混凝土中氣泡運(yùn)行規(guī)律及其防治措施

盧禹成 吳昊南 李繼蕓 姜怡林 李福海

(1.上海隧道工程有限公司 上海 200032；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 四川成都 610031)

1 引言

自然界的物質(zhì)分為氣、液、固三相，在日常生產(chǎn)生活中會(huì)存在兩種或兩種以上不同的相態(tài)混合物流動(dòng)狀態(tài)，其中最為常見的是氣液兩相流[1]。在氣液兩相流中，氣泡在其中充當(dāng)著重要的角色，研究氣泡首先應(yīng)該了解氣泡的形成、類型以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律[2]。

隨著近幾年經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的基建規(guī)模發(fā)展迅速，尤其是各種高層建筑結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、大型水利及交通工程等大規(guī)模的興建，這就對(duì)工程材料及質(zhì)量提出了更高的要求。在施工技術(shù)日益成熟的今天，許多建筑物不僅要保證工程質(zhì)量，還會(huì)注重外型的美觀和線條的多樣。因此，在工程中有大量的圓形、弧形混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。但圓形、弧形混凝土經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)混凝土質(zhì)量通病，其中包括在弧形段出現(xiàn)大量氣泡，這是因?yàn)闅馀轃o法順利排出并聚結(jié)在模板邊緣造成的，嚴(yán)重影響了混凝土的質(zhì)量[3]。

混凝土氣泡主要由各組成材料本身帶來的和攪拌過程中帶入的空氣兩部分組成[4]19。當(dāng)混凝土中含有少量微小氣泡時(shí)，能夠適當(dāng)提高混凝土的流動(dòng)性、抗凍性、抗?jié)B性等，但當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)存在大量較大氣泡時(shí)，會(huì)使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不密實(shí)，同時(shí)降低混凝土的耐腐蝕性，加速其碳化，導(dǎo)致鋼筋的有效保護(hù)層減少，最終影響混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和安全性[5]101－102。當(dāng)混凝土表面出現(xiàn)氣泡時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響混凝土外觀，造成蜂窩麻面。因此總結(jié)分析混凝土氣泡的結(jié)構(gòu)變化、運(yùn)行規(guī)律以及排出機(jī)理是非常必要的，以推動(dòng)混凝土的發(fā)展，提高工程的質(zhì)量。

2 氣泡的形成

液體中的氣泡是因?yàn)橐后w具有一定的表面張力，當(dāng)氣體通過孔口進(jìn)入液體之后就會(huì)形成一定體積的氣泡[6]。在不同情況下，氣泡形成的不同階段其生長、受力情況是不同的。

氣泡所受到的力可分為兩類，即向上的力(氣體沖力、浮力)、向下的力(表面張力、曳力、巴賽特力、氣泡慣性力)。氣泡在形成階段，根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理可分為3個(gè)連續(xù)的階段:表面張力控制階段、過渡階段、熱傳遞控制階段。在表面張力控制階段，氣泡的大小幾乎沒有增長，但后期氣泡增長率顯著增加。在過渡開始階段，氣泡增長率相對(duì)較高，但由于浮力較小，氣泡的體積仍然很小，但上升速度明顯加快。在這一階段氣泡的生長主要受氣泡與周圍液體的壓差控制。在傳熱控制階段的后期和隨后的傳熱控制階段，氣泡與周圍液體之間的傳熱對(duì)氣泡的生長起主導(dǎo)作用。同時(shí)，氣泡上升速度開始逐漸增大，上升效應(yīng)越來越重要。

混凝土中氣泡的形成與攪拌過程密切相關(guān)，攪拌過程不僅使液體產(chǎn)生渦流并吸入空氣，還使新拌混凝土中較大的氣泡被集料擠壓成小氣泡。此外，攪拌過程改變了新拌混凝土所受的壓力，使空氣在水中的溶解度不同，所以空氣被釋放或被吸收?；炷林袣馀莸男纬捎捎谛掳杌炷帘砻鏀嚢璁a(chǎn)生的旋渦活化能大于砂漿表面張力，砂漿表面發(fā)生不均勻變形，產(chǎn)生空隙，將空氣吸入新拌混凝土中形成氣泡。當(dāng)砂漿表面附近流體的動(dòng)能足以克服浮力時(shí)，形成的氣泡便深入到混凝土的內(nèi)部。

3 氣泡運(yùn)行規(guī)律

氣泡形成后隨著時(shí)間逐漸變大，當(dāng)它體積增大到一定程度，即孔口施加的向下阻力小于氣泡受到的向上浮力時(shí)，氣泡就會(huì)脫離孔口作上升運(yùn)動(dòng)[7]99－100。

