江西省青年科学基金

研究报告正文

一、项目立项依据和具体内容（重要说明：（1）要求分栏目撰写，要求翔实、条目清晰，标题突出。（2）正文报告必须附主要参考文献目录。（3）报告篇建议在4000-8000字内。）

1、本研究项目的科学依据和意义（包括科学意义和应用前景，国内外研究状况、水平和发展趋势，学术思想，立论根据，特色或创新之处，主要参考文献目录和出处。基础研究需结合科学研究发展趋势来论述科学意义并举例说明对江西省科技工作的带动作用；应用基础研究和基础性工作需结合国民经济和社会发展中迫切需要的关键科技问题特别是江西省实现可持续发展所需解决的关键科技问题来论述其应用前景。）

混凝土材料是当前世界上最大宗、使用最广泛的人造建筑材料，也是土木工程建设的主导材料。长期以来，混凝土一直被认为是一种耐久性非常好的材料，由于这种片面思想的存在，使人们在工程设计、施工过程中忽视了混凝土耐久性的重要性，致使混凝土结构存在耐久性“先天不足”的隐患，实际工程中因混凝土耐久性不足而导致结构破坏的事例已屡见不鲜，造成的经济损失也是巨大的。所谓混凝土的耐久性，是指在使用过程中，在内部的或外部的、人为的或自然的因素作用下，混凝土保持自身工作能力的一种性能[1]。或者说结构在设计使用年限内抵抗外界环境或内部本身所产生的侵蚀破坏作用的能力[2]。它与国民经济、社会安定、环境保护、可持续发展等密切相关，是混凝土材料科学的重大研究课题，也是工程界关注的重大技术问题之一。尤其是在外部环境恶劣的情况下，混凝土工程，特别是桥梁工程的耐久性问题显得比强度更加重要，它将直接影响到工程的安全性。

（1）氯盐和冻融环境下混凝土的盐害问题

氯盐对混凝土工程（如桥面、桥墩、路面、海工等）的影响非常广泛，不仅会引起钢筋锈蚀，如果伴有冻融发生，还会使表面混凝土大量脱落，严重影响混凝土工程的耐久与美观。由于氯盐是外界环境中普遍存在的一种介质，受盐害影响的混凝土工程日益增多，氯盐对混凝土的侵蚀已被人们重视[3]。

我国东北、西北、华北地区，冬季气候寒冷、降雪量大，每年都会发生因为大雪导致公路铁路停运、飞机停航而造成巨大的损失，因雪后路滑引起交通事故频发而造成的损失达数千万元。与人工清理和机械清雪相比，使用除冰盐（以氯盐为主）融雪，因操作简便、价格低廉、融雪效果好而得到广泛应用。在美国、加拿大和北欧等发达国家，除冰盐用于在混凝土高速公路和城市道桥上除雪开始得较早，我国北京首先使用了撒除冰盐措施，20

世纪90年代在东北地区开始使用除冰盐，而且使用量还在不断增加。如2009年11月，长春市一场雪后撒的融雪剂就达1000多吨，大约79万元。我国黄河以北广大地区，甚至黄河至长江之间的地域也采取冬季撒盐以快速融雪，不仅公路、桥梁、城市立交桥在撒盐，而且机场、某些铁路也在撒盐，撒盐量和撒散的范围也在逐年扩大[4,5]。

在20世纪40年代，人们注意到使用除冰盐后，混凝土结构的破坏明显比未使用除冰盐的严重。氯盐融雪剂对基础设施的腐蚀破坏已经非常严重，美国、加拿大、德国、英国等发达国家每年用于因使用氯盐融雪剂而造成的基础设施破坏的维修费用高达上千亿美元，其维修费用是建设费用的6倍。许多发达国家都出现了不同程度的混凝土结构耐久性失效或破坏情况据估计，在发达国家，混凝土结构物的维修费用约占总投资的40%，新建工程约占60%[6,7]。

我国也存在类似问题，尤其是北方地区，混凝土路面、桥面、机场跑道的盐冻剥蚀破坏问题相当严重。致使很多工程使用时间不足设计寿命的1/3就被迫拆除重建。国公路、城市交通日益发达，在较长一段时间内，撒盐仍然不可避免，而且在未来较长的时期内仍会普遍使用，混凝土发生盐冻破坏将是影响我国北方地区基础设施耐久性的一个重大问题。

（2）硫酸盐和冻融环境下混凝土的盐害问题

硫酸盐是混凝土使用环境中经常遇到的腐蚀介质，硫酸盐腐蚀环境下混凝土的冻融破坏是典型的耐久性破坏类型之一[8]。

我国西部地区的新疆、青海及内蒙等地深居内陆，地形封闭，气候干旱，盐渍土分布范围广。我国有上千个盐湖，其中，新疆有102个，青海有33个，内蒙古有370多个，西藏有220多个。盐湖的矿化度一般为300 g/L左右，含盐量高且成分复杂，大多属于Na+、K+、Mg2+、Cl-、SO42-体系，是一种有别于经典海水体系（矿化度为34~35g/L）及

