2021, Vol. 53
2. 青海省公路科研勘测设计院，西宁 810008;
3. 华北水利水电大学 土木与交通学院，郑州 450011
,
MENG Yingying1,
HU Haibo1,
WANG Fuchun1,
XU Zhanhui2,
YAO Xianhua1,3,
LIU Ning2
2. Qinghai Province Highway Research Survey and Design Institute, Xining 810008, China;
3. School of Civil Engineering and Communication, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, China
青海省高寒盐沼泽区昼夜温差大，桥梁桩基受冻融循环以及侵蚀性氯离子的影响较为显著。在冻融循环及侵蚀性氯离子的作用下，桩的有效断面及弹性模量减小，进而导致桩的抗弯能力降低，从而使桩基础自身强度出现一定程度的减弱，桥梁桩基承载能力大大降低。因此，研究高寒盐沼泽区冻融循环作用下的桥梁桩基损伤至关重要。
目前国内外学者通过理论分析、现场试验和室内模拟试验等多种手段对冻融环境下桥梁桩基础的损伤进行探讨。文献[1]对特殊地质条件下桩基础损伤后的承载特性进行深入研究；文献[2]在高寒盐渍土环境下，通过室内损伤试验结合灰色系统理论，分析掺合料配比对桩基混凝土抗侵蚀性能的影响，得到粉煤灰与硅灰掺和具有使抗侵蚀性提高的作用；文献[3-4]通过现场试验对比室内试验结果，揭示其内部腐蚀作用机理，得出可以预测桩基础混凝土耐久性的回归公式；文献[5]利用渗透试验和承载力性能试验对盐渍土的性能进行研究，其CBR值高达120%，非盐渍土试块的CBR值为28.6%；文献[6]进一步通过化学成分分析和微观试验的方法，得出桩基础在寒区受侵蚀过程中，桩基混凝土中C元素质量分数从0到9.61%的增长，使钙矾石等晶体剧增，导致桩身混凝土开裂；文献[7]对发生冻拔破坏的桩基础进行分析，得出季节冻融循环作用下的各土层桩侧摩阻力计算公式；文献[8]通过理论计算探讨了冻融过程中引起的混凝土的压力、应力和应变变化，得到掺气混凝土和无掺气混凝土的最大张应力均为2.2 MPa；文献[9]结合中国冻土地区的年均冻融循环次数，进一步提出现场冻融循环次数的实用公式，从而对桥梁桩基础进行抗冻性寿命预测；文献[10]通过冻融循环试验对桩侧摩阻力变化进行分析，提出考虑温度影响因子的冻融土体中桩侧摩阻力计算模型；文献[11]通过室内冻融循环试验研究盐渍土的盐胀与冻融特性，结果表明含盐量对路基土冻胀、融沉和盐胀等变形过程有显著影响；文献[12]通过室内试验研究桩墩混凝土强度随冻融循环次数的衰变规律，得出桩墩混凝土强度指标的损伤本构关系；文献[13]研究了冻融循环条件下混凝土结构的弹性模量和黏结性能变化，结果表明，冻融循环会对混凝土内部结构造成破坏，并通过理论计算和试验数据的对比，得出应充分考虑冻融循环次数对混凝土性能的影响；文献[14]通过现场试验研究冻融循环及浸盐条件下对掺粉煤灰混凝土耐久性的影响，结果表明，在所有盐溶液体积浓度下，掺加10%和20%的粉煤灰均可提高冻融耐久性；文献[15-16]利用模型试验模拟寒区实际环境下的桩基混凝土冻融过程，监测桩与桩周土的变形规律，得出桩基础在冻融过程中最大变形达到8 mm，土体最大变形为1.9 mm，同时当冻融次数不断增加时，其相对变形经历剧增、缓增、平稳3个阶段。
虽然现阶段国内外对于冻融条件下的桩基础损伤进行了大量的研究[17-23]，但是高寒盐沼泽区域冻融循环对桥梁桩基混凝土的损伤情况至今鲜有报道。因此，本文依托德香高速公路工程，在考虑青海地区季节性冻土土层的条件下，利用室内试验探究不同工况下的桩基础损伤状况，旨在为桩基础设计和施工提供优化措施。
1 工程概况试验依托德香高速公路K62+100—K67+500段，其桥涵基础所处强盐沼泽区域，如图 1所示，此区段昼夜温差为12~30 ℃，极端最低气温达到了-27.2 ℃，所在区域极易形成矿化度达100~200 g/L的盐卤水，桥梁桩基受冻融循环以及侵蚀性氯离子的影响较为显著，使桥梁桩基产生严重的腐蚀损伤。基于现场勘查，如图 2所示，考虑冻结线以下至桩底部分为冻融循环区域。本试验模拟冻融循环条件下不同体积浓度的盐溶液侵蚀不同配合比的桩基混凝土。通过观察试验前后桩基混凝土的剥落情况，得出桩基混凝土的损伤程度；利用电子天平确定桩基混凝土质量变化规律；通过混凝土动弹性模量测定仪确定试验过程中桩基混凝土相对动弹性模量的变化规律；并利用万能试验机确定冻融循环前后桩基混凝土抗压强度的变化规律，从而确定其抗侵蚀系数；利用扫描电镜与能谱分析仪分析其微观腐蚀机理；最后，通过冻融循环试验过程中相对动弹性模量的变化规律，得到桩基混凝土相对动弹性模量与冻融时间的关系式，在此基础上，得出高寒盐沼泽区冻融循环作用下桩基础设计年限的折减系数，为桩基础设计提供参考。