在上升過程中，氣泡受到自身重力、粘性阻力和浮力等綜合作用，如圖1所示。根據(jù)Navier-Stokes方程對(duì)氣泡的受力進(jìn)行分析[8]62，氣泡向上運(yùn)動(dòng)的過程中其速度隨著所受浮力的增大而增大，隨所受摩擦力的增大而減小，其中摩擦力與粘滯力有關(guān)。在混凝土中，其粘滯力由混凝土的粘度和氣泡的運(yùn)行速度決定，氣泡的運(yùn)行速度與其自身大小和混凝土粘度有關(guān)，與自身體積成正相關(guān)，與混凝土粘度成負(fù)相關(guān)?；炷林械臍馀菔欠窨梢杂行У嘏懦鲇蓺馀莸纳仙俣群途嘁后w表面的距離決定。

圖1 氣泡在混凝土中受力[8]64

氣泡的運(yùn)動(dòng)包含縱向運(yùn)動(dòng)和橫向運(yùn)動(dòng)，在縱向運(yùn)動(dòng)中，其上升速度與氣體流量成正相關(guān)，與液相粘度成負(fù)相關(guān)。當(dāng)氣泡運(yùn)動(dòng)時(shí)，其上升軌跡并不是一條直線，而是在中軸線周圍搖擺上升。氣泡的上升軌跡與其大小和所受粘滯阻力有關(guān)，氣泡越小其上升軌跡越規(guī)律，呈“Z”字形或螺旋形，氣泡越大其上升軌跡越不規(guī)律，氣泡變形也越大。氣泡所受到的粘滯阻力越大，其運(yùn)動(dòng)軌跡越趨近于直線[9]。在上升過程中，大氣泡易分裂成小氣泡，但當(dāng)?shù)竭_(dá)自由液面時(shí)，小氣泡易合并成大氣泡而發(fā)生破裂。

4 混凝土中氣泡類型

4.1 空氣泡

空氣泡是混凝土固有的氣泡，產(chǎn)生這類氣泡的原因有以下幾個(gè)方面:(1)骨料級(jí)配不合理，當(dāng)粗骨料過多、大小不當(dāng)且砂率較小時(shí)，砂子不能很好地填充拌和過程中的孔隙，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不密實(shí)，最終形成自由孔隙，產(chǎn)生氣泡；(2)水泥細(xì)度與摻量、粉煤灰摻量等也會(huì)導(dǎo)致氣泡生成；(3)模板面積大、無接縫，這類模板不利于多余空氣和水分的排出，由此形成氣泡；(4)混凝土的攪拌，在攪拌過程中會(huì)帶入大量空氣，從而在混凝土中形成大氣泡，隨著不斷的攪拌，大氣泡減小或消除同時(shí)伴隨著新氣泡的生成；(5)使用粘性較大的油性脫模劑，此類脫模劑對(duì)氣泡有吸附作用，導(dǎo)致氣泡難以排出，形成混凝土表面氣泡。此類氣泡為“有害”氣泡，既不穩(wěn)定又不均勻，很容易由小聚大而逸出，影響混凝土的強(qiáng)度及質(zhì)量。

4.2 減水劑引入的氣泡

減水劑會(huì)引入一定量微細(xì)氣泡，這類氣泡粒徑較小，形狀不規(guī)則、大小不均勻、不穩(wěn)定。在相同的電性斥力作用下，這類氣泡使水泥顆粒分散，就像滾珠軸承一樣增加了水泥顆粒間的滑動(dòng)作用，從而可以起到一定的減水作用[10]1－4。此類氣泡為“有害”氣泡，又被稱為介穩(wěn)氣泡，容易在振搗和運(yùn)輸過程中，聚集成為大氣泡，并向外逸出形成混凝土表面氣泡，影響混凝土表觀質(zhì)量。

4.3 引氣劑引入的氣泡

引氣劑引入的氣泡是微小，均勻的，這些氣泡的尺寸均在20～200 μm之間，而且氣泡較為穩(wěn)定，氣泡表面的液膜也很牢固，能夠阻止氣泡聚集，使其不易破滅[11]59－61。此類氣泡為“無害”氣泡，與減水劑引入的氣泡在本質(zhì)上是不同的。

4.4 水泡

水泡是由于水泥顆粒在凝絮作用下所包裹的水在后期蒸發(fā)以后形成的水囊空腔所致，與水泥用量和水灰比有關(guān)。這類氣泡一般在水泥用量較少的低標(biāo)號(hào)混凝土中出現(xiàn)的幾率較大，但它在正常施工情況下是可以避免的[10]15。