咸水湖体系（矿化度为1~20 g/L）的介质环境。除了地下水及地表水富盐外，甚至空气中含盐量也较大[5]。同时，这些地区气候干旱少雨，季节温差和早晚温差大，紫外线辐射较沿海地区高，处于这类环境中的混凝土将受到冻融循环和干湿循环的共同作用。

随着我国工业的快速发展，一些含有硫酸盐的工业污水未经处理直接排放到河道或库区，造成了对水工构筑物的严重侵蚀[9]。例如南京武定门节制闸和抽水站，因河道上游的硫酸厂和化肥厂将工厂废水直接排入河道，导致两座建筑物受到严重的酸性侵蚀，混凝土表面砂浆被腐蚀，石子外露。又如安徽省纪村水电站，因库区上游有一个硫铁矿，将大量pH 值仅为2～3的含硫废水排入库区，造成水电站的金属构件（引水钢管、拦污栅、闸门等）受到严重腐蚀，情况十分令人担忧。

由于构筑物的实际使用寿命远远短于设计使用寿命，由此而增加的资金、材料和人力的投入非常巨大，对我国的经济造成难以估量的损失。同时还极大地影响了构筑物使用功能的正常发挥，降低了构筑物的使用效能，限制了相关生产活动的正常进行。随着我国西

部大开发战略的实施，需要在这些环境中兴建大量的基础设施，为保证严酷环境条件下工程结构质量及其足够的耐久性，必须开发出具有抗盐侵蚀抗冻融性能的高性能的建筑材料。分析我国西部地区混凝土结构失效的机理，显然，氯离子、硫酸根离子、与干冷、干热气候的复合作用是导致其损伤失效的根本原因。从上述例子中我们可以发现：在实际的工程使用中，影响混凝土劣化的因素一般是多方面的。可以确定的是，由于各因素间的交互影响，根据单因素的研究结果来分析实际工程混凝土耐久性的可靠性不足。因此，研究在硫酸盐、氯盐和冻融复合作用下混凝土的改性问题具有特别重大的意义。

许多的研究表明：矿物掺合料的掺入可以提高混凝土的耐久性能。

日本的Yamato等人[10]通过试验得出结果：非引气混凝土当水/(水泥+硅粉)=0.25，不管硅粉的掺量如何，皆具有良好的抗冻耐久性。加拿大的Malhotra等人[11]通过试验得出：引气硅粉混凝土不管水灰比多少，硅粉掺量15%以下时都具有较高的抗冻耐久性。美国加洲大学Maher教授指出[12]，应用大掺量粉煤灰(或磨细矿渣)，是今后混凝土技术进展最有效、也是最经济的途径。Omarn[13]采用W/C=0.25~0.5、C3A含量在3.5~8%左右，掺加20%

粉煤灰、10%硅粉、70%矿渣、砂/胶凝=2.75配制砂浆试件，养护14天后，浸泡到2.1%硫酸盐溶液或2.1%硫酸盐溶液+15.7%氯盐溶液中，测试混凝土的强度衰减和膨胀。结果表明：氯离子的存在延缓了混凝土的硫酸盐损伤；C3A的多少并不影响硫酸盐损伤速度；粉煤灰的抗硫酸盐损伤明显优于矿渣和硅灰；W/C同样提高了混凝土的抗损伤能力。

我国学者丁雁飞、孙景进通过实验探讨了硅粉对混凝土抗冻耐久性的影响，得出结论[14]：非引气硅粉混凝土的抗冻耐久性与基准混凝土比较，在胶结材总量相同，塌落度不变的条件下，非引气硅粉混凝土的抗冻能力高。范沈抚得出[15]：在相同含气量的情况下，掺15%的硅粉混凝土比不掺硅粉的基准混凝土，气孔结构有很大的改善。硅粉对抗冻耐久性有显著的效果，但硅粉的产量有限而且成本较高。游有鲲、缪昌文、慕儒等[16]：对粉煤灰高性能混凝土抗冻耐久性的研究表明：水胶比在0.25-0.27范围内，随着粉煤灰内掺量的

提高，不掺引气剂，混凝土抗冻耐久性随粉煤灰增加而增加。当掺引气剂后，混凝土抗冻耐久性有先升后降的趋势，既存在最佳的粉煤灰掺量为30%。谢友均、许辉、龙广成对混凝土在不同溶液中的抗冻融循环性能研究中指出：氯盐和冻融共同作用下混凝土的破坏情况要比在纯水中冻融破坏严重得多，实验同时也表明20%粉煤灰掺入后能明显改善混凝土的抗盐冻性能，20%粉煤灰和5%硅灰双掺后进一步改善了混凝土的抗盐冻性能[1]。贺行洋、马保国等在对矿物外加剂混凝土抗硫酸盐侵蚀研究及其性能评价中指出：双掺硅灰与粉煤灰是改善低离子迁移率混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的一个有效途径，在硅灰掺量小于10%范围内，随其掺量增加效果越明显。10%硅灰和25%粉煤灰双掺其混凝土54周龄期膨胀率仅为0.03%，较不掺混凝土下降45.5%以及按Frearson的评价标准，掺粉煤灰、硅灰的混凝土抗硫酸盐侵蚀性能可达到由抗硫酸盐水泥配制的混凝土的性能水平，属于抗硫酸盐混凝土，