NaCl-MgCl_2复合...盐冻破坏的影响及其作用机理_汪林萍.pdf

第 26 卷第 2 期2023 年 2 月建筑材料学报JOURNAL OF BUILDING MATERIALSVol.26，No.2Feb.，2023NaCl-MgCl2复合除冰盐对混凝土盐冻破坏的影响及其作用机理汪林萍1，杨全兵1，2，*（1.同济大学 材料科学与工程学院，上海 201804；2.同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 201804）摘要：研究了 NaCl-MgCl2复合除冰盐对盐溶液结冰压和临界饱水度，以及对混凝土盐冻剥蚀破坏和饱水度等的影响，揭示了其降低混凝土盐冻剥蚀破坏的作用机理.结果表明：在 NaCl除冰盐中掺入MgCl2可有效降低盐溶液造成的混凝土盐冻剥蚀破坏；随着复合除冰盐中MgCl2掺量的增大，其对盐溶液结冰压的影响很小，但可明显增大盐溶液的临界饱水度；在冻融循环条件下，掺有复合除冰盐的混凝土的饱水度及其增长速率明显降低.关键词：除冰盐；混凝土；盐冻剥蚀破坏；结冰压；饱水度中图分类号：TU525.9文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1007-9629.2023.02.003Effect and Mechanism of NaCl-MgCl2 Compounded Deicing Salt on the Salt-Frost Scaling of ConcreteWANG Linping1，YANG Quanbing1，2，*（1.School of Materials Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China）Abstract:Effects of NaCl-MgCl2 compounded deicing salt on the ice-formation pressure and the critical saturation degree of salt solutions，and on the salt-frost scaling and the degree of saturation of concrete were investigated.The mechanism of reducing the salt-frost scaling of concrete by the above compounded deicing salt was revealed.The results show that adding MgCl2 into NaCl deicing salt effectively reduces the salt-frost scaling of concrete caused by salt solutions.With the increase of MgCl2 content in the compounded deicing salt，the ice-formation pressure of salt solution is less effected，but the critical saturation degree of salt solution is significantly increased，and the degree of saturation of concrete adding compounded deicing salt and its increasing rate is significantly reduced during freezing-thawing cycles.Key words:deicing salt；concrete；salt-frost scaling；ice-formation pressure；degree of saturation含氯除冰盐（NaCl或 CaCl2）因除冰融雪效率高、成本低等优点，目前仍是使用最多的一类除冰盐.然而，由于它会引起混凝土表面起皮、剥落等，还会导致钢筋锈蚀，其所造成的破坏程度远大于普通的冻融破坏1-3.盐冻破坏机理是进行混凝土抗盐冻性设计的理论依据，其中静水压理论4和渗透压理论5是解释混凝土盐冻破坏的经典理论.此外，Fagerlund6提出的临界饱水度理论，首次揭示了只有当混凝土的饱水度超过其临界值后，混凝土才会发生冻融破坏.杨全兵7-8提出的冻融饱水度-结冰压理论，认为混凝土饱水度的增长速率是决定盐冻破坏程度的最关键参文章编号：1007-9629（2023）02-0129-08收稿日期：2021-12-20；修订日期：2022-01-11第一作者：汪林萍（1995），女，安徽宣城人，同济大学硕士生.E-mail：通讯作者：杨全兵（1964），男，福建邵武人，同济大学研究员，博士生导师，博士.E-mail：建筑材料学报第 26卷数，增长速率越快，结冰破坏力越大.防治混凝土盐冻破坏的研究大部分集中在提高混凝土的抗盐冻性9-12和表面保护技术13-14，只有少量研究涉及改善除冰盐配方 15-16.Opara 等15研究表明，优化的 NaCl复合除冰盐引起的路面破坏面积降低约 30%.吴鹏程等16研究发现，在 NaCl中掺入黄原胶能有效降低混凝土的盐冻破坏，但黄原胶浓度高时将在路面形成乳白色黏液，影响路面的使用性能.因此，研究以 NaCl 为主，既不影响除冰融雪效率，又不引起混凝土盐冻破坏的复合除冰盐，具有重要的实用意义和科学价值.MgCl2除冰盐的冰点比 NaCl除冰盐的冰点低，其造成的盐冻破坏程度较小，因此，近几年 MgCl2除冰盐的使用量在逐步增加17-18，但尚未有研究能合理解释其造成混凝土盐冻破坏小于 NaCl除冰盐的原因.