摘要
为了保障寒冷地区机场的正常运行，冬季需要对机场水泥混凝土道面和飞机喷洒除冰液。常用的机场道面除冰液主要包括醋酸钙镁（ Calcium magnesium acetate ， CMA ）、醋酸钾（Potassium acetate, KAc）和醋酸钠（Natrium aceticum, NaAc）除冰液；常用的飞机除冰液主要包括乙二醇（Ethylene glycol, EG）和丙二醇（Propylene glycol, PG）除冰液。本文以普通混凝土和掺加粉煤灰（Fly ash, FA）和矿渣（Slag, SG）的高性能混凝土在机场除冰液中的冻融破坏和腐蚀破坏为主要研究对象，采用快速冻融和腐蚀实验研究混凝土的抗冻性和抗腐蚀性；采用微观测试手段分析混凝土腐蚀破坏后的物相组成和微观结构。结合裂纹密度模型分析混凝土在冻融破坏和腐蚀破坏过程中的内部微裂纹扩展规律。运用课题组研发的结冰压和结冰体积膨胀率自动测试仪，测定不同除冰液的结冰压力（Icing pressure，符号Ip）和结冰体积膨胀率（Icing volume expansion, 符号ΔPV）。依据冻融疲劳方程和损伤累积原理，详细描述了基于静水压和渗透压理论混凝土的室外冻融寿命预测模型，建立了预测混凝土室外冻融寿命的简易算法。本文得到的主要成果和结论如下：（1）CMA除冰液能延缓混凝土的冻融破坏，但会加剧混凝土的腐蚀破坏，且浓度越高腐蚀破坏作用越强。EG 除冰液对混凝土没有腐蚀破坏作用，但会加剧混凝土的冻融破坏。在同等条件下，掺加SG后混凝土的抗冻性明显优于掺加FA，但SG掺量高于40%后混凝土的抗冻性提高不明显。硅酸盐水泥混凝土的抗CMA腐蚀性优于抗硫酸盐水泥混凝土，掺加SG和FA有利于提高混凝土抗腐蚀性，且掺加FA的效果更好。混凝土在高浓度CMA溶液中长期腐蚀破坏特征仅限于表面剥落，混凝土内部密实程度不受CMA溶液腐蚀作用的影响。（2）溶液结冰体积膨胀是导致受约束溶液产生结冰压力的直接原因。在溶液体积膨胀率实验降温过程中，溶液的温度先是线性降低随后保持恒定之后再线性降低最后缓慢降低至稳定。随着降温时间的增加和温度的降低，溶液的ΔPV值先急剧增加再缓慢增加最后稳定。溶液的ΔPV稳定值随溶液浓度的增加而降低，水的ΔPV稳定值为12.57%。3.5%浓度氯盐溶液中，NaCl溶液的ΔPV稳定值最大，CaCl2溶液居中，MgCl2溶液最小。3.5%醋酸盐溶液中，CMA溶液的ΔPV值在-30.00℃前达到稳定，而KAc和NaAc溶液的ΔPV值接近并一直保持增加趋势，整个降温过程中二者的ΔPV值均低于CMA溶液。3.5%飞机除冰液中，EG溶液的ΔPV稳定值跟PG溶液接近。由于盐溶液结冰体积自由膨胀时内部存在可压缩孔隙，溶液的ΔPV值不能作为衡量除冰液对混凝土冻融破坏的指标。（3）在溶液结冰压力实验的降温过程中，溶液的温度先线性降低再缓慢降低最后保持稳定。随着温度的降低和降温时间的增加，溶液的Ip值先急剧增加再缓慢增加最后趋于稳定。溶液的Ip稳定值随溶液浓度的增加而降低。水的Ip稳定值为473.5 MPa。3.5%浓度氯盐溶液中，NaCl溶液的Ip稳定值最大，CaCl2溶液居中，MgCl2溶液最小。