除冰盐对混凝土的影响及防治-论文网

摘要：针对寒冷地区使用除冰盐而造成混凝土结构严重损伤，使用年限大为减少的现象，分析了除冰盐对混凝土结构的破坏机理及其影响因素，并提出相应的防治措施。
关键词：除冰盐; 混凝土; 剥蚀破坏; 冻融
1 引言
由于过去偏重混凝土的强度特性而忽略了耐久性，致使很多混凝土结构没有达到预期使用年限而过早的破坏。造成了巨大的经济损失。国内外很多混凝土结构都出现了耐久性问题。其中，对耐久性影响比较严重的两个原因是钢筋锈蚀和冻融破坏。
混凝土的冻融破坏一般发生在寒冷地区经常与水接触的建筑，如桥面，路面等[1]。为了防治道路积雪、结冰引起的交通事故，保证道路的畅通，通常在路面撒除冰盐（NaCl和CaCl2）进行除冰和融雪。致使混凝土在冻融循环破坏的同时，在除冰盐的共同作用下，使其破坏速度远大于普通冻融破坏，从而加速了混凝土路面、桥面的剥蚀，甚至骨料裸露。严重影响水泥混凝土的使用寿命。美国每年用于修复由盐冻而导致路和桥面破坏的费用大于2000亿美元，是初建费的4倍。我国北方地区由于除冰盐的使用，也出现了大量的混凝土路面和桥面过早破坏，或者严重剥蚀。因此由于除冰盐和冻融的共同作用，而导致混凝土过早破坏是一个急待解决的问题，应该引起人们的足够重视。
2 盐冻对混凝土的破坏机理
目前，对盐冻引起的混凝土损伤程度，一般采用相对动弹性模量和质量损失率表示。相对动弹性模量本身反应的是混凝土内部的微裂纹开展情况，质量损失反应混凝土表面的破坏程度，达到一定的程度的质量损失，混凝土表面剥落会造成骨料的暴露。因此，现在很多实验研究中，用这两个指标反应混凝土内部和表面受到损伤的程度。
2.1 物理作用机理
除冰盐的吸湿作用和保水作用，大大提到了混凝土的保水度和渗透压，使混凝土内部的渗透压和结冰压增大，加剧了冻融破坏。此外，由于除冰盐的使用，当吸入了盐溶液的混凝土失水干燥时，孔中盐过饱和而结晶，在交替的干湿循环下，盐的结晶压力使混凝土膨胀开裂。
使用除冰盐的混凝土由于渗透程度的不同，使不同厚度处盐浓度分布存在差异[2]，其结冰程度也不相同，造成混凝土内部的应力差，进而导致混凝土的剥落。Rosli和Harnick认为[3]：除冰盐融化时从混凝土吸收了大量热能，是表面的混凝土温度骤减，对混凝土引起低温冲击作用，产生温度应力，加剧了混凝土的冻融破坏。
2.2 化学作用机理
除冰盐对混凝土有化学侵蚀的作用[4]。有研究表明，长期暴露在NaCl溶液中的水机浆体，其水化产物Ca(OH)2会于NaCl发生化学反应：
NaCl+Ca(OH)2→2NaOH+CaCl2
Ca(OH)2的滤出增加了混凝土暴露面附近的空隙率，使结冰量增加，进一步加剧混凝土剥蚀破坏。同时CaCl2比NaCl具有更强烈的化学侵蚀作用，当温度超过30℃，浓度超过20%时，混凝土中的Ca(OH)2会于CaCl2反应生成3Cao•CaCl2•15H2O复盐而溶出，对混凝土结构影响并不是太大。而当温度小于30℃时，3Cao•CaCl2•15H2O复盐在混凝土内部形成，属于膨胀型产物。复盐主要集中在混凝土的表层，当其产生膨胀时，引起混凝土表层剥落。同时，由于消耗了大量的Ca(OH)2，破坏了C-S-H凝胶和Ca(OH)2之间的平衡，导致C-S-H凝胶的分解，促进表面剥落，破坏混凝土结构。
其实，现有的冻融循环实验方法中，试件的制作流程、养护条件、冻融循环制度及盐溶液的浓度取值，不同的方法在具体参数上存在很大的差异，主要表现在冻融制度（冻融循环温度，冻结持续时间，降温速率）、传热介质及其接触方式和评价指标等方面。对其进行的研究，大多通过对比实验，得出对比结果。并且随着环境和混凝土自身性质的改变，盐冻的破坏力以及未冻结水的迁移方向都有可能发生改变，其作用机理也可能发生变化。迄今为止，对混凝土盐冻害机理的认识并没有统一的结论。
3 盐冻作用下混凝土破坏特征
冻融破坏是一个物理过程，裂缝与集料边缘相互连通，而破坏集料周围的浆体，在破坏发展到一定程度时会酥松，骨料与浆体之间存在与骨料粒径相关的裂缝，并不发生化学侵蚀现象。混凝土在保水状态下因冻融循环在内部产生裂缝并逐步累积扩展，导致混凝土的疏松开裂和体积膨胀。最常见的两种破坏方式是有冻胀开裂和体积膨胀。而除冰盐的使用又加速和加剧了冻融破坏。
