引氣C40自密實(shí)混凝土性能試驗(yàn)研究

侯景鵬，李自舜，史　巍，王　權(quán)

(東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林　132012)

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引氣C40自密實(shí)混凝土性能試驗(yàn)研究

侯景鵬，李自舜，史巍，王權(quán)

(東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林132012)

采用固定砂石配比設(shè)計(jì)方法配制C40自密實(shí)混凝土，研究不同聚羧酸引氣減水劑摻量下自密實(shí)混凝土含氣量、工作性能、不同齡期抗壓強(qiáng)度、及抗凍融循環(huán)性能。結(jié)果表明，聚羧酸引氣減水劑質(zhì)量摻量為膠凝材料總量0.5%時(shí)，新拌C40自密實(shí)混凝土含氣量為4.3%，工作性能達(dá)到二級(jí)自密實(shí)混凝土要求的標(biāo)準(zhǔn)，28 d抗壓強(qiáng)度56.8 MPa，200次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量降為72.5%。相比0.4%、0.55%、0.65%引氣減水劑摻量，0.5%摻量下28 d抗壓強(qiáng)度降低較少，抗凍融循環(huán)性能最好。研究結(jié)果為摻加聚羧酸引氣減水劑自密實(shí)混凝土的應(yīng)用和推廣提供依據(jù)和參考。

引氣減水劑; 自密實(shí)混凝土; 含氣量; 抗壓強(qiáng)度; 抗凍性

1　引　言

1988年，日本東京大學(xué)Okamura教授最早開發(fā)出“不振搗的高耐久性混凝土”，即自密實(shí)混凝土。無(wú)需振搗，僅依靠自重就能穿過密集鋼筋均勻密實(shí)成型，以其良好的工作性和廣泛的適用性用于各類工程[1]。在自密實(shí)混凝土中引入適量空氣，可有效改善自密實(shí)混凝土耐久性能，尤其是抗凍性顯著增強(qiáng)，對(duì)于惡劣環(huán)境下混凝土建筑物有不可估量的好處。

在自密實(shí)混凝土中引入空氣依賴引氣劑實(shí)現(xiàn)，在拌合物中加入適量引氣劑，混凝土硬化后內(nèi)部會(huì)形成大量均勻分布的微氣泡。依據(jù)美國(guó)學(xué)者鮑爾斯提出的滲透壓假說(shuō)，凍融時(shí)內(nèi)部流體壓力會(huì)明顯減小，因?yàn)樗挚梢粤魅胍龤鈩┰诨炷羶?nèi)部形成的氣泡中[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面進(jìn)行很多研究。JGJ55-2011規(guī)定不同環(huán)境下有抗凍要求的引氣混凝土的最小含氣量為混凝土總體積的4.5%～6%之間，最大含氣量不宜超過7%[3]；黃維蓉、楊德斌等通過試驗(yàn)研究了不同含氣量混凝土的抗凍性能及抗氯離子滲透性能，建議高寒地區(qū)C50混凝土含氣量宜控制在5%～7%[4]。楊錢榮、黃士元等發(fā)現(xiàn)在同水膠比條件下，硬化混凝土中含氣量每增加1%，抗壓強(qiáng)度降低3%～5%[5]。王慶石等認(rèn)為新拌混凝土含氣量約為3.8%～5.6%時(shí)，混凝土抗凍性較好[6]。

在混凝土中加入引氣劑需對(duì)引氣劑和減水劑做相容性試驗(yàn)，較麻煩。聚羧酸引氣減水劑兼具引氣和減水效果，使用方便。試驗(yàn)選用聚羧酸引氣減水劑，研究C40自密實(shí)混凝土不同引氣減水劑摻量下對(duì)混凝土含氣量、工作性能、力學(xué)性能、及抗凍性能的影響。