基于此，本文着重研究了 NaCl-MgCl2复合除冰盐对混凝土盐冻破坏的影响及其作用机理.1试验1.1原材料水泥为海螺牌 P 52.5硅酸盐水泥；细骨料为细度模数 2.2 的石英砂；粗骨料为 310 mm 的水磨石；NaCl除冰盐（N）和 MgCl2除冰盐（M）分别来源于中盐金坛盐化有限责任公司和国药集团化学试剂有限公司，纯度（质量分数）分别为 99.9%和 99.0%；水为自来水.1.2试件及盐溶液制备1.2.1试件制备采用非引气混凝土，其配合比（质量比）为 m（水泥）m（水）m（砂）m（石子）=1.00 0.50 1.25 2.50.制备尺寸为 40 mm40 mm160 mm 的混凝土试件，成型好的混凝土试件在（202），相对湿度为（605）%的环境中自然养护 1 d 后脱模，放入标准养护室（202），相对湿度95%）的水中养护至28 d备用.1.2.2盐溶液制备复合除冰盐由NaCl与 MgCl2按一定的质量比配制而成，NxMy表示复合除冰盐，其中下标 x、y分别表示复合除冰盐中 NaCl和 MgCl2的质量比.aN、aM 和aNxMy分别表示质量分数为a%的NaCl除冰盐溶液、MgCl2除冰盐溶液和复合除冰盐溶液.配制盐溶液时，根据盐溶液的质量分数（a%）称取所需质量的溶质（各类盐）和溶剂（水），复合除冰盐则根据 NaCl和MgCl2的质量比称取，然后将其倒入烧杯中进行溶解.将配制好的盐溶液转移至容量瓶中，贴好标签备用.所 配 制 的 盐 溶 液 的 质 量 分 数 为 2.4%、4.0%、10.0%、15.0%和20.0%.1.3试验方法1.3.1混凝土的盐冻破坏用于测定混凝土盐冻破坏的试件为湿试件和含盐自然干试件.在标准养护室的水中养护28 d的混凝土试件为湿试件.湿试件在 100 的烘箱中烘干 24 h后冷却至室温的混凝土试件为干试件，将室温下浸泡在盐溶液中 7 d的干试件在 0.1 MPa的真空度下抽真空1 d，然后在大气中静置1 d得到饱盐试件，再将饱盐试件放置在（222），相对湿度为（705）%的室内养护7 d后得到的混凝土试件为含盐自然干试件.采用单面浸入盐溶液法进行混凝土的盐冻破坏试验，其试验装置示意图与冻融循环温度如图 1 所示，其中盐溶液的质量分数与制备含盐自然干试件所用盐溶液的质量分数相同.按式（1）计算混凝土盐冻破坏后的剥落量.Kn=MnA（1）图 1盐冻破坏试验Fig.1Salt-frost scaling test130第 2期汪林萍，等：NaCl-MgCl2复合除冰盐对混凝土盐冻破坏的影响及其作用机理式中：Kn为冻融循环次数为 n时的剥落量，kg/m2；Mn为冻融循环次数为 n时的剥落物质量，kg；A 为试块与溶液的接触面积，0.006 4 m2.经过30次冻融循环后，当K301.0 kg/m2时，即可判定混凝土的抗盐冻性不合格；K30越小，混凝土的抗盐冻性越高2.1.3.2盐溶液的结冰压盐溶液结冰压的测试参照文献 15.将盐溶液置于无伸缩变化的钢筒内，其体积占钢筒体积的比例为盐溶液的饱水度（S），改变盐溶液在钢筒内的体积，可测试不同饱水度时的盐溶液结冰压，并按式（2）进行计算.Pt=Ft-F0r2（2）式中：Pt为 t时刻盐溶液的结冰压，MPa；Ft为 t时刻盐溶液的结冰膨胀力，N；F0为预加约束荷载，2 000 N；r为钢筒内径，3.1 mm.当盐溶液刚开始产生结冰压时，其饱水度为临界饱水度.当盐溶液完全结冰时，其结冰压将不再发生明显变化，称之为平衡结冰压（Pe）.1.3.3盐和盐溶液的吸湿性将纯净水放入干燥器底部，其水面不超过隔板；将 装 有 固 体 NaCl、MgCl2 及 其 质 量 分 数 分 别 为4.0%、10.0%、20.0%盐溶液的表面皿放置于隔板上；用凡士林涂抹干燥器口并加盖以密封；放置到预定时间时，测定表面皿中盐和盐溶液的质量变化，按式（3）计算其吸水率，用以表示盐和盐溶液的吸湿性.Qt=Mt-M0M0 100%（3）式中：Qt为 t时刻盐的吸水率，%；M0为盐和盐溶液的初始质量，g；Mt为t时刻盐和盐溶液吸水后的质量，g.1.3.4混凝土的饱水度混凝土内部存在可冻水是导致其产生冻融破坏的根本原因，因此饱水度是分析混凝土盐冻破坏机理的重要参数之一.本文分别测试混凝土的毛细管吸水饱水度、常温饱水度和冻融饱水度.用于测定不同除冰盐对混凝土饱水度影响的试件为湿试件（见 1.3.1）、干试件（见 1.3.1）、含盐干试件（将饱盐试件在 100 的烘箱中烘干 24 h后得到的混凝土试件）和含盐自然干试件（见1.3.1）.采用单面毛细管吸水法11测试含盐干试件的毛细管吸水饱水度，按式（4）进行计算，以评价盐的种类对混凝土毛细管吸水饱水度的影响.St=Mt-M0M-M0 100%（4）式中：St为吸水 t时刻试件的毛细管吸水饱水度，%；M为饱盐试件的质量，g；M0为含盐干试件的质量，g；Mt为吸水t时刻试件的质量，g.当试件的单面毛细管吸水饱水度随时间增长不 发 生 变 化 时，称 之 为 平 衡 毛 细 管 吸 水 饱 水度（Se，cp）.将湿试件、干试件和含盐自然干试件分别浸没在（222）的盐溶液中一定时间后，通过测定试件的质量变化，按式（5）计算试件的常温饱水度.St=Mt-M 0M-M 0 100%（5）式中：St为吸水 t时刻试件的常温饱水度，%；M0为试件的初始质量，g.将湿试件和干试件分别浸泡于盐溶液中，并放入冰柜中进行 30次冻（f）融（t）循环，每次冻融循环制度为在-（202）下冻 12 h，然后在（202）下融化 12 h.在试件融化约 1 h，内部还是冻结状态时刮去表面碎冰，测定其在冻结阶段的质量；试件在室温下融化满 12 h 后，测定其在融化阶段的质量，按式（6）分别计算混凝土在冻结阶段的饱水度和融化阶段的饱水度.Sc=Mc-M 0M-M 0 100%（6）式中：Sc为冻融饱水度，%；Mc为某一次冻融