桥梁混凝土的盐冻损伤与耐久性提升技术

严寒环境下冻融循环造成混凝土保护层开裂、剥落是影响混凝土结构服役寿命的主要因素。考虑除冰盐的作用,氯盐侵蚀与冻融耦合条件下混凝土的损伤将显著加剧,最终导致混凝土结构寿命低于设计值。主要介绍混凝土盐冻破坏机理,探讨混凝土盐冻损伤的影响因素,同时介绍了盐冻环境下境内外桥梁混凝土的耐久性提升措施,为盐冻环境下桥梁工程混凝土结构耐久性设计和寿命保障提供参考。     

除冰盐对沥青混合料性能影响及用量确定

为对常用除冰盐进行优选,并对除冰盐的种类和用量进行推荐,对不同浓度下NaCl、CaCl_2以及MgCl_2这3种常用除冰盐溶液的冰点进行了测定,并对其除冰效果进行了评价;采用3种盐溶液对沥青混合料进行了盐冻循环试验,测定了盐冻循环前后沥青混合料的劈裂强度和抗剪强度,并以此为指标对3种除冰盐对沥青混合料性能的影响情况进行了评价;依据3种除冰盐对水冰点的降低情况,提出了不同地区的除冰盐用量选择方法。结果表明:3种除冰盐对沥青路面均有不利影响,且MgCl_2影响最大,CaCl_2次之,NaCl最小;提出了各地区的除冰盐撒布量公式。     

松花江公路大桥结构混凝土耐久性试验

为掌握松花江公路大桥结构混凝土的性能退化规律,利用该桥主要构件实际施工时的材料及配合比制作了一批混凝土试件,进行耐久性试验。试验内容包括:混凝土碳化试验、冻融试验、冻融损伤影响下的氯离子渗透试验、碱骨料反应试验。试验结果表明:大桥主要构件混凝土抗压强度均达到了设计强度等级;混凝土碳化深度受混凝土强度影响较大且受冻融循环作用的影响较为明显;主桥桥墩和引桥桥墩的混凝土试件冻融损伤最为严重;与水冻破坏相比,除冰盐环境下混凝土的冻融破坏更加严重;冻融损伤对氯离子渗透影响显著;粗骨料存在潜在碱-硅酸反应危害。     

盐冻融条件下热再生混合料水稳定性及细观特性研究

对热再生混合料进行不同浓度盐溶液10次冻融循环试验,并采用4%盐溶液进行重复冻融循环试验,分析溶液浓度及冻融次数对热再生混合料空隙率和TSR(冻融劈裂强度比)的影响;同时,采用CT扫描手段分析冻融循环作用对混合料内部孔隙分布的影响。结果表明:经过10次盐冻融循环后,0、2%、4%及6%浓度盐溶液条件下空隙率增加程度分别为2.9%、7.5%、13.0%和12.6%;冻融7次以后空隙率增大幅度明显变大,其TSR不断下降,这说明随着冻融循环次数的继续增加混合料内部沥青与集料的黏结作用受到破坏;固液交替产生的膨胀应力、温度应力及盐溶液对集料-沥青界面的共同破坏作用导致混合料内部孔隙发生变化,体积在0~20mm3范围内孔隙数目明显减少,而体积在20~40mm^3范围内的空隙明显增加。     

基于宏观性能及细观结构的多尺度道路混凝土抗盐冻性能研究

道路混凝土暴露于自然环境中受到冻融循环与除冰盐的共同作用,导致内部结构疏松、微裂纹扩展,最终造成道路混凝土宏观性能迅速衰减、耐久性劣化。为了从本质上研究道路混凝土盐冻劣化机理,对盐冻作用下的道路混凝土宏观性能衰减进行研究,采用压汞法及SEM对盐冻作用下的道路混凝土细观结构进行表征,从宏观性能及细观结构多尺度研究道路混凝土抗盐冻性能。试验结果表明:盐冻作用下道路混凝土相对动弹性模量不断减小、累积剥落量逐渐增加;与冻融单因素作用相比,盐冻作用下试件的劣化更严重,当冻融150次后盐冻下试件动弹性模量比冻融单因素时低11.4%(含气量4%)、6.3%(含气量6%),累积剥落量比冻融单因素作用时增长36.7%(含气量4%)、47.1%(含气量6%)。盐冻作用的结晶膨胀效应、渗透效应及温度梯度效应综合作用,造成道路混凝土临界孔径、最可几孔径及平均孔径减小,混凝土内部孔隙不断细化、孔隙连通性提高、渗透路径的曲折性降低;与冻融单因素作用相比,盐冻作用下的多害孔比例增加1.5倍(含气量2%)、0.6倍(含气量4%)、1.1倍(含气量6%)。     