2　C40自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1配合比設(shè)計(jì)方法

固定砂石配比設(shè)計(jì)方法參數(shù)意義明確，設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。但固定砂石法無(wú)法預(yù)估混凝土內(nèi)部初始含氣量，需進(jìn)行改進(jìn)，過程是：首先計(jì)算適配強(qiáng)度，確定單位體積混凝土粗骨料用量；然后預(yù)估混凝土體積含氣量，按照經(jīng)驗(yàn)確定為1.5%；接著確定砂漿體積、砂體積及質(zhì)量，并得到漿體體積；最后確定粉煤灰、水泥用量、及水膠比；減水劑用量按照產(chǎn)品說(shuō)明書及經(jīng)驗(yàn)確定。

2.2原材料及配合比

自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，工作性能等級(jí)為二級(jí)。江砂，表觀密度2650 kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.6，屬二區(qū)中砂；吉林亞泰龍?zhí)端嘤邢薰旧a(chǎn)的P·O 42．5級(jí)水泥；吉林市市政采石場(chǎng)生產(chǎn)的5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石；吉林市某電廠生產(chǎn)的粉煤灰，密度為2300 kg/m3；減水劑采用吉林市宏恩化工公司生產(chǎn)的聚羧酸系引氣減水劑，固含量40%以上，減水率30%～40%；普通自來(lái)水。配合比見表1。

表1　C40自密實(shí)混凝土配合比

保持水膠比不變，改變引氣減水劑摻量，分別為膠凝材料總質(zhì)量的0.4%，0.5%，0.55%，0.65%。

3　含氣量及工作性能

3.1含氣量測(cè)定

聚羧酸引氣減水劑對(duì)C40自密實(shí)混凝土性能的影響主要在于引入的氣體含量。

采用CJ-3型含氣量測(cè)定儀測(cè)定新拌混凝土含氣量,見圖1。將新拌自密實(shí)混凝土拌合物均勻裝入量缽內(nèi)，無(wú)需振搗即可自密實(shí)，用抹刀抹平，使表面無(wú)氣泡；蓋上缽蓋，打開排氣閥，用注水器從進(jìn)水閥處加水直到排氣閥出水口有水均勻流出為止；關(guān)閉進(jìn)水閥和排氣閥，用手泵打氣加壓，并用微調(diào)閥調(diào)整，使表壓準(zhǔn)確到1.0 MPa；再按下壓力閥2～3次，讀表數(shù)值即為體積含氣量，不同引氣減水劑摻量的新拌自密實(shí)混凝土含氣量如表2。

表2　新拌自密實(shí)混凝土含氣量

圖1　混凝土含氣量測(cè)定儀Fig.1　Instrument for measuring concrete air content

圖2　自密實(shí)混凝土工作性能測(cè)試圖片(a)坍落度;(b)坍落擴(kuò)展度Fig.2　Photos of testing workability of self compacting concrete

3.2工作性能

傳統(tǒng)坍落度法不足以全面反映自密實(shí)混凝土工作性能，采用坍落度、坍落擴(kuò)展直徑及T50時(shí)間衡量自密實(shí)混凝土工作性能。坍落擴(kuò)展直徑即提起坍落度筒后混凝土停止流動(dòng)后坍落擴(kuò)展的直徑，用來(lái)檢查流動(dòng)性及抗離析性；T50時(shí)間是從坍落度筒中流出攤平為50 cm直徑的范圍的流動(dòng)時(shí)間，主要反映混凝土拌合物的粘聚性。

不同引氣減水劑摻量新拌自密實(shí)混凝土工作性能如表3，試驗(yàn)圖片見圖2：

表3　新拌自密實(shí)混凝土工作性能

不同引氣減水劑摻量下自密實(shí)混凝土工作性能均符合性能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從表3看，隨引氣減水劑摻量增大，自密實(shí)混凝土含氣量增加，坍落擴(kuò)展度增大，T50時(shí)間縮短，流動(dòng)性明顯提高。引氣減水劑摻量為0.65%時(shí)，拌合物稍有泌水、離析現(xiàn)象。綜合評(píng)定，0.5%、0.55%兩組引氣減水劑摻量下自密實(shí)混凝土工作性能良好，達(dá)到二級(jí)自密實(shí)混凝土標(biāo)準(zhǔn)。建議聚羧酸引氣減水劑摻量不宜超過0.55%。