在使用除冰盐情况下，混凝土更多的表现为表面剥蚀，破坏从表面逐步向内部发展，使表面水泥砂浆层剥落，骨料暴露，致使表面凹凸不平，而在剥蚀层下的混凝土层依然保持良好的密实性。混凝土的剥落是一层一层的向下发展的。在破坏截面上能看到分层剥蚀的痕迹，当到实际路面或桥面观察时，在未受干扰处甚至能看到白色的NaCl结晶体。当混凝土表面盐溶液为中低浓度时，破坏最为严重。浓度过高或者过低混凝土的剥落量都会减小，即存在一个临界质量分数，文献报道的临界质量分数一般为3.0%～4.0%[5]，故很多实验都用质量分数为3.5%的NaCl溶液作为冻融实验介质。而当混凝土表面上不存在盐溶液层时，剥蚀量将大为减少。只有在最低温度低于-10℃时，混凝土才发生剥蚀破坏，且破坏随着最低气温的降低和持续时间的增加而增大。并且盐冻破坏非常快，如果不采用掺入引气剂增加其耐久性的方式，破坏往往经一两个冬季就可看到，比碱—骨料反应快。
4 防治与改善措施
混凝土受冻破坏的根本原因是混凝土存在可冻水，因此，如何避免混凝土受冻前具有较高的保水度是一个非常重要的问题。首先应在桥、路面上合理的开排水沟或埋排水管道，使融化水及时的排出。其次，应提高混凝土的抗渗性能。抗渗性能对混凝土的抗冻耐久性起重要的作用，渗透控制着水分渗入的速率和混凝土的保水程度，控制着冰冻时水的移动。而混凝土的抗渗性取决于混凝土的密实程度、空隙数量和空隙构造等。具体的方式是，在寒冷地区制作混凝土结构时，采用低的水胶比，充分振捣和养护，掺入适量的硅灰、粉煤灰和矿渣等混合材料，可以形成渗透性很低的混凝土结构从而提高其耐久性。减小由于冻融而造成的损害。
引气剂的加入能在混凝土中产生大量的微小气泡，从而显著减低了混凝土的气泡间距。工程实践表明，适当掺入引气剂是提高普通混凝土抗冻的最主要的措施之一。同时引气剂的加入还能对新拌混凝土和硬化混凝土的性能产生一定的影响。增加混凝土的工作度和塑性，减小混凝土的离析和泌水。在我国的北方地区，混凝土结构都应该适当加入引气剂，特别是在除冰盐存在的环境更应该掺加，引气量最好控制在5.0%左右。
适当降低水灰比。水灰比从两方面影响混凝土的抗冻性，即强度和可冻结水的量。水灰比是影响混凝土抗冻性能的主要因素之一。当水灰比高于一定值时，混凝土中含有可冻结的水量增加，孔结构粗大，混凝土的强度和抗冻性降低。为了使混凝土具有更好的抗冻性能，水灰比最好≤0.45。
骨料也是影响混凝土抗盐冻剥蚀的重要因素。不应该将一些对冻融敏感或者具有较高孔隙率的骨料应用于受冻融的混凝土结构上。有研究表明，在制备混凝土时适量的加入硅灰能够显著的提高混凝土的抗盐冻性能。由于盐冻破坏是从混凝土表面向内部发展的，因此施工时的浇注、振捣、抹面、养护和表面处理决定混凝土表面层的质量，要特别注意混凝土表面的养护和保护。在泌水停止前，要防止新拌混凝土表面迅速干燥；在泌水消失前不要抹面，并且要防止过分抹面。同时，一些新的融雪剂的研发，以及控制撒盐的数量等都可以有效减少盐冻对混凝土结构损伤。
5 结语
当除冰盐存在时，混凝土遭受盐冻破坏，已经在世界范围内造成了严重的影响和巨大的经济损失。如何有效较少盐冻的破坏以及由除冰盐所带来的影响应该引起人们的足够重视。应建立更加科学和合理的实验方法，进一步研究盐冻对混凝土结构的破坏机理，从而采取相应的措施较少盐冻对混凝土的损害。
参考文献：
[1] 梅泰, 混凝土性能与材料[M]. 祝永年, 等译. 上海: 同济大学出版社, 1991.
[2] 张国强. 混凝土抗盐冻研究[D]. 北京: 清华大学, 2005.
[3] Rosli , A1and Hamick , A1B1Improving the durability on concerete to freezing and deicing salts [M] 1Durability of Building Materials and Components , 1980.
[4] 单炜, 张玉富, 柳俊哲. 除冰盐对碱骨料反应的影响研究[J]. 低温建筑技术, 2004 , (6) : 1-2.
[5] 黄士元, 蒋家奋, 杨南如, 等. 近代混凝土技术[M]. 西安: 陕西科学技术出版社, 1998.