G7高速公路甘肃段地处寒旱盐渍土地区，地质条件复杂，富含氯盐等腐蚀介质，同时沿线面临干燥、寒冷、高风速、大蒸发量、大温差的严酷气候条件，大气的温度过低造成了浅表层地温下降^[1]，桥涵构造物混凝土结构的化学腐蚀、冻融破坏等均相对严重，水泥混凝土构件的耐久性得不到保证，工程使用寿命变短，水泥混凝土性能受到严重影响^[2]。通常来讲，混凝土的耐久性可由它的渗透性来表征^[3-4]，混凝土的渗透性反映了在压力、化学势的作用下混凝土抵抗外部侵蚀性介质入侵的能力，是影响混凝土耐久性最重要的因素^[5-6]。对处于冻融环境与富含氯盐环境中的混凝土，其抗氯离子渗透性能非常重要^[7-8]，混凝土氯离子渗透性可由氯离子的渗透试验进行评价^[9-11]。

近年来，青海、甘肃、新疆等省份针对各自寒旱环境下盐渍土地区混凝土的耐久性进行了大量的研究与技术攻关，并取得了一定的研究成果。如余红发^[12]在研究盐湖地区高性能混凝土的耐久性、机理与使用寿命预测时，提出高强度的非引气高性能混凝土同时具有抗卤水冻蚀、抗卤水腐蚀和长寿命的特性。王复生、秦晓娟^[13]等通过混凝土长期浸泡试验和浸烘循环快速试验，发现含10%微硅粉、水泥用量大于400 kg/m³的混凝土，具有高强度、高致密度和抗氯盐结晶物理侵蚀的能力。张汉文^[14]提出在盐湖地区，低水灰比(0.40以下)的低钙高铝水泥(CaO含量30%~32%，Al₂O₃含量50%~58%)混凝土是具有足够耐腐蚀性能的材料。蒋卫东、陈啸^[15]等研发了适用于西北盐渍地区特殊地质水文环境下的双掺粉煤灰和高效减水剂的耐腐蚀混凝土，同时提出在盐渍地区可优先选择粉煤灰掺量为40%的双掺混凝土，以提高工程项目的耐久性。

论文利用工程项目实际采用的原材料，模拟研究了G7高速公路甘肃段内桥涵结构混凝土的使用性能，以不同水胶比、不同掺合物及不同养护方式下的水泥混凝土为研究对象，分析不同掺合物、水胶比、养护方法对寒旱地区混凝土抗氯离子渗透性能的影响，为寒旱地区工程建设中水泥混凝土配合比设计、掺合料的选择、施工、养护等提供理论依据，为在建、已建的混凝土工程减少氯盐侵蚀提供技术支持，以保障公路、铁路桥梁和隧道等结构运营的安全。

水泥采用普通硅酸盐水泥，水泥技术指标如表 1所示。粉煤灰采用甘肃某公司生产的I级粉煤灰，需水量比为94，烧失量为2.5%，含水量为0.7%。矿粉采用某公司生产的S95级矿粉，密度为2.86 g/cm³，比表面积为432 m²/kg，7 d活性指数为80%，28 d活性指数为97%。

粗集料为硅质碎石，表观密度为2 670 kg/m³，粒径为5~20 mm，级配合格。细集料为天然砂，II区中砂，表观密度为2 600 kg/m³，级配合格。

减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂，减水率为27%，引气剂产自陕西某精细化工有限责任公司，抗裂致密剂为自主研制的由多种有机和无机材料复合而成的复合外加剂。

保湿膜为普通的聚氯乙烯塑料，厚度约为0.3 mm的专用混凝土养护膜。

为了更好地模拟G7高速公路甘肃段内桥台、梁体、桩基混凝土的使用性能，试验确定了0.30，0.34，0.38共3组水胶比方案。其中水胶比为0.30的混凝土，下称L型混凝土，因为水胶比小，强度较高，可代表梁体混凝土；水胶比为0.34的混凝土，下称D型混凝土，代表桥台、墩台混凝土；水胶比为0.38的混凝土，下称Z型混凝土，代表桩基混凝土。混凝土配合比见表 2。

采用表 1.2中的12种配合比，每种配合比制备2组150 mm×150 mm×150 mm的混凝土试件，每组制备8个混凝土试件(2个为备用试件)。将两组试件中的其中一组标准养护至28 d，另一组标准养护至56 d。每组试件养护结束后，利用钻孔取样机以及土石切割机，将试件切割成ϕ100 mm×150 mm的圆柱体，如图 1、图 2所示。混凝土抗氯离子渗透性的试验采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50082—2009)中直流电量法^[16]，测试仪器为电通量测定仪，如图 3所示。通过氯离子直流电通量法测定试验试样6 h电通量，计算出电通量平均值，以此评价混凝土抗氯离子的渗透性能^[17]，如图 4所示。