4　自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度

圖3　不同含氣量不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.3　Compressive strength of concrete with different air content at different age

聚羧酸引氣減水劑摻量不同，拌合物含氣量不同，硬化后內(nèi)部形成的孔隙數(shù)量有差異，是影響混凝土力學(xué)性能的重要因素。

測(cè)試0.4%、0.5%、0.55%、0.65%四種引氣減水劑摻量下混凝土3 d、7 d、14 d、28 d齡期的抗壓強(qiáng)度。邊長(zhǎng)150 mm的立方體試件，每組3個(gè)試件取平均值。含氣量對(duì)不同齡期自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖3。

四種不同含氣量下，混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)不同，隨齡期增長(zhǎng)，含氣量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響逐漸加大。以3 d和28 d齡期抗壓強(qiáng)度為例，當(dāng)含氣量從2.4%增加至4.3%、5.5%、7.8%時(shí)，混凝土3 d抗壓強(qiáng)度下降1.2%、4.1%、7.8%，28 d抗壓強(qiáng)度下降4.6%、10.9%、17.9%。說(shuō)明含氣量對(duì)C40自密實(shí)混凝土早期強(qiáng)度影響較小、對(duì)后期強(qiáng)度影響大。

用最小二乘原理擬合回歸，得到C40自密實(shí)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度與拌合物含氣量之間關(guān)系：

fcu=-0.0361a2-1.6665a+63.973

(1)

其中：相關(guān)系數(shù)R2=0.9867，fcu為混凝土28 d抗壓強(qiáng)度，a為新拌混凝土含氣量。

5　自密實(shí)混凝土抗凍性能

將四種不同引氣減水劑摻量的C40自密實(shí)混凝土制成100 mm×100 mm×400 mm試件，每組3個(gè)，放入水中養(yǎng)護(hù)至28 d后，按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》，進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)。每次凍融循環(huán)時(shí)間為4 h，融化時(shí)間不少于1 h。每隔25次凍融循環(huán)測(cè)量試件質(zhì)量及橫向基頻，由橫向基頻計(jì)算相對(duì)動(dòng)彈性模量。當(dāng)試件質(zhì)量損失率達(dá)5%或者相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到60%以下時(shí)，停止試驗(yàn)。各組試件質(zhì)量損失率較小，均未達(dá)到1.7%；相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化值見表4、關(guān)系曲線見圖4。

表3　相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融次數(shù)變化

圖4　不同含氣量混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化Fig.4　Dynamic elastic modulus versus freeze-thaw cycles for different air content

含氣量為2.4%的混凝土抗凍性最差，凍融循環(huán)175次后相對(duì)動(dòng)彈性模量降低至59.2%。其余3種含氣量的混凝土均能經(jīng)受200次凍融循環(huán)，但抗凍效果有區(qū)別。含氣量為4.3%時(shí)，混凝土抗凍性最好，200次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量為72.5%；當(dāng)含氣量增加到5.5%和7.8%時(shí)，200次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為65.6%和60.6%。說(shuō)明隨含氣量增加，C40引氣自密實(shí)混凝土抗凍性呈現(xiàn)先增強(qiáng)再變?nèi)醯内厔?shì)。

這是由于加入適量引氣劑時(shí)混凝土內(nèi)部形成均勻分布微氣泡，凍融時(shí)內(nèi)部流體壓力減小，提高了抗凍性；當(dāng)含氣量過高時(shí)，內(nèi)部孔隙相互聯(lián)通，容易在混凝土內(nèi)部形成裂縫，反而使抗凍能力減弱[7]。因此，當(dāng)C40自密實(shí)混凝土有抗凍性要求時(shí)，推薦拌合物最佳含氣量為4.3%～5.5%之間，相應(yīng)聚羧酸引氣減水劑摻量為0.5%～0.55%。