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图 1 桥梁跨越区段 Fig. 1 Bridge spanning section |
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图 2 冻融循环区域 Fig. 2 Area of freeze-thaw cycles |
本试验所用水泥材料为普通硅酸盐水泥；Ⅱ级粉煤灰的需水量为101%，掺量(质量分数)为20%；艾肯94级硅灰，比表面积为20 000 m2/kg，平均粒径为0.2 μm，密度为2 230 kg/m3，掺量为5.0%；其他掺合料有缓凝高效引气型减水剂、膨胀剂、自愈合防水材料。依托工程桥涵基础采用C30混凝土，依据盐沼泽区特殊气候特点，根据混凝土配制要求得到初步配合比，经过室内强度试验验算后得出最终配合比，本试验共配制了5种配合比的桩基础混凝土，见表 1。表中分别为1 m3混凝土所需的材料用量，水灰比W/B均为0.39。
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表 1 1 m3 C30混凝土的材料用量 Tab. 1 Material consumption of 1 m3 C30 concrete |
现场配制的水样中离子含量具体见表 2，以表 2中的易溶盐含量为参考，选用体积浓度为3.4%的溶液作为基准侵蚀溶液，基于此，配制不同质量浓度的盐溶液组A、B、C，各组复合盐侵蚀溶液中的易溶盐用量及溶液体积浓度见表 3。
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表 2 水中易溶氯离子含量 Tab. 2 Content of soluble salt ions in water |
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表 3 试验用复合盐侵蚀溶液中盐的用量及溶液体积浓度 Tab. 3 Salt dosage and solution concentration in erosion solution of compound salt in test |
为模拟桥涵下部结构的现场实际环境，选取在养护冻融条件下A、B、C三组复合盐体积浓度与Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五组不同桩基混凝土配合比所对应的组合工况进行分析。
2.3 桥梁桩基混凝土试件的制作与试验制度 2.3.1 桩基础混凝土试件制作试件共采用两种规格，一种为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，另一种为100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件。立方体试件用于微观扫描电镜试验和桩基混凝土抗压强度的测定，而棱柱体试件则用于测定桩基混凝土的质量损失和动弹性模量变化。试件通过自然养护24 h成型后拆模，将成型试件移入20 ℃、相对湿度大于95%的养护室内进行养护，养护28 d后进行后续试验，如图 3所示。
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图 3 桩基混凝土试件成型 Fig. 3 Pile foundation concrete specimen forming |
室内养护冻融循环的试验制度具体如下：将两种尺寸的桩基混凝土试件在标准养护的环境下养护24 d后，再利用全浸泡方法，使试件表面低于液面2 cm，浸入4 d后，在冻融试验机中进行冻融循环试验(一次冻融循环为冰冻2 h，融化2 h，且温度分别控制在-15 ℃±2 ℃，6 ℃±2 ℃)，如图 4、5所示。每25次冻融循环结束后，先测定桩基混凝土试件的质量损失和动弹性模量变化，得出循环前后的桩基混凝土质量损失率与相对动弹性模量变化。取出一组桩基混凝土试块进行抗压强度试验，并选取桩基混凝土质量损失较大的试件做扫描电镜试验。