图 1 混凝土钻心取样图 Fig. 1 Concrete core samples

图 2 混凝土抗氯离子渗透性试件 Fig. 2 Concrete samples for chloride ion permeability resistance test

图 3 混凝土电通量测试仪 Fig. 3 Concrete electric flux tester

图 4 混凝土电通量测试试验 Fig. 4 Test for measuring concrete electric flux

G7高速公路甘肃段地处我国西北地区，昼夜温差大，尤其在春、秋两季还经常会出现昼夜正负变温情况^[18]。为了探索养护条件对严酷气候条件下混凝土抗氯离子渗透性能的影响，优化寒旱地区混凝土养护方式，完善现场养护理论，混凝土试件的养护拟采用标准养护(记为BY)、保湿养护(记为CT)和保温保湿养护(记为WS)3种养护方式。

选取3种混凝土的优化配合比试件(YC)在标准成型室成型后，1 d后拆模，分别进行3种方式养护，养护的相对湿度均为50%，养护温度分别为20 ℃、-5~15 ℃和-10~20 ℃，将混凝土试件养护至56 d龄期时测定其电通量。

图 5反映了不同比例的掺合料对各类混凝土电通量的影响，由图可以得到，不论哪种类型的混凝土，其对应的基准混凝土(JC)在28 d与56 d的电通量均高于其他类型的混凝土，这是由于基准混凝土仅采用水泥作为胶凝材料，砂浆之间的空隙只能依靠单一的水泥颗粒来填充，因其填充能力一般，使得混凝土的密实性变差，混凝土内部孔隙变多，抗渗性变差，而且随着水胶比的增大其电通量有明显增大的趋势。

图 5 掺合料对混凝土电通量影响 Fig. 5 Influences of admixtures on electric flux of concrete

掺以粉煤灰为主(FC)和以矿粉为主(KC)的矿物掺合料的混凝土电通量较之基准混凝土有明显的降低，这是由于在水泥的基础上添加了一种细颗粒尺寸材料，使得砂浆之间的空隙靠两种颗粒来填充，更好地发挥颗粒的填充效应，使得混凝土密实度提高，电通量降低。对比两种矿物掺合料的混凝土电通量，发现掺以矿粉为主的混凝土28 d时的电通量明显要小于掺以粉煤灰为主混凝土的电通量，在56 d时两者相差不大，这主要是粉煤灰早期反应速度慢，矿粉反应速度快，早期掺以矿粉为主的混凝土比较致密，但随着粉煤灰的不断水化，后期两者致密程度相差不大，导致电通量相差不大。

对比其他3种混凝土的电通量，掺入粉煤灰、矿粉优化复合后的混凝土(YC)其电通量明显偏低，原因在于不同粒度分布的材料填充密实效应更加明显，显著提高了混凝土结构的密实度，改善优化了混凝土内部孔隙结构。

通过分析图 5与表 2可知，随着水胶比的增大，混凝土试件在28 d与56 d的电通量逐渐增大。以粉煤灰为主要掺合料的混凝土(FC)为例，水胶比为0.3的LFC型混凝土28 d电通量为1 410 C，56 d电通量为940 C；水胶比为0.34的DFC型混凝土28 d电通量为1 930 C，56 d电通量为1 043 C；水胶比为0.38的ZFC型混凝土28 d电通量为2 430 C，56 d电通量为1 359 C。若以LFC型混凝土为基准，则DFC与ZFC型混凝土28 d电通量是LFC的1.36与1.73倍, 56 d电通量是LFC的1.11与1.45倍，其他类型混凝土电通量的变化均呈现出相同的趋势。

综上所述，水胶比越大，混凝土抗氯离子渗透的能力逐渐减弱。这是因为随着水胶比增大，混凝土的密实程度逐渐减小，且混凝土内连通的毛细孔增多、毛孔空隙率增大，氯离子在混凝土内的运输通道与运输速率增多，因此削弱了混凝土抗氯离子渗透的能力。

