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1、第一届全国公路科技创新高层论坛论文集 公路设计与施工卷 150 水泥混凝土路面抗冻性与抗盐冻性研究 郭 荣 泰 黑 龙 江 省 交 通 厅 摘 要摘 要 本文对寒冷地区水泥混凝土路面在冻融和除冰盐剥蚀环境中出现早期破坏现象的机理 和改善措施进行了研究分析,并对提高水泥混凝土路面使用耐久性进行了工程实践总结。 关键词关键词 寒冷地区水泥混凝土路面早期破损；引气混凝土路面抗冻耐久性。 一、寒冷地区水泥混凝土路面发生部分早期破坏，令人不解和焦虑不安 近十年以来，随着国民经济的快速发展，我省修建高等级公路 5000 多公里，其中 2/3 是水泥混 凝土路面，由于其刚度大，稳定性好，承载能力强，使用寿命
2、长，养护费用低和施工简易方便等特 点，在我省发展很快，1997 年高峰期，年峻工里程达 1100 公里。 我省地处祖国的最北方，每年冬季达六个月以上，哈尔滨最低气温-35，该地区夏季高温和冬 季低温温差达 70。而且降雨降雪量也比较大，我省的水泥混凝土路面常年经受反复冻融、干湿交 替、路基冻胀、超载严重等非常严酷的条件。89 年修筑的哈阿公路 30 公里，仅使用八年就出现大 面积严重破坏，不得已重新铺筑 15 厘米厚沥青混凝土。在其它一些路段上也陆续出现早期破坏，断 板、错台、损边、掉角、沉陷、板下脱空、面层剥落、坑洞等，而采用撒除冰盐的哈绥公路近 20 公 里，仅一个冬季之后，就出现严重的大
3、面积剥蚀破坏。 水泥混凝土路面在使用不到 10 年时间就出现大面积大段落的早期破坏， 在工程技术界和领导干 部中产生了强烈的反响，深刻反思在路面设计、施工和养护管理中的有关问题，虽然都存在一些需 要改进和注意的问题，但都没有违规行为，综合各方面存在的问题，都不至于使水泥混凝土路面发 生如此严重地如此过早地破坏。设计使用年限 20 年或 30 年，为什么在不到设计年限的 1/2 或 1/3 时间内就出现严重破坏，水泥混凝土路面的耐久性哪儿去了！实在令人不解。我们已经修筑了 3500 多公里水泥混凝土路面，而且每年还在继续修筑 300-400 公里，如此下去，实在令人焦虑不安。 二、提高水泥混凝土
4、路面抗冻耐久性和抗盐剥蚀性能，科学技术从根本上解决问题 （一）20 公里撒盐破坏路面促成黑龙江省交通厅与同济大学材料工程学院结缘，开展高抗冻融 高抗盐剥蚀混凝土路面的研究与应用。 我省哈绥公路 1995 年交工，1996 年冬季因降雪量大，路面积雪和结冰严重，影响交通正常运 行，公路养护单位根据交通部颁发的有关使用除冰盐除冰雪的技术规程撒除冰盐，1997 年 2 月末在 撒除冰盐的路面和路肩板表面出现大面积的剥蚀破坏，破损路段长近 20 公里。 省高等级公路管理局发现这种以前从未见过的破坏后，曾组织有关单位研究破坏原因，按传统 的分析测试方法得不出结论。1997 年 3 月请同济大学材料工程学
5、院咨询，经黄士元教授和杨全兵付 研究员亲赴现场调查研究，做出了是盐冻破坏的结论。既不是设计问题，也不是施工问题，更不是 养路单位违规操作问题。 水泥混凝土路面在撒除冰盐后，经过一个冬季即产生大面积表层剥蚀破坏，这种盐蚀破坏要比 常规的冻融破坏严酷得多，出现破坏的时间也短得多。为解决黑龙江省水泥混凝土路面抗冻耐久性 和抗盐剥蚀问题，以提高路面使用年限，省厅有关部门与同济大学材料工程研究所共同完成了几个 科研项目，对水泥混凝土路面在冰冻或盐冻作用下的破坏机理、防止措施、材料设计和引气混凝土第一届全国公路科技创新高层论坛论文集 公路设计与施工卷 151 路面施工技术规程，质量检测评定方法等进行了深入
