范鹤，杨莹莹，孙佳媛，刘功杰，方嘉浩
（沈阳工业大学建筑与土木工程学院，辽宁 沈阳 110870）
我国幅员辽阔，在季节性冻土区的沿海或内陆地区（盐渍土地区），盐腐蚀和冻融循环是直接影响混凝土结构耐久寿命的主要环境因素[1-8]。相较单纯的冻融破坏，不同盐溶液的加入会对混凝土的性能产生不同的影响。文献[1]的试验结果表明，在冻融循环和氯离子侵蚀的耦合作用下，混凝土的耐久性降低。文献[2]通过模拟冻融和硫酸盐溶液共同作用的实际环境，观察到混凝土与硫酸盐溶液反应会产生一种膨胀性物质，这种物质会填充到混凝土的孔隙中，达到孔隙密实的作用，一定程度上减缓了冻融破坏。而在上述两种试验中，只考虑了盐腐蚀和冻融循环共同作用对混凝土性能的影响，不能完全模拟盐渍土地区混凝土结构的真实服役状态。混凝土结构通常是在持荷条件（带有一定损伤的状态）下工作的，共同考虑环境因素和荷载条件能更真实地再现混凝土服役状态[9]。
本文设计了预加载制度模拟混凝土的实际工作状态，对加载后的混凝土试件进行冻融盐蚀试验，分析混凝土强度等级对混凝土抗盐冻性能的影响。
2.1 试验材料及设备
水泥采用辽宁山水工源水泥有限公司生产的P·O42.5 的普通硅酸盐水泥；
粗骨料采用沈阳地区碎石，最大粒径20mm，级配良好；
细骨料采用沈阳地区中砂，细度模数2.7；
减水剂采用FDN-C萘系减水剂，减水率为18%～28%；
盐溶液采用高纯度氯化钠和硫酸钠配制。
试验采用混凝土单边冻融试验机进行快速冻融试验；
采用100T电液伺服拉压试验机进行预加载；
通过DT-16 动弹仪测量冻融循环后混凝土试件的横向基频，判定混凝土的内部损伤情况。
2.2 试验方案
本试验采用C20、C40、C50 强度等级的混凝土进行研究。根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）设计的混凝土配合比如表1 所示。试验浇筑100mm×100mm×400mm 的棱柱体试件进行预加载及抗盐冻性能试验。将养护好的试件分成两组，利用3.5%的NaCl 溶液、3.5%的Na2SO4溶液浸泡后放入冻融机中，将冻融机温度设置在-20～-18℃之间。每4h 完成一次冻融循环，每隔25 次循环取出试件观察其外部损伤并测量质量Wni和横向基频fni。为了保证试件盒中的浓度不变，每隔25 次冻融循环更换一次试件盒中的溶液，当试件的相对动弹性模量下降到60%或者试件的质量损失率达到5%时，停止试验。
试验通过混凝土的质量损失率和相对冻弹性模量来表征混凝土的抗盐冻性能，质量损失率越小说明抗盐冻性能越强，相对动弹性模量越大说明抗盐冻性能越强。
相对动弹性模量计算式：
式中：Pi为经n次冻融循环后第i个试件的相对动弹性模量（%）；
fni为经n次冻融循环后第i个试件的横向基频（Hz）；
f0i为未冻融第i个试件横向基频初始值（Hz）。
质量损失率计算式：
式中：∆W0i为n次冻融循环后第i个试件的质量损失率（%）；
W0i为冻融循环试验前第i 个试件的质量（g）；
Wni为n次冻融循环后第i个试件的质量（g）。
考虑混凝土强度等级、冻融循环次数和压应力水平三个因素，设计正交试验，影响因素及水平如表2 所示，其中，压应力水平是指预加载试验中设计的压应力分别为混凝土标准立方体抗压强度的25%、50%、75%、100%。
表2 影响因素及水平
3.1 压应力水平的选取
混凝土在施加不同的压应力时，内部损伤程度不同，其抗盐冻性能也会受到影响，合理选择压应力水平点至关重要。图1 为混凝土的单轴受压应力-应变曲线，O 点～A点为弹性变形阶段，点A（30%～40%fc，fc是指混凝土标准立方体抗压强度）为比例极限点，这时骨料与砂浆之间开始出现裂缝；