混凝土抗除冰盐的剥落性能与机理研究

进行了混凝土在3.5%盐溶液中快速冻融的实验研究，结果表明盐溶液对混凝土抗冻性的影响具有双重性，盐溶液使混凝土试件表面饱和程度提高，从而导致其严重剥落，重量损失大幅度增加，溶液降低冰点的作用使混凝土内部破坏程度较小，相对动弹性模量下降略为缓慢，混凝土的耐久性系数应该考虑相对动弹性模量和重量损失两个指标。     

温度-盐分-冻融耦合作用下沥青混凝土疲劳寿命研究

为提高寒冷地区沥青路面的疲劳性能,对AC-16型沥青混凝土进行未冻融和冻融条件下的劈裂疲劳试验,得到了其应力疲劳方程.研究了温度、盐分和冻融循环次数耦合作用下,沥青混凝土疲劳寿命的变化规律.研究结果表明:沥青混凝土的疲劳寿命与其劈裂抗拉强度具有明显的相关性,即劈裂抗拉强度越高,疲劳寿命越大.温度、冻融循环和氯盐的侵蚀是影响沥青混凝土疲劳性能的重要因素.在相同的冻融循环温度下,随着冻融循环次数的增加,沥青混凝土疲劳寿命降低;在相同的冻融次数下,随着冻融温度的降低,沥青混凝土疲劳寿命降低.经饱和氯盐溶液冻融的沥青混凝土疲劳寿命明显低于经清水冻融的沥青混凝土疲劳寿命,说明盐分能够加剧沥青混凝土的疲劳破坏.     

沥青混合料耐盐溶液浸蚀性能研究

通过测定盐溶液浸蚀条件下的沥青与集料粘附性、沥青混合料残留稳定度、冻融劈裂等试验,对比分析了不同沥青种类和不同盐溶液浓度对沥青混合料材料水稳定性的影响,并结合化学-力学耦合理论分析了盐分对沥青混合料侵蚀机理。实验结果表明,SBS改性沥青与集料的粘附性及耐盐浸蚀性能明显优于普通道路石油沥青,在沥青中预拌消石灰对改善粘附性作用不明显;Na2SO4溶液对沥青与集料粘附性的浸蚀作用大于NaCl溶液;沥青与集料粘附性破坏属于化学-力学耦合损伤效应;沥青混合料随空隙率的增大,稳定度和残留稳定度降低,但流值变化规律不确定;初始的内部缺陷和损伤会导致沥青混凝土冻融劈裂抗拉强度的较大幅度降低。     

不同盐类环境下混凝土的抗冻性研究

混凝土的盐冻破坏是导致混凝土耐久性不足的重要原因之一。利用2%、4%两种浓度的NaCl、CaCl_2、CaAc_2以及十二烷基硫酸钠引气剂,对单盐、复合盐环境条件下的C30、C50两种混凝土进行了抗冻耐久性快速试验,研究了不同除冰盐类型及同种除冰盐对不同强度等级的混凝土和引气剂对混凝土抗盐冻耐久性的影响。研究表明:在浓度一定的单盐作用下,CaAc_2对C30、C50混凝土破坏最小,NaCl和CaCl_2对混凝土破坏效果相当,NaCl稍大;在浓度一定的复合盐作用下,混凝土破坏程度随着CaAc_2的浓度增大而减少,随着氯盐类的比重增大而增大;混凝土的抗盐冻性能与其强度等级成正比;掺入引气剂能大幅提高混凝土的抗盐冻性能。     

除冰盐对沥青混合料集料性能影响研究

为降低冰雪对道路交通的影响,常采用除冰盐除冰化雪,但除冰盐的使用同时对道路产生不利影响.采用常用的氯化钠、氯化钙以及醋酸钠3种除冰盐作为侵蚀材料,对干湿循环浸泡后的玄武岩粗集料进行洛杉矶磨耗值和压碎值试验以及集料粘附性试验,研究除冰盐对沥青混合料集料性能的影响.结论表明:除冰盐溶液对集料的力学性能以及沥青-细集料粘附性...     