6、地开发研究，取得了可喜的成果。 （二）立题研究，弄清水泥混凝土路面冰冻与盐冻破坏机理及改善措施 1、混凝土的抗冻性 冻害机理及检测方法 混凝土的抗冻性是指混凝土在饱和水状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，同时也不严重降 低强度的性能。寒冷地区混凝土结构经常接触水的部位，当气温下降至混凝土中水的冰点以下时， 水就会结冰，体积增加约 9%，当水充满混凝土的孔隙时，水结冰过程中由于体积的增大会对孔壁产 生很大的压力，使混凝土产生微小裂缝。经过反复冻融，裂缝将不断向深度发展，引发混凝土结构 的破坏。 混凝土抗冻性的检测方法，按交通部公路工程水泥混凝土试验规程采用快冻法测定其抗冻标 号。 影响混凝土抗冻
7、性的因素及改善措施。 影响混凝土抗冻性的因素很多，除外部环境的冻融循环以外，主要有以下几个因素： a、混凝土的密实度，密实度越大，抗冻性越好 b、混凝土的孔隙结构及数量，开口孔隙越多，抗冻性越差； c、混凝土的饱水程度，如果毛细管内达到吸水饱和状态，就能产生冰冻破坏； d、水灰比越大，开口孔隙越大，抗冻性越差； e、随着龄期增加，水泥不断水化，可冻结水不断减少，同时，水中溶解盐的浓度增加，冰点下 降，使抗冻性得以改善。 提高混凝土抗冻性最有效的途径是掺用引气剂或引气减水剂，在混凝土内部产生互不连通的微 小气泡，截断了渗水通道，使水分不易渗入内部。同时，这些大量的微小的气泡有一定的适应能力， 对
8、冰冻破坏起一定的缓冲作用。混凝土的含气量以 4%-6%为宜。 提高混凝土抗冻性的其他措施有：严格控制水灰比，为降低水灰比要掺用高效减水剂，最大限 度的减少用水量，在提高强度的同时，提高混凝土的抗冻性；另外，选用优良的材料，减少集料中 的泥土含量，保证混凝土的匀质性，加强早期养护，防止初期受冻等。 2、混凝土的抗盐冻性 （1）冻害机理及检测方法 混凝土盐冻剥蚀破坏的根本原因是混凝土中存在可冻水。与受冻时，混凝土中可冻水结冰，将 产生 9%的体积膨胀，从而产生结冰压力。当混凝土的饱水度达到或越过临界饱水度（理论上为 91%） 时，混凝土就受到拉应力作用，并因冻融循环增加而不断加剧，直至混凝土开裂和
9、破坏。 既然盐能降低水结冰温度，应该可以减轻混凝土的受冻破坏，那为何还会导致混凝土的冻害加 剧呢？其实，这是除冰盐对混凝土抗冻有利的一面，但同时它又带来许多不利于抗冻的另一方面。 试验表明，混凝土试体不论在那种环境中，当混凝土内部含盐量越高，混凝土中的平衡饱水度 也越高。另外，在毛细管吸水试验中，试件中盐含量越高，达到平衡饱水度的时间越短，即能更快 地达到饱水状态；相反，在失水试验中，试件盐含量越高，达到平衡饱水度的时间越长，即更难失 水。因此，当使用除冰盐时，由于盐的吸湿性和保水性，含盐混凝土中的初始饱水度明显比不含盐 除冰盐的高，即含有更多的可冻水。当受冻时，混凝土中将产生更高的结冰压。
10、除冰盐除了提高混凝土中的饱水度（破坏的主要机理）外，还带来其他不利影响：第一由于盐 的浓度差，受冻时，混凝土中将产生更高的渗透压，以及因分层结冰产生更大的应力差；第二，由 于盐产生的过冷水是在不稳定状态，使其最终在毛细管中结冰时结冰速度更快，将产生更大的破坏第一届全国公路科技创新高层论坛论文集 公路设计与施工卷 152 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 5% 10%15%20% 力；第三；由于盐使冰雪融化时将吸收大量的热量，使冰雪覆盖层下的混凝土温度剧降，导致额外 的冻害。 正是由于除冰盐对混凝土抗冻性的双重效应，造成中低浓度的除冰盐引起的混凝土盐冻剥蚀破 坏
11、最为严重。从图 1 可看出用 Nacl 除冰盐浓度为 3-5%时，引起的混凝土路面破坏最严重。 Nacl 浓度 图 1 除冰盐浓度对混凝土抗盐剥蚀性的影响 总之，除冰盐对混凝土抗冻性产生的不利影响超过了它的有利影响。因此，在冻融循环和除冻 盐的协同作用下，混凝土的冻害将明显加剧。 盐冻试验方法： 由于我国还没有制定有关评定混凝土抗盐冻剥蚀性的方法，在研究中我们采用的试验方法参照 欧洲共同体通用试验标准 RILM TC117-FDC/95，由于这种方法的试验条件比普通抗冻性试验严酷得 多，能快速区分出混凝土抗冻性的优劣，因此，现在已被用来评定混凝土的普通抗冻性。大量研究 和工程实践认为，具有高抗
