引氣劑對混凝土性能的影響研究*

高 輝，張 雄，張永娟

(同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，上海201804)

在20世紀(jì)30年代，美國、日本、英國等就開始使用引氣劑。在美國，引氣混凝土的應(yīng)用已得到很大的發(fā)展。這是由于隨著美國公路交通的發(fā)展，混凝土公路路面破壞嚴(yán)重，尤其是冬天用食鹽或氯化鈣溶化公路路面冰雪時，對混凝土路面破壞更為嚴(yán)重。應(yīng)用引氣劑在混凝土中引入合適的氣泡(孔)是顯著改善混凝土和易性與耐久性的有效技術(shù)途徑[1，2]。在混凝土塑性狀態(tài)引入的氣泡主要影響混凝土的和易性[3]，當(dāng)混凝土硬化后存留的氣泡則成為氣孔，主要影響混凝土力學(xué)行為和耐久性[4]。由于大氣孔會使硬化混凝土強(qiáng)度顯著損失[5，6]，因此，混凝土行業(yè)對混凝土引氣技術(shù)應(yīng)用頗有顧慮。本文研究了引氣劑對混凝土工作性、強(qiáng)度和抗凍融性能的影響規(guī)律，對工程實(shí)踐有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1 試驗原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥:安徽寧國海螺PⅡ52.5;細(xì)集料:中砂，細(xì)度模數(shù)2.54;粗集料:選用了粒徑為5mm～30mm，表面比較粗糙且質(zhì)地堅硬的玄武巖碎石;水:自來水;選用引氣劑分別為:SJ三萜皂甙引氣劑(以A表示)，烷基磺酸鹽類引氣劑(以B表示)。

1.2 混凝土配合比

引氣劑按水泥用量的百分比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))摻加，不同引氣劑摻量根據(jù)新拌混凝土的含氣量調(diào)整，混凝土的坍落度控制在140mm～190mm，低頻振動臺振動15s成型，測試新拌混凝土的含氣量或成型試件用于測試硬化混凝土氣孔特征參數(shù)?；炷僚浜媳纫姳?。

表1 混凝土配合比

1.3 試驗方法

按GB/T 50080－2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用SANYO直讀式含氣量測定儀測定新拌混凝土含氣量并進(jìn)行混凝土工作性試驗;28d抗壓強(qiáng)度按GB/T 50081－2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試;按SL 352－2006《水工混凝土試驗規(guī)程》進(jìn)行硬化混凝土氣泡參數(shù)測定及抗凍性試驗。混凝土凍融耐久性指數(shù)的計算公式見式(1)。

式中:DF—凍融耐久性指數(shù);

P—相對動彈性模量，通常以60%為準(zhǔn)(若降不

到60%，則凍融循環(huán)次數(shù)持續(xù)到300次，以實(shí)測

的相對動彈性模量計算);

N—相對動彈性模量達(dá)到60%時的循環(huán)次數(shù)(若

降不到60%，則以循環(huán)300次計算)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 引氣劑對新拌混凝土的含氣量及其工作性影響

圖1 引氣劑摻量對新拌混凝土含氣量的影響

圖2 新拌混凝土含氣量對其工作性的影響

從圖1可知，隨引氣劑摻量增加，新拌混凝土含氣量增加，但不同引氣劑的引氣能力不同，所以實(shí)際工程中，具體摻量根據(jù)使混凝土內(nèi)部引入的氣泡量，通過試驗確定。引氣劑能在混凝土中引入大量均勻分布、相互獨(dú)立的類球形微小氣泡，它們在混凝土中起到了滾珠的作用，增加了漿體體積、漿體粘度，使混凝土拌合物的和易性得到了極大的提高，新拌混凝土含氣量對坍落度的影響如圖2所示。引氣劑具有一定的減水作用，在用水量一定的情況下，摻入引氣劑可以提高混凝土的坍落度;或在坍落度和單位水泥用量相同的情況下，摻入引氣劑可以減少單位用水量，從而增加了混凝土的密實(shí)性，提高了混凝土的耐久性。在摻入引氣劑后，增加的氣泡使得混凝土的內(nèi)聚力和均勻性都增加，氣泡黏結(jié)著固體顆?？梢詼p小其下沉的趨勢，同時也減小水的流動進(jìn)而降低了混凝土的泌水和離析。