盐冻循环对胶粉改性沥青混合料性能的影响

冬季寒冷地区路面易积雪结冰,常使用除冰盐进行融雪除冰。除冰盐的使用会对路面材料产生侵蚀。本文通过室内冻融循环试验分析盐冻融循环对胶粉改性沥青混合料的性能的影响。实验中考虑了温度、除冰盐浓度和冻融循环次数三个因素,按照正交原理进行试验,试验测得了试件的孔隙率和劈裂强度。经分析发现,随着盐浓度和冻融循环次数的增加,胶粉改性沥青混合料的孔隙率逐渐变大。说明冬季路面使用的除冰盐对胶粉改性沥青的破坏较严重,不宜大量使用。     

氯盐对水泥混凝土路面腐蚀破坏模型研究

针对氯盐融雪造成的水泥混凝土路面腐蚀破坏的现象,分别从氯盐对混凝土的盐冻损伤及对钢筋的腐蚀破坏2个方面予以研究,揭示了氯盐融雪对水泥混凝土路面破坏机理,依此为据,对传统的氯盐对混凝土路面破坏评价模型从混凝土掺和料的劣化性、氯离子扩散的时间依赖性及氯离子对混凝土的应力影响因素等3方面予以了优化,得出了优化评价模型,即优化的Fick第2定律.在确定相应的临界指标基础上,提出了基于可靠度分析的极限状态评价模型.研究表明,极限状态评价模型能更好地反映氯盐对混凝土的腐蚀破坏随时间和空间变化的动态规律,在临界指标确定后,利用氯盐某时在混凝土某深度下的浓度,可较准确评价氯盐对水泥混凝土路面的腐蚀破坏.     

冻融循环作用下黄泛区饱和含盐粉土动力性能及细观损伤演化规律

山东省黄泛区地处季节性冻土区,当地大量采用含盐粉土修筑公路路基,冻融循环作用后路基土动力性能受损,在车辆荷载作用下会发生路基翻浆病害。为研究冻融作用、盐分含量对饱和路基粉土动力性能及细观结构特征的影响,针对不同含盐量粉土开展有侧限封闭冻融试验,采用振动三轴试验测试多次冻融作用后解冻状态土样的骨架曲线、动模量和动阻尼比,同时采用核磁共振技术测试经历多次冻融循环后解冻状态饱和土样的横向驰豫时间T₂谱曲线。研究结果表明：冻融作用后动应力幅值与动应变幅值之间符合修正的Hardin-Drnevich模型,当冻融6次后骨架曲线趋于稳定;初始动模量损伤度随冻融循环次数呈双曲线型增大,氯化盐含量小于12%时,随含盐量增加初始动模量损伤度呈线性增大;阻尼比随动应变幅值增大增加明显,随盐分含量、冻融次数增加而增大;随冻融次数增多,T₂谱曲线主峰信号强度幅值减小,同时会产生横向驰豫时间长的波峰;T₂级配曲线趋于连续光滑,形态趋于相似,不均匀系数和曲率系数趋于稳定;无盐粉土T₂级配曲线的不均匀系数逐渐减小,并约稳定于5.6,曲率系数先减小后增大,并约稳定于0.986;当经历冻融6次后,随含盐量增加,T₂级配曲线不均匀系数先增大后减小,曲率系数先减小后增大。     

寒冷地区机场道面混凝土的冻融试验研究

针对我国寒冷地区机场道面混凝土受冻融循环破坏造成耐久性不良的现象,通过快冻法进行了道面混凝土的冻融循环试验,以及冻融前后强度、动弹性模量和质量损失的对比分析。结果表明:冻融循环对道面混凝土抗折强度影响较明显,掺引气减水剂的道面混凝土可提高抗冻抗渗性,改善耐久性,可应用于寒冷地区的机场道面工程。     