3.5%浓度的醋酸盐溶液中，KAc 溶液的Ip稳定值最大，NaAc溶液居中，CMA溶液最小。3.5%浓度有机飞机除冰液中，EG溶液的Ip稳定值大于PG溶液。以上溶液中水的Ip稳定值最大，但水对混凝土的冻融损伤却低于以上盐溶液（CMA溶液除外）。（4）提出结冰压冲量（Ice pressure impulse，IPI）的新概念，结冰压冲量表示溶液的Ip值随时间的累积效应。相同条件下，盐溶液的浓度越高其IPI值越小；3.5%浓度的氯盐除冰液、醋酸类除冰液和飞机除冰液的IPI值大小规律与Ip值的大小规律一致；与以上盐溶液的IPI值相比，水的 IPI 值最小。结冰压冲量可作为定量评价除冰液对混凝土冻融损伤的指标，混凝土的冻融寿命随着除冰液IPI值的增加而降低，混凝土的△Wn值随着除冰液IPI值的增加先急剧增加再缓慢增加。（5）结冰压力导致混凝土表面和内部产生冻融微裂纹，微裂纹的扩展、连生和贯通造成混凝土表层的砂浆剥落和内部冻融损伤。混凝土的冻融裂纹密度（Crack density，符号Cd）值随着冻融循环次数而增加，随着相对深度的增加而降低。混凝土表面砂浆宏观剥落时Cd临界值为0.85~0.88；混凝土内部冻融失效破坏时试件中心区的Cd临界值为0.32~0.34。（6）在长达10.5 a的CMA溶液长期腐蚀过程中，混凝土内部水化产物与CMA发生反应，生成 CaAc?H2O、Mg(OH)2、CaSO4?2H2O、MgCO3、MgCa(CO3)2以及 MSH 凝胶。CMA 溶液对混凝土的腐蚀破坏机理为化学腐蚀破坏。化学腐蚀产物形成“起裂元”，“起裂元”的结晶应力导致混凝土表层产生腐蚀性微裂纹，随着微裂纹的扩展、连通以及 CMA 溶液的逐渐渗透，混凝土表层砂浆出现逐层逐片剥落和解体现象。混凝土腐蚀破坏时表层砂浆宏观剥落时对应的裂纹密度临界值跟冻融实验一致。（7）分析了混凝土抗冻性材料参数β与混凝土水灰比、含气量以及28d抗压强度的关系。借助冻融疲劳方程和损伤累积原理，描述了混凝土在水冻和盐冻环境中基于静水压理论和渗透压理论的混凝土冻融寿命预测模型，建立了快速冻融实验和单面冻融实验两种不同试验方法下的冻融寿命预测模型。（8）推导了水冻和除冰液冻融环境下混凝土室内外抗冻融循环次数比值（Ratio of Indoor and outdoor, 符号K）的计算方法；基于静水压和渗透压理论，水冻环境下的K值分别为8~9和2~5。绘制全国范围内基于静水压力理论和渗透压理论下水冻和盐冻环境下的K值区划图，并用现场冻融数据对水冻环境下的K值进行验证。借助混凝土抗冻耐久性模型和气象数据，建立预测混凝土冻融寿命的简易算法。（9）为减少除冰液对混凝土的冻融损伤，在氯盐除冰液中建议使用CaCl2或MgCl2除冰液；在飞机除冰液中建议使用EG除冰液；在醋酸类机场道面除冰液中建议使用Ca/Mg摩尔比为3/7 的 CMA 除冰液。硅酸盐水泥混凝土的抗冻性和抗腐蚀性均优于抗硫酸盐水泥混凝土。对于使用CMA机场除冰液的机场道面，建议使用适当引气并掺加40%粉煤灰的硅酸盐水泥混凝土。对于喷洒飞机除冰液的机场除冰坪，建议使用适当引气并掺加不超过40%矿渣的硅酸盐水泥混凝土。
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