新疆果子沟大桥所在地区属于典型的高寒地区。冬季降雪后，雪水反复冻融，导致桥梁构造受到严重的冻融损害。降雪时为了保障交通顺畅，向路面抛洒除冰盐，氯离子会随着消融的雪水渗入桥面板混凝土内部，改变混凝土内部结构，严重影响桥面板混凝土的耐久性^[1-2]。新疆高寒地区桥面板混凝土的普遍破坏属于冻融循环与氯盐侵蚀的耦合破坏，所以对高寒地区桥面板混凝土抗盐冻性能的研究具有非常重要的意义^[3]。

国内外学者做了很多关于除冰盐对混凝土损害的研究工作，Sahmaran M^[4]和Jolous J R ^[5]提出了经典的静水压和渗透压理论；Zhang W M ^[6]研究认为除冰盐作用导致混凝土内部温度大小不均而产生温度应力，加剧混凝土的破坏；Bernal J ^[7]研究发现除冰盐会对混凝土造成严重的化学侵蚀；曹瑞实^[8]研究了多种除冰盐对混凝土耐久性的影响；李龙^[9]建立了桥梁混凝土在盐冻环境下的耐久性评价模型；李连志^[10]等研究了除冰盐对混凝土路面的破坏机理及预防措施，分别从水胶比、引气剂、粉煤灰3个方面对混凝土耐久性的影响开展了研究工作；李中华^[11]对寒冷地区道路混凝土抗盐冻剥蚀性能进行了深入研究，提出了混凝土盐冻剥蚀机理；肖前慧^[12]研究了多因素耦合作用对普通混凝土结构耐久性能的影响。以上学者多是研究了冻融循环或氯盐侵蚀等单一因素对普通混凝土的损伤破坏，而对于新疆高寒地区桥面板混凝土的抗盐冻性研究非常少，该区域桥面板混凝土处于两种影响因素的耦合作用下，混凝土的性能损伤方式与单一的冻融循环或是氯盐侵蚀损伤方式不同，它是两者造成的损伤相互促进的过程，冻融循环加速了氯离子的渗透，氯离子的渗透使混凝土内部渗透压和膨胀压力增大，又反作用于桥面板混凝土的冻融破坏^[13-14]。

本研究模拟新疆高寒地区桥面板混凝土的实际工作环境，设计了盐冻、水耦合试验，以动弹性模量作为评价指标，通过正交试验研究水胶比、用水量与水泥用量、粉煤灰掺量及引气剂掺量对桥面板混凝土抗盐冻性能的影响规律，通过分析研究盐冻对桥面板混凝土的性能损伤，以及对混凝土剥蚀面以下砂浆层耐磨性的影响，探究高寒地区桥面板混凝土抗盐冻性能的改善方法，进而提出高寒地区桥面板混凝土在盐冻耦合条件下的配合比建议值。

水泥采用天山P·O42.5级普通硅酸盐水泥，比表面积413 m²/kg；粗集料采用果子沟口河漫滩天然卵石破碎石，卵石破碎石粒径为9.50~26.5 mm，表观密度为2 670 kg/m³；细集料采用产自果子沟口河漫滩的天然砂及砂砾，含泥量小于3%，表观密度为2 660 kg/m³，细度模数为3.25，属于粗砂；外掺料采用由奎屯热电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，烧失量为0.28%；外加剂采用FDN-15高效缓凝减水剂，减水率为16%；引气剂采用JM-200C型引气剂，引气量5%~10%。

新疆高寒地区桥面板混凝土工作环境恶劣，面临海拔高、温度低、昼夜温差大以及除冰盐侵蚀等问题，为了满足其路用性能要求，桥面板混凝土需要很好的流动性、可塑性、易密性和稳定性。参考规范以及实际工程情况，确定桥面板混凝土的设计强度等级为C40。由于温度很低，为保证混凝土具有良好的抗冻性能，应降低水胶比并加入适量的引气剂，规范要求水胶比不得大于0.45，水灰比根据规范规定的公式计算为0.36；引气剂的加入可改善混凝土的抗渗性，减少氯离子渗透，从而提高混凝土稳定性，规范推荐的引气剂最佳掺量为0.5%~0.8%；粉煤灰能改善混凝土的流动性和抗化学侵蚀性，其建议掺量范围为0%~30%。C40桥面板混凝土具有较好工作性能时的砂率为42%^[15]。

依据工程经验，针对高寒地区特点，选取对桥面板混凝土性能影响较为显著因素作为正交试验因子^[16]，即水胶比m_w/m_B、用水量m_w、粉煤灰掺量ω_FA及引气剂掺量φ_A。正交试验设计见表 1。

新疆果子沟地区年最大降水量为500 mm，最大积雪厚度150 cm，最大季节冻土深度170 cm，年平均气温3~4 ℃，最冷月平均气温约为-14 ℃，最热月平均气温约为13 ℃，果子沟特大桥的环境作用等级为Ⅱ-D，即严寒和寒冷地区，混凝土中度饱水且有氯盐存在的环境条件，果子沟特大桥所在地区的昼夜温差较大(可达20 ℃以上)，冻融循环作用较为严重。