沥青混合料冻融损伤模型及寿命预估研究

为研究沥青路面抵抗冻融损害的能力,结合损伤理论,进行了沥青混合料冻融损伤模型及残余寿命预估的研究.建立了适用于冻融条件下沥青混合料损伤的普适模型,并提出了相应算法;然后根据快速冻融作用下混合料的各性能试验结果对该模型进行了验证;最后提出了模型应用于混合料冻融损伤后寿命预估的方法.结果表明:随冻融循环次数增加,沥青混合料性能衰减,损失度增大;模型能较好的拟合沥青混合料冻融循环后各项性能指标的变化;宜将抗压回弹模量作为评价混合料抗冻融损坏能力的和寿命预估的主要指标.     

醋酸钙镁代替食盐作为融雪剂对钢筋腐蚀性问题的研究

对醋酸钙镁代替食盐作为融雪剂的关键问题之一“融雪剂对钢筋的腐蚀性”进行了研究,通过实验对国内和国外在应用醋酸钙镁作为融雪剂方面普遍担心的两个问题进行了验证。结果表明醋酸钙镁代替食盐作为融雪剂可以大幅度降低对钢筋的腐蚀。     

高原低气压对道路工程混凝土性能的影响及原因

为研究高原低气压对道路工程混凝土性能的影响,在拉萨（气压约60 kPa）和北京（气压约100 kPa）两地采用相同配合比的道路混凝土分别进行性能对比试验,测试了混凝土含气量、坍落度、强度、NEL法氯离子渗透系数和单面盐冻耐久性等性能指标,进一步测定了引气剂溶液的泡沫体积、表面张力和硬化混凝土孔结构。试验结果表明：在低气压下,引气混凝土的含气量和坍落度分别比常压下降低8%~36%和4%~9%;抗压强度和劈裂抗拉强度分别比常压下降低1.6%~14.8%和1.5%~10.8%;氯离子渗透系数比常压下增加29%~135%;可见低气压下其抗冻耐久性降低。在低气压下,引气剂溶液的表面张力比常压下增加3.0%~4.5%,溶液泡沫体积比常压下降低2%~14%,混凝土内的气体压缩系数比常压下减小,这些原因导致了低气压环境下施工的道路混凝土含气量降低,坍落度减小;与此同时,硬化混凝土平均气孔直径增大6%~18%,气泡间距系数增加45%~92%,最终使得低气压下混凝土强度、抗氯离子渗透性和抗冻耐久性降低。     

冻融循环作用下炭质页岩蠕变模型研究

冻融循环作用下炭质页岩蠕变是高速公路高陡边坡稳定性研究的热点问题之一。为揭示冻融循环作用下炭质页岩的蠕变特性,将炭质页岩试样分别进行0次、5次、15次、25次冻融循环,在围压为4 MPa条件下,采用分级增量加载方式对试样进行三轴压缩蠕变试验,试验发现冻融作用下炭质页岩蠕变具有明显的非线性特征,轴向应变随冻融循环次数、应力水平和时间增加而增大;根据蠕变曲线特征,将蠕变曲线分为2个阶段,即稳定蠕变阶段和不稳定蠕变阶段;利用损伤定义及Lemaitre应变等效方程,建立稳定蠕变阶段的冻融损伤演化方程;基于损伤力学和概率统计理论,采用Von-misses屈服准则,建立不稳定蠕变阶段的冻融和蠕变耦合损伤方程;通过引入冻融和蠕变损伤变量对Burgers模型参数进行修正,建立冻融作用下的蠕变损伤模型。研究表明：岩石损伤随冻融循环次数增加而增大,但损伤增加速率减小,最终趋于稳定;冻融和蠕变耦合作用下,冻融作用使得岩石损伤累积,会加快岩石的蠕变破坏;分段建立的损伤方程能较好地揭示岩石损伤随冻融循环次数、应力水平和时间增加的变化规律;改进的蠕变模型与试验曲线拟合度较好,且参数物理意义明确。研究成果能为炭质页岩高陡边坡稳定性分析提供理论参考。