图 6、图 7为不同养护方式下型混凝土各龄期电通量的测试值。通过分析图 7(a)~(c)，发现在T=20 ℃，RH=50%的条件下，采用保温保湿养护方式的混凝土试件在28 d、56 d的电通量小于标准养护的混凝土试件，有效地改善了混凝土的抗渗性。相比保温保湿养护，保湿养护不能有效地减低混凝土的电通量，混凝土试件在28 d、56 d的电通量均大于标准养护的混凝土试件。

图 6 不同龄期混凝土电通量测试值(T=20 ℃，RH=50%) Fig. 6 Measured values of electric flux of concrete at different ages(T=20 ℃, RH=50%)

图 7 不同龄期混凝土电通量测试值(T=-5~15 ℃，RH=50%) Fig. 7 Measured values of electric flux of concrete at different ages(T=-5-15 ℃, RH=50%)

由图 8、图 9可知，在T=-5~15 ℃，RH=50%与T=-10~20 ℃，RH=50%两种养护条件下，采用保温保湿养护或保湿养护方式的混凝土试件在28 d、56 d的电通量均大于标准养护的混凝土试件。若以L型混凝土试件为例，在T=-5~15 ℃，RH=50%条件下，28 d保湿养护的混凝土试件电通量为标准养护1.35倍，保温保湿养护的混凝土试件电通量为标准养护的1.14倍；56 d保湿养护的混凝土试件电通量为标准养护的1.66倍，保温保湿养护的混凝土试件的电通量为标准养护的1.24倍。在T=-10~20 ℃，RH=50%的条件下，28 d保湿养护的混凝土试件电通量为标准养护的1.99倍，保温保湿养护的混凝土试件电通量为标准养护的1.35倍；56 d保湿养护的混凝土试件电通量为标准养护的2.42倍，保温保湿养护的混凝土试件的电通量为标准养护的1.61倍。

图 8 不同龄期混凝土电通量测试值(T=-10~20 ℃，RH=50%) Fig. 8 Measured values of electric flux of concrete at different ages(T=-10-20 ℃, RH=50%)

分析可知，昼夜正负变温环境条件对混凝土抗氯离子渗透性能非常不利，T=-10~20 ℃，RH=50%的养护条件较之T=-5~15 ℃，RH=50%的养护条件来讲，混凝土电通量值随温差增大、最低温度降低而明显增加，这是因为在外界温度变化时，混凝土的温度应力和冻胀应力导致混凝土微裂缝增多，导致电通量增加。而采用保温保湿膜养护混凝土的电通量在两种变温条件下均低于保湿养护的混凝土，这说明保温保湿膜在低温条件下可充分保持膜内较高温度及足够湿度，从而保证混凝土正常的性能发展，使得混凝土在较为严酷的变温条件下仍可保证较高的抗氯离子渗透性能。

(1)   寒旱地区干燥、寒冷、大温差的气候特征对混凝土抗氯离子渗透性能提出了更高的要求，掺入适宜比例的掺合物会在一定程度上提高混凝土抗氯离子渗透性能。通过试验分析发现，对于同一个配合比而言，相较于基准混凝土(JC)、掺以粉煤灰为主的混凝土(FC)和以矿粉为主的混凝土(KC)，掺入粉煤灰、矿粉优化复合后的混凝土(YC)其电通量明显偏低，从颗粒细粉材料的填充密实效应来分析，采用适宜粒度分布的粉煤灰、矿粉复合掺入到混凝土中，可以提高混凝土的密实度，配制出抗氯离子渗透性能最优的混凝土。

(2)   在试验设计的L，D，Z这3种类型的混凝土中，都呈现出随着水胶比的增大，混凝土抗氯离子渗透的能力逐渐减弱的规律。所以针对寒旱地区的梁体混凝土，桥台、墩台混凝土，桩基混凝土等，在设计满足相应规范的前提下，应合理减小水胶比，使混凝土内部密实，减小空隙率，提升混凝土抗氯离子渗透的能力，保证混凝土的耐久性。

(3)   不同的养护方式对混凝土的抗氯离子渗透性有较大的影响。从养护试验的结果可以得出，在恒温(T=20 ℃，RH=50%)的条件下，采用保温保湿养护方式可以使混凝土试件的抗渗性得到有效的改善；而在正负变温(RH=50%，T=-10~20 ℃及RH=50%，T=-5~15 ℃)的条件下，保温保湿的养护方法可在低温条件下保持膜内的温度及湿度，缓解外界条件对混凝土的影响，保持混凝土正常的性能。所以对于西北的寒旱地区，建议采用保温保湿的养护措施，使混凝土在较为严酷的变温条件下仍具有较高的抗氯离子渗透性能。