5 振搗作用下混凝土中氣泡結(jié)構(gòu)變化

振搗主要是通過振動(dòng)脈沖液化砂漿、減小粗集料之間的內(nèi)摩擦力來為氣泡上升排出提供基本的環(huán)境條件[11]62－63。在振搗過程中，氣泡不斷上升并聚合成大體積的氣泡，促進(jìn)了氣泡的排出。氣泡在振搗過程中的變化分為3個(gè)階段[4]20－21:(1)第一階段通過振搗會(huì)排出大量不穩(wěn)定氣泡，此時(shí)大氣泡數(shù)量急劇減少，混凝土含氣量快速降低，此階段不穩(wěn)定氣泡會(huì)完全排出。(2)第二階段氣泡會(huì)吸收大量能量并產(chǎn)生位移，大部分介穩(wěn)氣泡相互聚合，生成新的不穩(wěn)定大氣泡，同時(shí)有小部分氣泡會(huì)上升排出混凝土。此時(shí)由于大氣泡數(shù)量的增加，阻礙了介穩(wěn)氣泡的聚合和排出，導(dǎo)致其速率下降。此階段由于介穩(wěn)氣泡的不斷聚合，大氣泡數(shù)量逐漸增加至峰值，且孔徑數(shù)量級(jí)較小并不穩(wěn)定的氣泡會(huì)再次上升排出。(3)第三階段隨著振搗時(shí)間的延長，大氣泡數(shù)量逐漸減少直至接近為零，但氣泡的孔徑也會(huì)越來越小。此階段新生成的大氣泡和介穩(wěn)氣泡都會(huì)減少。氣泡數(shù)量與振動(dòng)時(shí)間的關(guān)系如圖2所示[10]15。

圖2 振動(dòng)時(shí)間與氣泡數(shù)量關(guān)系

混凝土內(nèi)部氣泡的排出效果與振搗有關(guān)。振搗的好壞與分層振搗的高度、振搗有效半徑和振搗時(shí)間有關(guān)?；炷羶?nèi)部氣泡排出的難易程度隨著分層高度的增加而增大。振搗有效半徑是指振搗的作用范圍，其與振搗設(shè)備的性能、混凝土特性有關(guān)。振搗設(shè)備會(huì)存在一個(gè)最佳頻率使振搗有效半徑最大，也可通過增加振幅而擴(kuò)大振搗有效半徑。對(duì)于和易性較好的混凝土，振動(dòng)能衰減越小，有效半徑越大，和易性較差的混凝土則相反。振搗時(shí)間太長(超振)或太短(欠振)及漏振都會(huì)導(dǎo)致混凝土表面氣泡增多。超振會(huì)使混凝土中微小氣泡在振動(dòng)作用下破滅重組，體積由小變大；使混凝土中水泥漿上浮，石子下沉，出現(xiàn)分層離析、泌水的現(xiàn)象，易形成“松”頂。欠振和漏振都會(huì)使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不密實(shí)，從而出現(xiàn)空氣泡或混凝土自然空洞，使水和大量空氣難以排出。

6 混凝土中氣泡的排出機(jī)理及防治措施

6.1 氣泡的排出機(jī)理

氣泡是氣體分散在液相中的分散體系，氣泡的排出應(yīng)從“填充”和“排出”兩方面入手[12]11－12。

“填充”是指多余漿體對(duì)混凝土內(nèi)部及表面孔洞的填充，避免氣泡產(chǎn)生。

“排出”是促使已形成的氣泡不斷聚合破裂和向上排出，由于氣液兩相的密度之間存在差異，氣泡會(huì)因浮力作用而上浮。上升的氣泡表面液膜會(huì)在重力作用下產(chǎn)生壓力差，在上升過程中，膜的厚度不斷變薄，強(qiáng)度逐漸減弱，最終發(fā)生破裂，其主要通過減小阻力和增加推動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)[12]13。混凝土在生產(chǎn)、運(yùn)輸、成型、振搗等過程中所產(chǎn)生的重力、機(jī)械振動(dòng)力等有利于氣泡的排出和破裂。其中機(jī)械振動(dòng)力是可以人為控制的，合理控制振搗時(shí)間和振動(dòng)力能夠有效排出氣泡。