针对新疆高寒地区温差大、冻融循环严重以及氯盐侵蚀的恶劣环境，从单方面考虑除冰盐或者冻融循环对路面的损害并不能充分反映桥面板混凝土的真实破坏，因此设计氯盐侵蚀和冻融循环共同作用于混凝土的试验办法来研究高寒地区桥面板混凝土的抗盐冻性能。本研究借鉴规范(JTG E30—2005)中的“快冻法”试验方案，并加以改进，充分模拟新疆高寒地区的特殊环境：试件结冰温度控制在-17 ℃左右，试件在试验过程中一直处于4%浓度的盐溶液中，同时，桥面板混凝土的抗冻性指标做出相应的规定：桥面板混凝土冻融循环次数要求不得小于300次。具体试验过程如下：制作400 mm×100 mm×100 mm混凝土标准试件，标准养护28天。试验前4天将试件浸泡在4%浓度的NaCl溶液中，然后放入冻融循环箱中，同时加入4%浓度的NaCl溶液。控制每次冻融循环时间在4 h内，融化时间应控制在1 h以上。结冻时试件中心温度控制在(-17±2)℃，融化时为(8±2)℃。每经过30次冻融循环后更换新的NaCl溶液。试验结束后取出试件并放在(110±5)℃烘箱下烘干至恒重，称量精确至0.1 g，计算混凝土试件单位剥蚀量。采用DT—10W动弹仪^[15]，通过对不同试验阶段的混凝土试件进行测定，计算其相对动弹模量损失。

正交试验结果见表 2。为了探究各正交因素对C40桥面板混凝土抗盐冻性能影响的显著性，采用数学分析方法，计算各个影响因素的极差R与方差F，结果见表 3。

由表 3可知，影响高寒地区桥面板混凝土抗盐冻性能的因素按其影响程度依次为：用水量、引气剂掺量、水胶比、粉煤灰掺量。因此，在桥面板混凝土配合比设计过程中应严格控制用水量及引气剂掺量，以确保高寒地区桥面板混凝土抗盐冻性能。

(1) 用水量

分析图 1、图 2可知，当用水量由144 kg/m³增至156 kg/m³时，相对动弹模量减小了4.85%，剥蚀量由1.68 kg/m²增至1.93 kg/m²，增幅约14.8%，随着用水量的增加，C40桥面板混凝土抗盐冻性能会出现较大幅度下降。因此，笔者认为低用水量对桥面板混凝土的抗盐冻性能有较好的改善作用。

图 1 不同用水量时混凝土相对动弹模量 Fig. 1 Relative dynamic moduli of concrete with different water consumption

图 2 不同用水量时混凝土剥蚀量 Fig. 2 Denudations of concrete with different water consumptions

(2) 引气剂掺量

由表 2、表 3分析可知，引气剂掺量的方差值达到了59.35，混凝土含气量控制在4.5%~6.5%之间，不同正交因素水平下的试件相对动弹模量均超过了84%，引气剂掺量从0.4‰增加到1.2‰，桥面板混凝土的抗盐冻性能增幅达到4.4%。引气剂会在混凝土中引入直径为10~100 μm的微小气泡，这些气泡非常稳定并且均匀地分布在混凝土中，切断了毛细孔的连续性，减小混凝土的泌水性和渗透性，从而减弱混凝土中微裂缝端部的应力集中，成功限制裂缝的延伸^[17-18]。气泡还能吸附一层水膜，减少混凝土中的自由水，大量的微小气泡还可以改善新拌混凝土的坍落度。

(3) 水胶比

由表 2、表 3可知，随着水胶比的增大，混凝土的相对动弹模量损失及剥蚀量均逐渐增大，随着冻融次数的增加，混凝土剥蚀量与冻融次数接近线性关系，说明盐冻对混凝土的性能损伤具有较好的规律性，未发生损伤突变。从图 3、图 4中可以看出，水胶比不变时，随着冻融次数的增加，相对动弹模量损失逐渐降低，直线回归系数约为-0.045，剥蚀量逐渐增加，直线回归系数约为0.006；当冻融次数相同时，水胶比越大，相对动弹模量越低，剥蚀量越大，说明水胶比越大，混凝土的抗盐冻性能越差，因此，设计过程中应采用较低的水胶比。

图 3 不同水胶比对混凝土相对动弹模量的影响 Fig. 3 Influence of water-cement ratio on relative dynamic modulus of concrete

图 4 不同水胶比对混凝土剥蚀量的影响 Fig. 4 Influence of water-cement ratio on concrete denudation

(4) 粉煤灰掺量

由正交试验结果可知，当粉煤灰掺量控制在10%~30%，其影响方差值仅为1，说明粉煤灰作为一种外掺料，对于混凝土的抗盐冻性能影响较小，远远小于用水量及含气量对混凝土抗盐冻性能的影响，其主要作用是改善和易性，节约成本。

