and freezing-thawing cycles in seasonal frozen soil area，multi-salt solution with three kinds of mass fraction and water were prepared according to the type and quantity of the main dissolved salts in the spring soil of Daan region.Specimens of ordinary concrete with different mixture ratios，two kinds of air-entraining concrete and two kinds of fly-ash concrete were prepared for the multiple salts and freezing-thawing cycle tests.The mass loss，dynamic elastic modulus reduction and microstructure of tested samples were analyzed.Results showed that concrete erosion was aggravated by multi-salt under the action of freezing-thawing cycles.The degree of frozen damage was related to the mass fraction of salt solution，times of freezing-thawing cycle，air content in concrete and fly-ash addition ratio.Reasons that lead salt-frozen damage occur were expansion pressure produced during the course of water turning into ice，the seepage pressure of ice and water and the chemical erosion and crystalline swelling of salt from the reaction between multi-salt and cement hydration production，among which salt crystallization played more important role in the damage of concrete internal structure.

saline-alkali soil；salt corrosion；freezing-thawing cycle；concrete；frost resistance

10.13278/j.cnki.jjuese.201404201

TU528.33

A

宿曉萍，王清，王文華，等.季節(jié)凍土區(qū)鹽漬土環(huán)境下混凝土抗凍耐久性機(jī)理.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版，2014，44（4）：1244-1253.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404201.

Su Xiaoping，Wang Qing，Wang Wenhua，et al.Frost Resistance and Durability Mechanism of Concrete Under Saline-Alkali Condition in Seasonal Frozen Soil Area.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1244-1253.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404201.

2013-10-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（406721780，41302247）；吉林省科技廳項(xiàng)目（20130413055GH）；吉林省教育廳項(xiàng)目（120130042）；吉林省重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目（2013-10）

宿曉萍（1971—，女，副教授，博士，主要從事地質(zhì)工程、混凝土耐久方面的研究，E-mail：sxp5400＠163.com

王清（1959—，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事地質(zhì)工程方面的研究，E-mail：wangqing＠jlu.edu.cn。