盐环境下混凝土抗冻性及其机理研究

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我国西部和北半部广大地域的混凝土耐久性主要取决于混凝土抗冻融耐久性,尤其是处在盐湖区、盐渍土地区、沿海地区和撒盐除冰雪的路面和桥梁混凝土冻害严重、作用因素和破坏机理复杂。系统地、深入地研究盐环境下混凝土的抗冻性及其机理对于我国的大规模基础建设具有重要的理论和实际意义,对混凝土科学发展有促进作用。  本文在调研我国混凝土冻融破坏状况和环境气候条件特征的基础上,针对混凝土表面剥落和内部损伤两种主要破坏类型,较系统地研究了我国代表性地域年冻融次数和年有害冻融次数的确定方法。并较系统地研究了各种常见盐溶液在低温下的体积膨胀率、混凝土在冻融过程中的体积吸液率以及影响混凝土抗冻性的主要因素、混凝土的冻融破坏规律及其机理,为提高混凝土抗冻融耐久性、合理设计混凝土在盐环境的抗冻等级提供了理论基础。  研究结果表明,混凝土冻融次数不应按气温而应按最高地表温度≤-3℃和最高地表温度>0℃的交替次数确定,造成剥落破坏的年有害冻融次数应为≤-6℃和>0℃的交替次数。得出同海拔高度下寒冷地区冻融次数高于严寒地区,高原地区冻融次数高于同纬度平原地区等结论。并按年有害冻融次数及气候、环境条件类型和结构设计使用年限给出水泥混凝土路面、桥梁混凝土抗冻等级划分表。研究结果为我国各地域混凝土工程按耐久性设计提供了依据。  研究得出盐种类不同,则混凝土的冻融破坏速度有很大的不同。混凝土在氯化钠和氯化钙溶液中的冻融破坏速度远大于在水中,更大于在氯化镁溶液、硫酸镁溶液中的破坏速度;硫酸钠溶液中混凝土的抗冻性与在水中抗冻性基本相近;研究发现混凝土在硫酸钠溶液中经受冻融-干湿循环交替作用时,混凝土表面剥落严重,动弹性模量损失也大于水中或硫酸钠溶液中单独冻融作用,干湿循环导致的硫酸钠盐结晶和硫酸钠化学腐蚀作用是混凝土破坏的主要原因,冻融循环则加速了这种破坏。  通过对混凝土在水和盐溶液中冻融过程中的体积吸液率和溶液在低温下的体积膨胀率的变化对混凝土冻融破坏规律的研究,提出了评价混凝土抗冻融性的综合指标——“冻害因子”的概念。将混凝土孔隙内盐溶液结冰后固体或固液混合物的填充程度与同条件下混凝土孔隙内水结冰后填充程度之比定义为盐溶液对混凝土的冻融损害因子(简称冻害因子δ)。冻害因子的大小与混凝土的体积吸液率以及溶液低温膨胀率成正比。由于冻害因子与混凝土内部孔隙的液体饱和度相关,并且冻害因子综合了盐溶液对混凝土体积吸液率、低温体积膨胀率以及对冰点降低的正负效应对混凝土冻融的影响,因而冻害因子可以作为评价混凝土抵抗盐冻破坏性能的综合参数。按冻害因子大小,即盐溶液对混凝土冻害程度的作用大小将盐类分为加速冻害型盐(δ>1)、减速冻害型盐(δ<1)和无助冻害型盐(δ≈1),氯化钠、氯化钙属于加速冻害型,硫酸钠属于无助冻害型,而氯化镁和硫酸镁属于减速冻害型。利用冻害因子以及对盐的分类,可以在规定的冻融温度和冻融次数下,对同一结构混凝土,通过测定不同种类盐溶液的冻害因子来评价盐溶液的种类和浓度对混凝土的冻害作用类型和程度;也可以在规定的条件下,测定规定浓度盐溶液的冻害因子,以评价混凝土的抗盐冻性能。  本文对影响冻害因子的因素,即混凝土的体积吸液率、低温体积膨胀率等进行了研究,得出混凝土的含气量、水胶比以及盐种类、浓度、冻结温度、冻融次数及试验方法等对混凝土的体积吸液率、低温体积膨胀率等有较大影响,表明冻害因子综合了影响混凝土抵抗盐冻破坏的主要因素。在上述基础上,本文对不同种类盐溶液中混凝土的冻融破坏机理进行了探讨,并成功地利用冻害因子从理论上解释了混凝土在上述盐溶液中的冻融破坏速度和破坏程度的巨大差异以及出现对混凝土抗冻性最不利浓度的原因,并得到实验验证。
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