12、盐剥蚀性的混凝土，肯定具有高的抗冻性。 试验前，先配制 3%的 Nacl 溶液做为冻融介质，接着像普通冻融试验那样，把 100100400mm试件放入胶皮捅内，并将桶浸入冰箱冷冻液中，其底部用环型塑料垫撑起。然后把冻融介质灌入胶 皮桶内，使周围充满盐溶液，并保证试件顶部盐溶液深度超过 2 厘米，最后进行冻融试验。 冻融试验制度为：在-17-20的温度下。冻 3.5 小时，接着在 1520下融 3.5 小时， 即构成一次冻融循环。冻结时试件中心温度不高于-17，融化时试件中心温度不低于 10，混凝 土试件在进行 2 次、7 次、14 次、28 次、42 次及 56 次循环后，测定混凝土的剥蚀量，
13、同时还按着 普通冻融试验的常规方法测定试件的重量损失和相对动弹性模量。盐冻试验结束后，最后测定试件 的抗折和抗压强度。 （2）影响混凝土抗盐冻剥蚀性的因素及改善措施 影响混凝土抗盐冻剥蚀性的因素及改善措施，与前述影响混凝土抗冻性因素相同，因抗冻性好 的混凝土，其抗盐冻剥蚀性能也会好。表一、表二、表三说明引气混凝土配合比及其性能。 不掺引气剂混凝土 10 次冻融循环 剥落量kg/M2第一届全国公路科技创新高层论坛论文集 公路设计与施工卷 153 表一 引气混凝土配合比和性能指标 混凝土配合比（重量比）外加剂剂量 实际水灰比坍落度密度含气量 抗折强度 水泥:砂:小碎石，大碎石：水ENC 型 sj-
14、2 型 mm kg/M3% R7 R28 R90 1:1.92:1.27:2.37:0.48 0 0 0.48 10 24001.2 4.1 4.9 6.0 1:1.84:1.22:2.27:0.44 2% 0.220.44 30 23204.0 5.8 6.1 7.2 1:1.79:1.22:2.26:0.43 2% 0.300.42 50 22905.0 5.9 6.9 7.4 1:1.74:1.21:2.25:0.42 2% 0.350.41 40 22706.0 5.7 6.7 7.2表二 混凝土盐冻试验配合比及性能指标 混凝土 28d 强度 mpa混凝土配合比（重量比） 水泥:砂:小
15、碎石， 大碎石：水 水泥用量 kg/M3 砂 率 % 坍落度 mm 含气量 % 密度 kg/M3 抗折 抗压 1:1.92:1.27:2.37:0.48 340 34.4 30 1.2 2400 4.97 43.1 1:1.84:1.22:2.27:0.44 340 34.5 50 4.0 2334 6.88 41.6 1:1.79:1.22:12.26:0.41 340 34.0 40 5.0 2300 6.63 43.1 1:1.74:1.21:2.25:0.40 340 33.5 45 6.0 2262 6.50 44.6 表三 混凝土盐冻试验性能比较表 混凝土类别 剥落量 重量损失 相
16、对动弹模量 抗折、抗压 普通混凝土水灰比 0.48 含气量 1.2% 14 次5% 14 次9% 14 次60% 14 次40%20% 引气混凝土水灰比 0.43 含气量 4% 56 次3% 56 次5% 56 次90% 56 次70%51% 引气混凝土水灰比 0.41 含气量 5% 56 次2% 56 次4% 56 次98% 56 次80%51% 引气混凝土水灰比 0.40 含气量 6% 56 次2% 56 次4% 56 次98% 56 次80%59% 上述试验结果表明：当混凝土的含气量4%时，其抗冻性和抗盐冻剥蚀性能都得到大幅度提高， 其抵御冻害的能力较普通混凝土提高 10 倍以上。 （三）修筑试验路，验证结果令人信服 1998 年 9 月，在同三公路集佳段铺筑了两公里试验路，引气混凝土配合比是根据同济大学在进 行大