A 点～B 点为裂缝扩展阶段，点B（70%～80%fc）为临界点，此时骨料与砂浆之间的裂缝增大，砂浆内部也出现了裂缝，混凝土开始出现肉眼可见的破坏。因此，在O 点～B 点之间选取压应力水平点较有意义，本试验分别选取了0%fc、25%fc、50%fc、75%fc四个应力水平点作为研究对象。
图1 混凝土单轴受压应力-应变曲线
参考徐浩[10]、徐航[11]的试验，本试验将C20、C40、C50 三个强度等级的混凝土试件以加载速率0.5MPa/s，持续时间为120s，卸载速率-0.5MPa/s 作为一次循环进行预加载试验，循环次数为3次。
3.2 预加载制度验证
3.2.1 吸水试验
预加载制度的有效性是通过吸水试验和SEM 扫描电镜试验加以验证的。吸水试验中，混凝土试件在不同的压应力水平下，其吸水率（式3）会产生相应变化。从吸水率的变化情况可以判断出，经预加载后混凝土试件内部的裂缝和孔隙的变化情况，吸水试验结果如图2所示。
图2 吸水试验结果
式中：f为吸水率；
W1为试件吸水前质量；
W2为试件吸水后质量。
从图2 看出，不同强度等级的混凝土试件随着压应力水平的提高，吸水率均呈现先下降后上升的趋势，在接近25%压应力水平处的吸水率最低。分析认为，施加25%的压应力会将试件中原有的裂缝和孔隙压实，使其吸水能力降低。在压应力水平一定时，强度等级越高的混凝土吸水率越低，随着混凝土强度提高，水灰比减小，砂浆与骨料之间的粘结力越大，内部结构越密实[12]，其吸水率越低。从吸水试验的结果和分析可知，强度等级不同、压应力水平不同的混凝土，其吸水率有规律性变化，证明加载制度有效。
3.2.2 SEM扫描电镜试验
通过SEM 扫描电镜试验对混凝土试件的内部孔隙进行微观上的观察，可以更加直观地观察到混凝土试件内部孔隙的变化情况。图3 为C40 混凝土在施加不同压应力后所取试样放大1000 倍之后的扫描电镜图。从图中可以观察到混凝土内部结构的变化，压应力水平在0%时，可以看到一些细小的裂隙和孔洞，说明试件本身就存在一些微裂缝；
压应力水平在25%时，表面更加致密，说明施加的压应力会将试件原有的微裂缝和孔隙压实，与吸水试验分析结果一致；
压应力水平在50%时，能明显看到一些裂缝和大的孔洞；
压应力水平达到75%时，裂缝显著增长，出现了较大的孔洞。扫描电镜试验和吸水试验分别从微观角度和宏观角度证明了预加载制度有效。
图3 C40混凝土扫描电镜图
4.1 试件表面形态变化分析
在冻融盐蚀试验中，随着循环次数的增加，混凝土试件出现砂浆剥落、粗骨料暴露等冻害现象。25%压应力水平的试件最先发生破坏，NaCl 溶液侵蚀的试件比Na2SO4溶液侵蚀的试件破坏现象更为明显。
图4为C40 混凝土经过75 次冻融后试件的表面形态，从图4（a）中可以观察到，在NaCl 溶液侵蚀条件下，25%压应力水平的试件冻害现象最明显，粗骨料大面积外露并产生了一些沟壑；
其次是0%和75%压应力水平的试件，水泥砂浆层有少量剥落，粗骨料部分外露；
砂浆层剥落量最少的是50%压应力水平的试件。如图4（b）所示，Na2SO4溶液侵蚀条件下，不同压应力水平的试件出现了砂浆层剥落、粗骨料外露等冻害现象，与NaCl 溶液侵蚀条件下的试件出现的冻害现象相近。但是，在Na2SO4溶液侵蚀条件下的试件砂浆剥落量较少，粗骨料只有小面积外露，与在NaCl 溶液中侵蚀的试件相比，整体冻害现象较轻。
图4 75次冻融循环后的C40混凝土表面情况
4.2 质量损失率变化分析