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图 4 快速冻融试验机 Fig. 4 Rapid freeze-thaw testing machine |
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图 5 浸泡在侵蚀溶液中的桩基混凝土试件 Fig. 5 Concrete specimens of pile foundation immersed in erosion solution |
根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082—2009[24]的规定，以桩基混凝土的质量变化作为其物理性能的检测指标，以动弹性模量的变化作为桩基混凝土宏观力学性能的检测指标。结合抗侵蚀系数变化和微观机理准确地评价桩基混凝土的性能变化。
2.4.1 桩基混凝土质量的测定用精度为0.1 g的电子天平称得桩基混凝土的质量，当桩基混凝土试件的质量损失率ΔWn达到5%时终止试验。严格控制每组试验完成后桩基混凝土质量测定的时间，避免测定间隔时间不同对试验结果的影响。
| $ \Delta W_{n}=\frac{G_{n}-G_{0}}{G_{0}} \times 100 \% $ | (1) |
式中：G0为试件的初始质量，kg；Gn为试验结束后的试件质量，kg。
2.4.2 桩基混凝土抗压强度的测定如图 6所示，利用电液伺服万能试验机记录试件的抗压强度值，试块的抗侵蚀性能用桩基混凝土抗压侵蚀系数表示。
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图 6 电液伺服万能试验机 Fig. 6 Electro-hydraulic servo universal testing machine |
抗侵蚀系数计算公式为
| $ K_{\mathrm{c}}=R_{\mathrm{c}} / R_{\mathrm{s}} $ | (2) |
式中：Kc为试块的抗侵蚀系数；Rc为试块浸泡在侵蚀溶液中一定周期时的抗压强度，MPa；Rs为试块在相同周期内未经侵蚀溶液浸泡的抗压强度，MPa。
2.4.3 桩基混凝土动弹性模量的测定如图 7所示，用桩基混凝土动弹性模量测定仪检测桩基混凝土的动弹性模量变化可以衡量桩基混凝土力学性能的变化情况。
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图 7 混凝土动弹模测定仪 Fig. 7 Concrete dynamic elastic modulus tester |
Er为冻融循环后试件的相对动弹性模量，其相对动弹性模量下降为初始时的40%时，认为试件已破坏，终止试验。相对动弹性模量计算公式为
| $ E_{\mathrm{r}}=\frac{E_{n}}{E_{0}}=\left(\frac{f_{n}}{f_{0}}\right)^{2} $ | (3) |
式中：Er为相对动弹性模量；E0、f0分别为桩基混凝土的初始动弹性模量和频率；En、fn分别为n次冻融循环后的桩基混凝土动弹性模量和频率。
2.4.4 微观SEM测试选取典型试件采用微观扫描电镜SEM进行测试，了解桩基混凝土受侵蚀后内部结构的变化，并用能谱分析仪EDS分析其化学元素组成。
3 试验结果与分析 3.1 外观变化特征分析如图 8所示，在A组溶液中养护冻融循环150次后的桩基混凝土表面出现了不同程度的损伤。配比Ⅱ的桩基混凝土试块损伤情况最为严重，从其外观变化来看，出现大面积掉块，致使桩基混凝土内部石子外露；其次是配比Ⅳ的桩基混凝土试块，其表面发生大面积的混凝土脱落现象；而未加任何添加剂的基准混凝土的情况比前两者要好，试块表面只发生小面积的脱落现象，整体较完整；配比Ⅲ的桩基混凝土试块表面损伤情况最轻，说明在混凝土中添加适量膨胀剂会有明显的抗侵蚀作用。
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图 8 桩基混凝土试块在A组溶液中养护冻融循环150次后的损伤情况 Fig. 8 Damages of pile foundation concrete specimens after 150 cycles of freeze-thaw curing in solution group A |
