在青海盐湖地区,混凝土结构尤其是地下结构长期遭受氯离子侵蚀,混凝土中的钢筋锈蚀现象严重,混凝土发生胀裂掉渣,导致结构丧失承载力及稳定性而发生破坏,氯离子侵蚀是引起混凝土结构破坏的主要形式之一 ^[1]。将水泥基灌浆料通过一定的施工工艺涂覆于湿润的混凝土表面,防止有害离子的入侵进而防止结构发生破坏,从而达到保护混凝土结构的作用。

　　 国内外对盐冻环境下水泥基灌浆料的力学性能方面研究较少,Gérard等 ^[2]研究表明,混凝土经受冻融循环的次数对其力学性能有较大的影响。Mehta等 ^[3]根据盐冻破坏机理,得到中低浓度盐溶液引起混凝土最严重的破坏是盐温度高低变化下一起作用的结果。Ababneh等 ^[4]研究了不同环境作用下混凝土的抗盐冻性。在国内,余红发等 ^[5]研究了在盐湖条件下,盐湖卤水种类对混凝土荷载的影响,以及卤水腐蚀和冻融的单一与多重因素作用下对混凝土耐久性的影响,探讨了盐湖地区混凝土的破坏机理。吴泽媚等 ^[6]采用快冻法研究了不同水胶比的混凝土在不同品种、不同氯盐融雪剂溶液浓度下的抗冻性,并探讨了混凝土外观形貌、质量损失率、相对动弹模量的变化。刁波等 ^[7]采用快冻法,研究了承受不同持续荷载的钢筋混凝土梁在冻融循环与混合侵蚀溶液交替作用下,梁的正截面受弯和斜截面受剪承载力、刚度和表面形态的劣化情况。杨全兵等 ^[8,9]研究了在冻融循环作用下,NaCl浓度对混凝土内部溶液吸入量和饱水度的影响。试验结果表明:在冻融循环条件下的混凝土吸入溶液速率和饱水度增加速率明显快于常温浸泡条件下的混凝土。施士升等 ^[10]研究了冻融循环对混凝土力学性能的影响,并用显微镜检验了混凝土承受不同冻融循环后的微观结构,研究了高强混凝土和普通混凝土力学性能的损伤和微观性能之间的关系。

　　 基于上述试验研究,针对青海盐湖地区的混凝土长期遭受氯离子的侵蚀及季节性冰冻破坏,本文将着重研究在氯离子与冻融侵蚀共同作用下,水泥基灌浆料在不同NaCl浓度下的抗冻融侵蚀性能,为将这种水泥基灌浆料推广到青海盐湖地区提供试验基础。

　　 水泥采用盾石牌32.5R复合硅酸盐水泥,其各项指标均符合《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T1346—2011)要求,水泥物理性能指标见表1;粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰,由陕西某电厂生产,其性能指标见表2;硅灰采用的是由甘肃某公司生产的S90级硅灰,其性能指标见表3;砂采用普通河砂,利用筛子剔除粒径为2.5mm以上的颗粒,表观密度为2 653kg/m³,细度模数为2.67,属中砂,级配良好;水采用西安自来水;膨胀剂采用西安某混凝土外加剂厂生产的UEA高效混凝土膨胀剂;减水剂采用聚羧酸高效减水剂,固含量为20%,为淡黄色液体,由西安某建筑科技有限责任公司生产;消泡剂采用广东某公司生产的B-860消泡粉,主要用于减少灌胶料在搅拌过程中形成的气泡,提高其密实性,改善其表面特征。

　　 试件成型过程为:先将水泥、粉煤灰、硅灰等粉体材料充分搅拌30s后,再加入水和减水剂的均匀拌合物,按照《水泥砂强胶度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999) ^[11](简称水泥检验规范)进行水泥基灌浆料的搅拌。搅拌结束后立即进行初始流动度的测试及30min流动度保留值的测试,水泥基灌浆料装模时无需插捣,自然成型,灌浆料装模后静置24h,然后进行拆模,再将试件放在标准条件下养护到规定28d龄期后进行强度试验。水泥基灌浆料强度检测方法依据水泥检验规范进行。采用40mm×40mm×160mm棱柱体试件,试验机器为WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机,如图1所示。

　　 本次水泥基灌浆料耐久性试验选用3组配合比进行抗冻融试验,其配合比设计如表4所示。

　　 抗冻融试验分为水溶液冻融和盐溶液冻融,其中盐溶液为NaCl溶液,浓度分别为10%,15%和20%。对28d龄期的水泥基灌浆料试件进行抗冻融循环试验,由于本试验研究数量多且冻融箱体积有限,故抗冻融试件采用40mm×40mm×160mm棱柱体试件,每组3块,试验仪器为北京某公司生产的NJW-HDK-9型全自动快速冻融机,如图2所示。