图5～图7 分别C20、C40、C50 强度等级的混凝土在不同盐溶液侵蚀下冻融循环次数与质量损失率的变化关系图。如图所示，随着冻融循环次数的增加，混凝土试件在两种盐溶液侵蚀下，质量损失率均呈上升趋势。在不同压应力水平下，试件的质量损失率在25%压应力水平时最大，在50%压应力水平下最小。在两种盐溶液中，处于NaCl 溶液中的试件质量损失率较大。在冻融初期，质量损失率快速增长，说明试件的破坏速度较快；
之后曲线趋于平缓，说明破坏速度逐渐减慢。如图5（b）所示，冻融初期，C20 混凝土在Na2SO4溶液中试件的质量损失率有1%左右的降低，这说明试件质量增加。其原因极有可能是在冻融初期，Na2SO4溶液中的SO2-4与混凝土试件中的物质发生反应形成钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O），增加了试件质量。
图5 C20混凝土在不同盐溶液侵蚀下冻融循环次数对质量损失率的影响
图6 C40混凝土在不同盐溶液侵蚀下冻融循环次数对质量损失率的影响
图7 C50混凝土在不同盐溶液侵蚀下冻融循环次数对质量损失率的影响
4.3 相对动弹性模量变化分析
图8～图10 分别为C20、C40、C50强度等级的混凝土在不同溶液侵蚀条件下冻融循环次数对相对动弹性模量的影响。如图所示，混凝土的相对动弹性模量随着冻融循环次数的增加不断降低。预压应力水平不同，盐溶液相同时，25%应力水平的试件相对动弹性模量下降的最多，其次是75%预压应力水平的试件，0%和50%预压应力水平的试件下降的较少。说明预压应力水平会对混凝土抗盐冻性能产生一定的影响。在预压应力水平相同，盐溶液不同时，NaCl 溶液中的试件相对动弹性模量的下降程度均大于Na2SO4溶液中的试件。如图10（a）和图10（b）所示，C50 混凝土试件的相对动弹性模量均大于60%，试件被破坏程度较轻，说明C50 强度等级的混凝土还具有一定的抗盐冻性能。
图8 C20混凝土在不同盐溶液侵蚀下冻融循环次数对相对动弹性模量的影响
图9 C40混凝土在不同盐溶液侵蚀下冻融循环次数对相对动弹性模量的影响
图10 C50混凝土在不同盐溶液侵蚀下冻融循环次数对相对动弹性模量的影响
4.4 强度等级对混凝土抗盐冻性能的影响
通过4.1 节混凝土的形态变化分析可知，试件在NaCl 溶液与冻融耦合的条件下冻害现象较明显。故本节只讨论不同强度等级混凝土在NaCl 溶液与冻融循环共同作用下混凝土的抗盐冻性能。
图11、图12 分别为NaCl 溶液与冻融循环共同作用下，冻融循环100 次，混凝土试件的质量损失率和相对动弹性模量随强度等级变化规律图。由图11 可知，在压应力水平相同的条件下，混凝土的质量损失率随混凝土强度等级的增大而减小，说明混凝土强度等级越高抗盐冻性能越强。图12 中，在压应力水平相同的条件下，混凝土的相对动弹性模量随混凝土强度等级的增大而增大，再一次印证了混凝土强度越高，其抗盐冻性能越强这一结论。
图11 强度等级与质量损失率关系图
图12 强度等级与相对动弹性模量关系图
本文通过试验研究及分析得出以下结论。
①参考混凝土的单轴受压应力-应变曲线以及相关文献设计了预加载试验来模拟混凝土的实际服役状态。利用吸水试验和SEM 扫描电镜试验对预加载后混凝土试件中的裂缝和孔隙情况进行了宏观和微观的检验，证明预加载制度的有效性。
②随冻融循环次数的增加，混凝土质量损失率逐渐增大，相对动弹性模量逐渐降低，试件的水泥砂浆层均出现不同程度的剥落情况。
③在压应力水平、强度等级相同的情况下，混凝土在NaCl 溶液中比在Na2SO4溶液中的冻害现象更加明显，这说明Cl-对混凝土的抗盐冻性能产生更不利影响。
④在压应力水平、盐溶液相同的条件下，强度等级越高的混凝土抗盐冻性能越强。
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