浸泡溶液的体积浓度也对试块的损伤程度有明显的影响，体积浓度越大，试块表面的损伤程度越轻，如图 9所示，与B、C溶液相比，在A组溶液养护条件下的桩基混凝土试块边角部位有少量混凝土脱落，其他部分保持原状，基本完整。说明溶液体积浓度的增加会适当提高桩基混凝土试块的抗侵蚀强度。
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图 9 配比Ⅱ的桩基混凝土试件在不同体积浓度溶液中养护冻融循环150次后的损伤情况 Fig. 9 Damages of pile foundation concrete specimens with proportion II after 150 cycles of freeze-thaw curing in solutions at different concentrations |
如图 10所示，桩基混凝土试块的质量损失率与侵蚀-冻融循环的次数呈正比例关系，桩基混凝土的质量损失与混凝土的配比和侵蚀溶液的体积浓度也有明显关系。当溶液体积浓度为基准溶液体积浓度时，不同配比的桩基混凝土质量损失表现不同，配比Ⅱ和配比Ⅳ的桩基混凝土质量损失较大，其质量损失率达到5%，远大于基准混凝土的质量损失，而其他配比的混凝土质量损失率均小于5%。不同配比混凝土的质量变化规律与外观变化规律相同，由此得出，桩基混凝土中掺入粉煤灰和矿渣不能提高抗侵蚀性，反而加速桩基混凝土的侵蚀。
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图 10 冻融循环过程中桩基混凝土质量损失率的变化规律 Fig. 10 Variation of mass loss rate of pile foundation concrete during freeze-thaw cycles |
桩基混凝土的质量损失率随侵蚀溶液体积浓度的增大而逐渐减小，甚至出现负增长的变化规律(C组侵蚀溶液)。这是由于溶液体积浓度的增加使SO42-离子大量侵入桩基混凝土内部，在其结晶膨胀后堵塞桩基混凝土材料内部的通道，使得对桩基混凝土有侵蚀作用的Cl-等离子难以侵入，从而减轻桩基混凝土的腐蚀损伤；此外，盐溶液体积浓度的增加可以降低水的冰点从而减弱桩基混凝土的损伤。
3.3 相对动弹性模量变化分析如图 11所示，桩基混凝土的相对动弹性模量与侵蚀-冻融循环次数呈反比例关系。当基准溶液体积浓度作为侵蚀溶液的体积浓度进行养护时，配比Ⅱ的混凝土和配比Ⅳ的桩基混凝土相对动弹性模量下降速率较大，且都超过了配比Ⅴ桩基混凝土的下降速率，并且这一规律与桩基混凝土质量损失率变化规律保持一致。配比Ⅲ的桩基混凝土相对动弹性模量随冻融循环次数的增加先小规模增大，之后逐渐减小至90%左右，其桩基混凝土相对动弹性模量的下降速率小于其他配比的桩基混凝土相对动弹性模量下降速率，这是由于配比Ⅲ的桩基混凝土中掺入适量膨胀剂可以填充桩基混凝土内部空隙，提高了其密实性，因此桩基混凝土的强度增大，抗侵蚀性提高。这说明在桩基混凝土中加入适合的掺合料可以明显提高桩基混凝土的抗侵蚀性能。
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图 11 冻融循环作用时桩基混凝土相对动弹性模量变化规律 Fig. 11 Variation of relative dynamic elastic modulus of pile concrete during freeze-thaw cycles |
如图 12所示，在桩基混凝土经养护冻融循环试验后，其抗侵蚀系数随循环次数的增加呈现先增加后减小的变化规律。当侵蚀溶液为基准溶液时，不同配合比的桩基混凝土其抗侵蚀系数的变化规律也不同，配比Ⅱ和配比Ⅴ的桩基混凝土(基准混凝土)抗侵蚀系数下降较快，桩基混凝土抗侵蚀系数由最初的1.0下降到0.4，下降幅度达到了60%。配比Ⅲ的桩基混凝土仍然表现出很好的抗侵蚀能力，桩基混凝土抗侵蚀系数到试验终止时仍然在0.85以上，这说明侵蚀溶液体积浓度的增大可以增强桩基混凝土的抗侵蚀性能。如图 12所示，随着侵蚀溶液体积浓度的增大，桩基混凝土抗侵蚀系数具有明显增加的变化趋势，特别是配比Ⅱ的桩基混凝土，A组侵蚀溶液养护条件下其桩基混凝土抗侵蚀系数为0.4，而C组溶液养护条件下其抗侵蚀系数增加到0.71，再次说明侵蚀溶液的体积浓度增加可以提高桩基混凝土的抗侵蚀性能。