　　 水泥基灌浆料抗冻融循环试验方法参照《普通混凝土长期性能和耐久性性能试验方法》(GB/T 50082—2009) ^[12]中抗冻性能试验的快冻法进行;盐溶液冻融也按照快冻法进行。每次冻融循环在2～3h内完成,本试验设计冻融循环次数为200次。每25次冻融循环试验结束之后,测试抗冻融试件的质量、抗折强度和抗压强度,计算每组试件的质量损失率和强度损失率,以此评判水泥基灌浆料的抗冻融性能。

　　 水泥基灌浆料抗冻融循环试件分别在水溶液(0%)和浓度分别为10%,15%,20%的NaCl溶液中经过25,50,75,100,125,150,175,200次冻融循环后,测试3个不同配合比试件的质量、抗折强度及抗压强度,计算结果见表5～7。

　　 根据表5～7的试验结果数据,得出3种配合比的水泥基灌浆料试件的抗冻融循环质量损失率随冻融循环次数及NaCl溶液浓度增加的变化趋势,见图3。

　　 从图3可以看出,在不同NaCl溶液浓度中,3种不同配合比的水泥基灌浆料试件随冻融循环试验次数的增加,其质量损失率呈现出基本一致的趋势。冻融循环试验初期,在水溶液中,水泥基灌浆料试件可能是由于吸水的原因,其质量有所增长,但不是很明显,基本呈不变的趋势,而当冻融循环试验进行到75次左右时,它的质量损失率开始呈缓慢增长的趋势。

　　 NJ3试件在不同浓度的NaCl溶液中冻融 150 次的外观形貌如图4所示。从图4(a)可以看出,水泥基灌浆料经150次冻融循环后,试件表面的水泥浆几乎没有明显的剥落现象。而在NaCl溶液中,冻融循环试验初期水泥基灌浆料试件的质量增加较大,而后期其质量损失较大。这由于在一定的NaCl溶液浓度范围内,随着浓度的增长,水泥基灌浆料的吸水率增加,饱水度比在水中的饱水度要相对大,使其质量有所增加;而饱水度增加到一定程度时,试件就会因为冰冻胀裂出现脱皮、掉渣现象,使其质量损失。此外,并非NaCl溶液浓度越大,对试件的损害就越高,因为较高的NaCl溶液浓度使得冰点大幅度降低,这有利于试件的抗冻性,从图4(d)可以明显地看出,试件经过150次冻融循环后,在浓度为20%的NaCl溶液中,水泥基灌浆料试件表面只有极少一部分水泥浆脱落;而从图4(c)中看出,在浓度为15%的NaCl溶液中,试件表面极大一部分水泥浆体剥落,砂子裸露,并伴随有砂子脱落的现象,试件的质量损失严重。

　　 根据表5～7中试验结果数据,可得水泥基灌浆料试件抗折强度损失率与冻融循环次数的关系曲线,见图5。

　　 由图5可以看出,在水和不同NaCl浓度冻融循环试验中,水泥基灌浆料试件抗折强度损失率出现不同的趋势。冻融循环试验初期,在水溶液中,试件的抗折强度损失率呈不断增长的趋势;而在NaCl溶液中,试件在冻融循环50次左右时,其抗折强度损失率曲线出现拐点,即在冻融循环50次之前,试件的抗折强度损失率小于0,且其抗折强度在缓慢的增加,曲线基本接近水平。

　　 另外,由图5可以看出,在相同浓度的NaCl溶液中,3种配合比的水泥基灌浆料试件的抗折强度损失率大小顺序为NJ1试件>NJ2试件>NJ3试件,即NJ1试件抗盐冻性能最差,而NJ3的性能最优。这因为NJ1试件中矿物掺和料的总量达23%,尤其是粉煤灰的替代率达到15%,超量的矿物掺和料因没有足够的水泥水化产物与之发生二次反应,而仅仅起到疏松的填充作用,增加了试件的孔隙率,有利于NaCl溶液的入侵,从而加快了试件冻融破坏;而NJ3试件较NJ2试件中的硅灰掺量多,适量的硅灰发生火山灰质效应,生成更多的胶凝物质填充孔隙,增加了试件密实性,改善了其微观结构,因而展现出良好的抗冻性能,也说明适量的硅灰掺量是有利于抗冻的。

　　 NaCl溶液浓度为15%时在不同冻融循环次数后NJ1试件的外观形貌如图6所示。从图6可以看出,冻融前,试件表面平整致密,仅有较少的细孔;冻融循环初期,在NaCl溶液浓度为15%时,NJ1试件表面和冻融前没有多大区别;随着冻融循环次数的逐渐增加,水泥基灌浆料试件的表面慢慢析出大量NaCl的结晶体,并且产生细小的微裂缝。当冻融循环进行到125次后,试件表面的微裂缝进一步发展,水泥浆起鼓,随之剥落并掉渣,当冻融循环进行到200次时,试件表面大面积水泥浆剥落,砂子裸露,NaCl的结晶体对孔壁产生结晶压力,使水泥基灌浆料结构内部受到损伤,致使其结构破坏。即抗折强度的损失率增大,最终达到25%的限定条件时而判定破坏。