混凝土的内部结构性能可用相对动弹模量表征。基于正交试验结果，绘制出混凝土的剥蚀量与相对动弹模量的散点关系，见图 5。

图 5 盐冻剥蚀量和相对动弹性模量之间的关系 Fig. 5 Relationship between salt-freeze denudation and relative dynamic elastic modulus

由图 5可知，在水胶比、用水量、粉煤灰掺量及引气剂掺量均不相同的情况下，盐冻剥蚀量与相对动弹模量形成线性关系，相关系数达到0.938。从图中可看出，盐冻循环剥蚀量越大，混凝土的相对动弹模量下降越多，说明混凝土结构内部和表面均受到盐冻的影响。

目前的研究成果表明盐冻对外部桥面板混凝土的影响较为明显，但盐冻对桥面板混凝土内部性能影响的研究还不够深入，缺乏盐冻对混凝土承载能力的研究。在道路工程中，通常以抗弯拉强度作为混凝土承载能力的评价指标。因此试验测得C40桥面板混凝土在无冻融和冻融300次两种条件下的抗弯拉强度值来研究盐冻对其承载能力的影响，本研究通过盐冻试验分析其力学性能的衰减程度，经历300次盐冻循环试验前后桥面板混凝土抗弯拉强度的变化规律见表 4。

由表 4可知，经过300次冻融循环后，混凝土试件的强度损失率均在17%以上，水胶比为0.4时，强度损失率最高达到33%，而随着水胶比降低，混凝土试件的抗弯拉强度损失率逐步降低到21%左右。其他3种因素对混凝土抗弯拉强度的影响不具有规律性，因此，为了保证桥面板混凝土具有较好的力学性能，配合比设计中必须采取低水胶比。

已有研究表明盐冻会大大加快混凝土表面砂浆层的剥落速度，从而降低混凝土表面层的耐磨性，当混凝土表面砂浆层剥落后，盐冻直接作用于剥蚀面以下的砂浆层，而盐冻对剥蚀面以下砂浆层的耐磨性研究还未开展，目前也没有定论，因此我们设计进行了混凝土盐冻后的耐磨性试验。参考《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)中的磨耗试验方法，制作边长为150 mm的标准立方体试件，首先将混凝土试件在盐冻状态下进行冻融循环100次，然后进行耐磨性试验，结果见表 5。

由表 5可知，盐冻循环试验后混凝土的磨损量增幅在6%左右，说明盐冻虽然能加快混凝土表面砂浆层剥蚀速度，但对混凝土剥蚀面以下砂浆层磨损不明显，说明水胶比对混凝土剥蚀面以下砂浆层耐磨性的影响不明显。

雨雪过后，除冰盐融入水中并通过混凝土内部的孔隙进入混凝土，因为温度的急剧变化，盐溶液结冰，体积膨胀产生膨胀压力，同时由于Na⁺离子的存在，结冰融化时又产生渗透压力，冻融循环综合作用下导致混凝土内部发生结构性损伤。因此提高混凝土的抗盐冻性能需要从改善混凝土的孔结构以及阻止水分进入混凝土内部等途径来实现。

通过正交试验及相关研究可以发现，用水量以及水胶比对混凝土性能影响很大，采用较低的用水量和低水胶比可以使得混凝土内部孔隙率降低，提高混凝土的密实性，这样就能很好地阻止盐溶液的渗透。而引气剂的加入能在混凝土内部生成细小的气泡，切断了毛细孔的连续性，减小混凝土的渗透性，大大提高了混凝土的抗盐冻能力。

综合以上分析，并结合现行规范要求，针对新疆高寒地区冻融环境特点及桥面板使用条件，提出该地区C40桥面板混凝土配合比建议值，见表 6。

(1) 影响新疆高寒地区桥面板混凝土抗盐冻性能的因素按大小依次为：用水量、引气剂掺量、水胶比、粉煤灰掺量。用水量和引气剂掺量对混凝土的抗盐冻性能起决定作用，方差分析值分别为92.80与59.35，水胶比对抗盐冻性能也有一定影响，粉煤灰影响甚微。

(2) 低用水量可大大降低桥面板混凝土的剥蚀量，减小相对动弹模量损失，改善桥面板混凝土的抗盐冻性能。通过引气剂来改善桥面板混凝土的抗盐冻性能，最佳含气量应控制在4.5%~6.5%。

(3) 水胶比由0.4降至0.34，桥面板混凝土抗弯拉强度损失率由33%降至21%左右，水胶比对力学性能有一定影响。相对动弹模量与盐冻剥蚀量存在线性关系，盐冻融剥蚀量越大，混凝土的相对动弹模量下降越多，说明混凝土结构内部和表面均受到盐冻的影响。低水胶比和引气剂综合作用可减小桥面板混凝土的力学性能损失。