混凝土结构盐冻破坏机理研究
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摘要：矿渣水泥早龄期就具有较强的抗氯离子渗透能力，甚至在非常低的温度下也是如此，而粉煤灰水泥的早龄期抗氯离子渗透能力很差，而且温度越低抗氯离子渗透能力很差。在严酷的海洋环境下，施工中早期暴露时，与其他类型的水泥相比，用粉煤灰水泥配制的混凝土较为脆弱。
中图分类号：O611文献标识码： A 文章编号：
为了综合评价混凝土抗盐冻破坏能力，需要考虑很多因素。尽管水胶比是影响混凝土抗盐冻破坏的重要因数，但有文献表明，水泥或胶凝材料的类型和水胶比同等重要，甚至影响更大。在过去的100多年里，无论是实验室的试验结果还是大量的实际应用，都证实了采用粒化高炉矿渣水泥能够显著提高混凝土抗盐冻破坏能力。同样，天然的或工业的火山灰质材料如超细矿粉，粉煤灰，也有显著效果。
现有四种水泥：a高性能波特兰水泥HPC，标号为CEM I52.5LA；b粉煤灰水泥PFA，标号为CEM Ⅱ/A-V42.5R，含有约18%的粉煤灰；c标号为CEM Ⅱ/B-S 42.5R NA含有约34%的矿渣GGBS1高炉矿渣水泥；d标号为CEM Ⅲ/B 42.5 LH HS 含有约70%的矿渣GGBS2高炉矿渣水泥。
两种矿渣水泥的抗氯离子渗透性明显好于粉煤灰水泥，更优于波特兰水泥。在掺有硅灰的较密实的混凝土中，不同种类水泥的差别影响较小。但是，即使在最密实的混凝土中，两种矿渣水泥和其他两种水泥的试验结果也有明显不同。在早龄期时，两种矿渣水泥的抗氯离子渗透性要高于其他两种水泥，这表明矿渣混凝土施工早期暴露于严酷海洋环境或除冰盐环境时抗氯离子渗透能力很强。在早龄期混凝土抗氯离子渗透性方面，处于低温的严酷盐冻融破坏环境下，使用波特兰水泥或粉煤灰水泥的混凝土结构与矿渣水泥混凝土结构相比明显处于劣势。近几年来，与纯波特兰水泥比较，掺混合材的波特兰水泥应用呈现较快的增长趋势。用作混合材的材料如粉煤灰，高炉矿渣等有时也作为单独的混合材料直接加到混凝土拌合料中使用，然而关于这类混合材料对混凝土抗氯离子渗透性的影响问题也随之而来。高炉矿渣是水硬性胶凝材料，而大部分种类的粉煤灰都是火山灰质材料，影响火山灰反应的主要因数是有效CaOH2量的多少。相对于粉煤灰来说，虽然可以用大量的高炉矿渣代替波特兰水泥，但是高炉矿渣掺量也有一个上限，超过上限后它的影响效果很小。当矿渣的含量在25%-50%之间时，氯离子扩散系数下降很快；在此之后氯离子扩散系数还有所下降，但下降程度已较小。对很多波特兰水泥的替代材料来说，通过增加这些材料的细度可以达到更好的抗氯离子渗透效果。
2耐久性分析
为了说明锈蚀概率的计算是如何用于新建混凝土结构的耐久性设计的，以下给出一些新建混凝土港口结构的耐久性设计结果。给定结构的总体耐久性要求是，在锈蚀概率达到10%之前，至少要有120年的服役寿命。此外，还要满足现有混凝土规范规定的最低耐久性要求。
3 氯离子扩散性的影响
混凝土由四种添加和不添加硅灰的商业水泥制成。即上述水泥组成的四种混凝土拌合物1-4类的水泥用量为390kg/m3，硅灰为39kg/m310%，水胶比为0.38。作为对比，还配制了另外四种混凝土拌合物5-8类，水泥用量为420kg/m3，水胶比为0.45。根据28d氯离子扩散系数D28氯离子扩散系数，时间因子α和临界氯离子含量CCR等参数，进行了耐久性分析。在所有分析中，混凝土保护层厚度和环境荷载的参数是不变的。为了满足目前混凝土规范对混凝土最小保护层厚度和容许偏差的要求，混凝土保护层厚度平均值选为70mm。
4混凝土保护层的作用
为了评价超出上述分析中最小要求厚度70mm的名义混凝土保护层的作用，对厚度分别为90mm和120mm的混凝土保护层进行了耐久性分析。名义混凝土保护层厚度为70mm的1类混凝土只有大约25年的服役寿命，而当混凝土保护层厚度增加到90和120mm时，锈蚀概率达到10%时的服役寿命分别可以提高到50年和120年。
对某种混凝土结构或构件，要显著提高名义混凝土保护层厚度至90mm以上时，则难免在容许裂缝宽度方面增加风险。如果在混凝土中适量掺加合成纤维则在某种程度上可以消除这种影响。然而，通过把外层的钢筋换成合适质量的不绣钢钢筋，就可以将有效混凝土保护层厚度增加到120mm，甚至更高。在此方面，可以用耐久性分析来确定需要用多少不绣钢钢筋代替普通钢筋以满足所需要的安全等级和防止钢筋锈蚀。
5结论
(1) 针对不同等级的路面混凝土，满足抗盐冻性要求的最大水胶比和最小水泥用量应符合表3中的规定。
表3 满足抗盐冻性要求的最大水胶比和最小水泥用量
(2) 引气有效提高盐类环境中冻融与干湿循环交替作用下混凝土的抵抗破坏能力及抗钢筋锈蚀能力。
(3)矿渣水泥早龄期就具有较强的抗氯离子渗透能力，甚至在非常低的温度下也是如此，而粉煤灰水泥的早龄期抗氯离子渗透能力很差，而且温度越低抗氯离子渗透能力很差。在严酷的海洋环境下，施工中早期暴露时，与其他类型的水泥相比，用粉煤灰水泥配制的混凝土较为脆弱。
(4)受盐冻融循环时，W/C=0.5以上时混凝土的相对动弹性模量下降，平均剥落深度增大，抗压强度降低倾向显著；而W/C=0.4以下时混凝土的相对动弹性模量，平均剥落深度，抗压强度下降程度与水冻融循环相当，即W/C=0.4以下时混凝土受盐冻破坏影响较小。
(5)基于可靠度的锈蚀钢筋，预测混凝土结构使用寿命。随着名义混凝土保护层厚度的增加，混凝土结构的服役寿命得到增长。
[参考文献]
严酷环境下混凝土结构的耐久性设计 （挪威）odd E.GjØrv 著 赵铁军 译
混凝土结构耐久性设计与施工指南,中国工程院土木水利与建筑学部
混凝土结构耐久性设计.刘秉京编著 人民交通出版
混凝土结构耐久性设计与评估方法,金伟良 赵羽习主编 机械工业出版社