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图 12 冻融循环作用时桩基混凝土抗侵蚀系数变化规律 Fig. 12 Variation of anti-erosion coefficient of pile foundation concrete under freeze-thaw cycles |
从桩基混凝土抗侵蚀系数来看，各配比桩基混凝土抗侵蚀能力由大到小顺序为配比Ⅲ、配比Ⅰ、配比Ⅳ、配比Ⅱ、配比Ⅴ(基准混凝土)。
3.5 微观机理分析为研究桩基混凝土在侵蚀溶液环境下腐蚀损伤的微观机理，选取配比Ⅱ、配比Ⅲ和配比Ⅴ的桩基混凝土在A组溶液中养护冻融150次，并通过电镜扫描测试，对比分析不同配比的桩基混凝土的微观结构和化学成分，如图 13~15所示。
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图 13 配比Ⅱ的复合盐混凝土矩形区域的能谱图与化学成分分析 Fig. 13 Energy spectrum and chemical composition analysis of compound salt concrete rectangular region with proportion II |
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图 14 配比Ⅲ的复合盐混凝土矩形区域的能谱图与化学成分分析 Fig. 14 Energy spectrum and chemical composition analysis of compound salt concrete rectangular region with proportion III |
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图 15 配比Ⅴ的复合盐混凝土矩形区域的能谱图与化学成分分析 Fig. 15 Energy spectrum and chemical composition analysis of compound salt concrete rectangular region with proportion Ⅴ |
电镜扫描结果如图 16(a)所示，桩基混凝土内部呈现针状与棒状相互交织的松散结构，并不是桩基混凝土标准的晶体状结构。对图 16(a)中的方框区域进行化学成分分析，结果如图 13所示，桩基混凝土中出现大量的C、S等元素，由此可知桩基混凝土受到了盐溶液的侵蚀作用。化学成分分析显示Ca、O、和C元素质量分数较大，并且方框区域中有块状物质，块状物质是桩基混凝土水化产物之一Ca(OH)2和侵蚀溶液中HCO3-离子反应产生的方解石CaCO3，CaCO3可以填充混凝土中的空隙，从而在一定程度上能提高桩基混凝土的强度。但是当膨胀性产物(钙矾石)膨胀后混凝土空隙不能提供更大的空间时，就会导致裂缝的产生，并且随着膨胀性产物(钙矾石)的增多，裂缝将不断增加，甚至出现桩基混凝土溃散。
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图 16 养护冻融循环150次后混凝土SEM图 Fig. 16 SEM images of concrete after 150 cycles of freeze-thaw curing in solution group A |
如图 14所示，配比Ⅲ的桩基混凝土在复合盐A组溶液浸泡冻融循环150次后，C、O、Al、Si、Ca等元素存在，Ca(21.5%)、O(57.18%)、Si(10.76%)和C(6.29%)元素质量分数占比较大，形成CaCO3和C-S-H，桩基础混凝土内部空隙通道被以上腐蚀产物填充，其内部更加密实。说明配比Ⅲ的桩基混凝土内部更为密实，外部侵蚀性离子相对其他桩基础混凝土配比出现较少，从而提高了混凝土的抗侵蚀性能。
3.5.3 配比Ⅴ(基准混凝土)的桩基混凝土微观结构电镜扫描结果如图 16(b)所示，与配比Ⅱ的桩基混凝土相比，配比Ⅴ内部出现大量絮状产物，内部空隙更大，结构更加松散，受侵蚀情况更加严重。对图中方框区域进行能谱与化学成分分析，如图 15所示, 桩基混凝土中出现有SO42-离子，还有Cl-离子侵蚀。可以判断，针状和棒状物产物是桩基混凝土受侵蚀后的产物，即钙矾石或Friedel盐，其化学分子式为3CaO·Al2O3·CaCl·10H2O。