2.2 新拌混凝土含氣量與硬化混凝土實(shí)際含氣量的關(guān)系

圖3 新拌混凝土含氣量與硬化混凝土含氣量的關(guān)系

如圖3所示，新拌混凝土的含氣量越大，硬化混凝土的含氣量就越高，線性相關(guān)性顯著。

2.3 引氣劑對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

抗壓強(qiáng)度是混凝土最重要的力學(xué)性質(zhì)之一，這是因為任何混凝土構(gòu)筑物都是用來承受荷載或抵抗各種作用力。混凝土內(nèi)部孔隙體積率越低，混凝土越密，抗壓強(qiáng)度越高。從圖4可見，摻入引氣劑后，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度降低。

混凝土的孔結(jié)構(gòu)直接影響混凝土的許多性能，如強(qiáng)度、變形性能及耐久性。吳中偉院士將混凝土孔徑分為4級，即無害孔級(孔徑 ＜20nm)、少害孔級(20nm≤孔徑≤50nm)、有害孔級(50nm≤孔徑≤200nm)和多害孔級(孔徑＞200nm)?？梢姡瑲馀萜骄霃綄σ龤饣炷翉?qiáng)度的影響很大，如表2所示，A類引氣劑比B類引氣劑的平均孔徑小，對于A類引氣劑，每增加單位含氣量，其28 d抗壓強(qiáng)度損失量的平均值為2.2MPa;對于B類引氣劑，每增加單位含氣量，其28 d抗壓強(qiáng)度損失量的平均值為3.1MPa。說明硬化混凝土平均孔徑越小，越有利于減小因引氣而造成的抗壓強(qiáng)度損失。

表2 硬化混凝土氣孔參數(shù)試驗結(jié)果

圖4 硬化混凝土含氣量對其抗壓強(qiáng)度的影響

2.4 引氣劑對混凝土抗凍性能的影響

圖5 氣孔間隔系數(shù)對混凝土凍融耐久性指數(shù)的影響

凍融對混凝土的破壞是在水轉(zhuǎn)變成冰時體積膨脹造成的靜水壓力和冰水蒸氣壓力差別所造成的滲透壓力共同作用的結(jié)果。為了降低混凝土的凍結(jié)破壞，提高混凝土的抗凍性，降低混凝土中毛細(xì)管孔隙率，減少混凝土用水量，降低水灰(膠)比，采用高效減水劑和固體減水劑(如I級粉煤灰)都是有效的措施。

引氣劑的采用大大改善了混凝土的抗凍性，混凝土引入大量均勻分布的微小氣泡，由于氣泡的可壓縮性和容納自由水的遷入，緩解了結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹壓力和滲透壓力。在本試驗中，不摻引氣劑混凝土的凍融耐久性指數(shù)僅30%，遠(yuǎn)低于摻引氣劑混凝土的凍融耐久性指數(shù)。影響引氣混凝土抗凍融性能的因素，除含氣量外，氣孔間距系數(shù)是一個重要的參數(shù)。試驗研究發(fā)現(xiàn)，氣孔間距系數(shù)對引氣混凝土抗凍性的影響最為顯著，如圖5所示，氣孔間距系數(shù)越小，混凝土的凍融耐久性指數(shù)就越大。

3 結(jié)論

(1)通過摻加引氣劑增加新拌混凝土含氣量，可以改善混凝土的工作性。且新拌混凝土含氣量與硬化混凝土含氣量線性相關(guān)性顯著。

(2)引氣劑的摻入降低了混凝土的強(qiáng)度，硬化混凝土平均孔徑越小，越有利于減小因引氣而造成的抗壓強(qiáng)度損失。

(3)摻入引氣劑后，混凝土的凍融耐久性得以改善;氣孔間距系數(shù)對引氣混凝土抗凍性的影響非常顯著，氣孔間距系數(shù)越小，混凝土的凍融耐久性指數(shù)就越大。

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