　　 根据表5～7的试验结果,得出随冻融循环次数的增加,3种配合比的水泥基灌浆料试件的抗压强度损失率的变化情况,见图7。

　　 由图7可以看出,在不同NaCl溶液浓度中,随冻融循环次数的增加,3种不同配合比的水泥基灌浆料试件呈现出的抗压强度损失率的趋势基本一致,但略有不同。由图7(a)可以看出,NJ1试件随着冻融循环次数的增加,试件的抗压强度损失率一直呈增长的趋势。由表6可以看出,在NaCl溶液浓度为10%时,经过75次冻融循环后,NJ2试件的抗压强度损失率为3.8%;而在图7(b)中,在NaCl溶液浓度为10%时,NJ2试件的抗压强度损失率在冻融循环50次时出现拐点,经过冻融循环75次后,试件的抗压强度损失率为1.8%。图7(c)中NJ3试件的抗压强度损失率在冻融循环75次时出现拐点,即冻融循环75次之前,试件的抗压强度缓慢增长,其抗压强度损失率的曲线基本呈斜线,部分呈水平;冻融循环75次之后,试件的抗压强度逐渐降低,其损失率逐渐增长。从表7中可以看出,在NaCl溶液浓度为10%时,NJ3试件经过冻融循环75次后的抗压强度损失率为-2.0%。这是因为在NJ3试件中合适掺量的粉煤灰和硅灰发挥出较好的火山灰效应和填充作用,使孔径细化,改善了水泥基灌浆料的结构性能,提高了水泥基灌浆料的抗压强度;增大了水泥基灌浆料对氯离子渗透的扩散阻力,减少了水泥基灌浆料的剥蚀量,从而提高了水泥基灌浆料的抗冻性能。但是,随着冻融循环试验的进行,导致水泥基灌浆料试件结构变得疏松,表面开始掉渣,为氯离子进一步渗透提供了通道,进而破坏越严重。

　　 由图7可以看出,随着冻融循环次数的增加,3种不同配合比的水泥基灌浆料试件的抗压强度损失率大致呈增长趋势;冻融循环试验200次后,水冻试件的抗压强度损失率是最小的;而在NaCl溶液浓度为15%时,试件抗压强度损失率较在NaCl溶液浓度为10%及20%中的偏大。这因为虽然NaCl溶液浓度的增大不利于试件的抗冻,但是高浓度的NaCl溶液可以较大地降低水的冰点,在很大程度上延缓了试件的冻融破坏,即相对于NaCl溶液浓度为10%及20%有利于试件的抗冻性。在盐冻环境下,氯离子的存在增加了灌浆料的吸水量,使试件内部饱水度提高,增加了试件的平衡饱水度,减小了试件吸水的时间,使其内部可冻水增加,冻胀力增大。冻融过程中的“冻”和“融”级差变大,造成试件内部的应力差加大,冻融循环对水泥基灌浆料的作用是重复循环的过程,而多次的冻融交替造成灌浆料内部微观结构损坏不断增加,灌浆料内部微裂纹不断发展、扩大,使其性能逐渐劣化直至破坏。

　　 对3种不同配合比的水泥基灌浆料进行了抗冻融侵蚀试验,得出如下结论:

　　 (1)针对青海盐湖地区的建筑物长期遭受NaCl的侵蚀及季节性冰冻破坏,采用快冻法研究了不同配合比水泥基灌浆料在不同NaCl溶液浓度(10%,15%,20%)下的抗冻融侵蚀性能,并探讨水泥基灌浆料外观形态、质量损失率和强度损失率的变化。试验结果表明:氯离子和冻融侵蚀共同作用下对水泥基灌浆料的破坏大于单一冻融作用下的破坏;在一定的氯离子浓度范围内,试件随NaCl溶液浓度的增加其抗冻性能降低;而高浓度的NaCl溶液可以有效降低水的冰点,提高其抗冻性能;掺入适量的矿物掺合料,水泥基灌浆料可展现出良好的抗冻性能。为将水泥基灌浆料推广到氯离子和冻融侵蚀共同作用下的实际工程中提供可靠的理论试验依据。

　　 (2)在盐溶液中水泥基灌浆料试件随冻融循环次数的增加,其质量、抗折和抗压强度与在水冻中一直降低的规律有所不同,大致呈先增加后减小的趋势。

　　 (3)在水泥基灌浆料中掺入适量的粉煤灰和硅灰,由于较好地发挥了二次反应,改善了试件的结构性能,提高了试件密实度,增加了试件的抗冻性能。