3.6 讨论通过对高寒盐沼泽冻融循环区域条件下的桩基混凝土试块进行宏观特征和微观机理的分析，可以得出位于高寒盐沼泽区的桥梁桩基在冻融循环的外部侵蚀环境作用下的主要破坏特征，进而提出相应的优化解决措施如下：
1) 由试块外观特征和质量变化分析，可以得出不同桩基混凝土配比对其腐蚀现象有明显影响，建议在现场桩基础施工时，桩基混凝土中掺入适量粉煤灰、硅灰以及膨胀剂，可有效地防止桩基础表层混凝土脱落；建议位于高寒盐沼泽区的桥梁桩基选用配比Ⅲ的桩基混凝土进行相关设计与施工。
2) 文献[9]表明，青海省年均冻融循环次数为110次，在青海省冻融环境的前提下，等效室内年均冻融循环次数为10次。本试验在基准溶液中进行150次养护冻融循环，因此，试验模拟并得到了冻融循环15 a内的桩基混凝土弹性模量的变化情况。选用配比Ⅲ的桩基混凝土对位于冻融循环区的桩基础进行设计年限分析，如图 17所示。由图 18可知，在冻融循环的作用下，桩基混凝土的相对动弹性模量随时间增加呈现逐渐减小的趋势，经线性拟合，得到弹性模量与冻融时间的关系为
| $ y=(-1.1 x+112.3) / 100 $ | (4) |
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图 17 不同冻融时间下弹性模量变化线性拟合 Fig. 17 Linear fitting of elastic modulus under different freeze-thaw periods |
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图 18 线性拟合与试验数据对比 Fig. 18 Comparison between linear fitting and test data |
式中: x为冻融时间，a；y为桩基混凝土的相对动弹性模量。
由图 19可知，冻融循环开始后，该线性拟合误差在10%以内，拟合效果较好，可以用拟合结果进行以下分析。位于冻融条件下桩基混凝土结构的设计年限为50 a[25]，由式(4)可求得在冻融循环条件下50 a时的桩基混凝土相对动弹性模量为57.3%。因此，在桩基设计时应充分考虑冻融循环对桩基础混凝土结构设计年限的不利影响，建议选用桩基础设计年限的折减系数为0.6进行设计与施工。
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图 19 线性拟合误差百分数 Fig. 19 Percentage of linear fitting error |
3) 试块的抗侵蚀系数并不是随着复合盐溶液体积浓度的增加而减小，低体积浓度(3.4%)时反而对试块的侵蚀现象更加严重。因此，位于盐沼泽区的桥梁桩基础，要充分考虑低体积浓度复合盐对桩基础的侵蚀破坏，必要时采取换填基础土体，并采用设置隔断层的方式对桩基础进行隔离防腐。
4 结论1) 不同掺合料配合比对桩基混凝土耐久性影响差异较大。桩基混凝土中加入粉煤灰、硅灰和膨胀剂(配比Ⅲ)时，在养护冻融循环条件下，其相对动弹性模量减小值小于10%，抗侵蚀系数稳定大于0.9，桩基混凝土表面只有轻微脱落现象。配比Ⅲ的桩基混凝土具有强抗侵蚀性。
2) 侵蚀溶液的体积浓度对桩基混凝土的腐蚀程度有显著影响。桩基混凝土质量损失率和相对动弹性模量与溶液体积浓度呈现负相关关系，抗侵蚀系数与溶液体积浓度呈正相关关系，甚至当溶液体积浓度达到15.4%时，桩基混凝土质量损失率出现负值。说明随着溶液体积浓度的增大，由于各种离子相互作用，减轻了对桩基混凝土的侵蚀。
3) 由微观结构分析可知，养护冻融循环作用下，桩基混凝土在受侵蚀后含有Cl、S等元素，表明腐蚀产物中存在钙矾石、硅灰石膏、Friedel盐，这些产物共存并互相作用使桩基混凝土发生腐蚀破坏。
4) 由基准溶液养护的桩基混凝土试块在冻融循环条件下的试验检测指标，可以反映出位于青海省冻融循环区桥梁桩基础的力学性能损伤规律。由桩基混凝土弹性模量随冻融时间的变化关系，建议在青海省冻融循环区的桩基础设计年限的折减系数为0.6。
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