6　結(jié)　論

(1)采用固定砂石配比設(shè)計(jì)方法，摻加聚羧酸引氣減水劑，配制C40自密實(shí)混凝土，測(cè)試坍落度、坍落擴(kuò)展度、T50時(shí)間等工作性能參數(shù)，工作性能良好，達(dá)到二級(jí)自密實(shí)混凝土要求的標(biāo)準(zhǔn);

(2)采用含氣量測(cè)定儀測(cè)試不同聚羧酸引氣減水劑摻量的自密實(shí)混凝土拌合物的含氣量，并測(cè)試不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度。結(jié)果表明，含氣量的變化對(duì)早期強(qiáng)度影響較小，主要影響混凝土后期強(qiáng)度；當(dāng)含氣量從2.4%增加至4.3%、5.5%、7.8%時(shí)，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度下降4.6%、10.9%、17.9%;

(3)進(jìn)行不同含氣量C40自密實(shí)混凝土的快速凍融循環(huán)試驗(yàn)。隨著含氣量增加，C40自密實(shí)混凝土抗凍性呈現(xiàn)先增強(qiáng)再變?nèi)醯内厔?shì)。含氣量為4.3%時(shí)，抗凍性最好，200次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量為72.5%。

[1]李書進(jìn)，錢紅萍，徐錚澄.纖維自密實(shí)混凝土早期收縮及阻裂特性研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2014，33(12)：3140-3144.

[2]胡江.不同摻合料及含氣量對(duì)寒區(qū)混凝土耐久性的影響研究[D].重慶:重慶大學(xué)學(xué)位論文，2009.

[3]中國(guó)建筑科學(xué)研究院，JGJ55-2011.普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[4]黃維蓉，楊德斌，周建廷.摻合料及引氣劑對(duì)混凝土性能的影響研究[J].混凝土，2010,(9)：80-82.

[5]楊錢榮，黃士元.引氣混凝土的特性研究[J].混凝土，2008,(5)：3-7.

[6]王慶石，王起才，張凱，等.不同含氣量混凝土的孔結(jié)構(gòu)及抗凍性分析[J].硅酸鹽通報(bào)，2015，34(01)：30-35.

[7]周世華，楊華全，董維佳，等.引氣劑對(duì)混凝土性能的影響研究[J].混凝土，2008，11：56-57+76.

Properties of Air-entraining C40 Self-compacting Concrete

HOU Jing-peng,LI Zi-shun,SHI Wei,WANG Quan

(School of Civil Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

The C40 self compacting concrete was prepared by fixed sand-stone method.The air content,workability,compressive strength at different ages,and frost resistance of the self-compacting concrete were studied with different content of air-leading water-reducing agent.Results show that when the air-leading water-reducing agent content is 0.5% of binder material,the air content of fresh concrete is 4.3% ,and the workability meets level 2 standard of self compacting concrete,and the 28 d compressive strength reaches 56.8 MPa,and the relative dynamic elastic modulus drops to 72.5% after 200 freeze-thaw cycles. Comparing to 0.4%,0.55%,0.65% content of air-leading water-reducing agent,for self compacting concrete with 0.5% air-leading water-reducing agent,the compressive strength decreased less,and frost resistance significantly enhanced. The research provides bases and

for the application of self compacting concrete with air-leading water-reducing agent.

air-leading water-reducing agent;self compacting concrete;air content;compressive strength;frost resistance

吉林省自然科學(xué)基金(20130101049JC)；吉林市科技支撐計(jì)劃(2013324004)

侯景鵬(1973-)，男，博士，教授.主要從事高性能混凝土與耐久性方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)02-0428-04