6.2 防治措施

6.2.1 消除氣泡的措施

混凝土是由密度不同的材料混合攪拌而成，這就決定了氣泡存在的必然性。為消除混凝土中的有害氣泡，應(yīng)增大氣泡在混凝土中的不穩(wěn)定性[5]117。消除已有氣泡的主要手段是增大氣泡半徑、減小氣泡薄膜厚度[13]。即:(1)增加氣泡半徑。氣泡上升的速度隨半徑的增大而增大。在上升過程中，氣泡的液膜會(huì)變薄，達(dá)到臨界厚度時(shí)氣泡破裂。(2)減小混凝土的粘度。由于不同材料的堆積和化學(xué)活性劑的相互作用，使混凝土具有一定的粘度?；炷恋恼扯葧?huì)阻礙氣泡向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也會(huì)抑制氣泡表面的化學(xué)活性劑分子擴(kuò)散，對(duì)氣泡的消除和排除是不利的?；炷琳扯鹊慕档停箽馀莸囊耗ぷ儽?，氣泡的破壞期和氣體擴(kuò)散松弛時(shí)間減小，加速氣泡的破裂。氣泡破裂過程如圖3所示。(3)增大混凝土表面張力。混凝土的表面張力增大會(huì)使氣泡膜的穩(wěn)定性和強(qiáng)度降低，有利于已有氣泡的消除，同時(shí)能夠抑制新氣泡的生成。

圖3 氣泡破裂過程

6.2.2 預(yù)防氣泡生成的措施

(1)合理選用混凝土材料

在制備混凝土?xí)r需選用級(jí)配良好的材料，嚴(yán)格控制粗骨料中針片狀顆粒的含量。優(yōu)先選取低堿、質(zhì)量穩(wěn)定的水泥和化學(xué)成分品質(zhì)優(yōu)良的外摻劑[7]118。選擇合適的配合比，在試驗(yàn)室設(shè)計(jì)多組試驗(yàn)，盡量減少用水量，各組之間相互比較，選出最佳配比，保證混凝土達(dá)到最佳性能。

(2)合理采用施工工藝

混凝土的運(yùn)輸和攪拌時(shí)間影響其氣泡的多少，所以必須保證混凝土的合理運(yùn)輸和攪拌時(shí)間，避免大量的氣泡引入。有試驗(yàn)[14]29表明，每一種混凝土都存在一個(gè)最佳攪拌時(shí)間點(diǎn)，在這一時(shí)間點(diǎn)混凝土的質(zhì)量最佳，如圖4所示。

圖4 攪拌過程[14]30

振搗時(shí)應(yīng)重視振搗的時(shí)間，選用合適的振搗設(shè)備，選取適宜的分層振搗高度和最佳振搗頻率，避免超振、欠振和漏振。使用振搗棒應(yīng)遵循“快插慢拔，上下抽拔，直上直下”的原則[15]。

模板應(yīng)保持平整光潔，以降低氣泡排出時(shí)模板周邊的阻力。當(dāng)使用異形模板時(shí)，需要在氣泡排出不通暢的部位，特別是模板變形及變徑處，增設(shè)排氣孔或氣流通道[11]63。

使用優(yōu)質(zhì)水性脫模劑，避免使用粘性較大的脫模劑，阻礙氣泡排出。

綜上所述，混凝土中氣泡的成因較為復(fù)雜，不能僅依靠一種方法來解決問題。需要結(jié)合實(shí)際情況，進(jìn)行具體分析，綜合考慮上述因素找到合適的方法解決混凝土中的氣泡問題。

7 結(jié)論

(1)氣泡是在自身重力、粘性阻力和浮力等綜合作用下作上升運(yùn)動(dòng)，在中軸線周圍搖擺上升，其運(yùn)行規(guī)律與自身形狀和所處液相的粘度有關(guān)。

(2)氣泡的類型多種多樣，混凝土中的氣泡有:空氣泡、減水劑引入的氣泡、引氣劑引入的氣泡、水泡。不同類型的氣泡對(duì)混凝土性能有著不同的作用。

(3)在振搗作用下混凝土內(nèi)部氣泡的結(jié)構(gòu)變化可分為三個(gè)階段:大氣泡數(shù)量降低到谷值、新生成的大氣泡數(shù)量增加到峰值、氣泡數(shù)量減小。振搗效果取決于分層振搗的高度、振搗有效半徑和振搗時(shí)間。

(4)在制備混凝土過程中應(yīng)選用合理的原材料和施工工藝來預(yù)防氣泡的生成；對(duì)于已有的氣泡則可采取以下手段消除:增加氣泡半徑、減小混凝土粘度、增大混凝土表面張力。

(5)控制振搗時(shí)間、保證模板光潔平整、在模板變形及變徑處開孔，使混凝土中氣泡更有效地排出。目前對(duì)于氣泡在混凝土中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究還不夠具體，今后可針對(duì)異形模板中的混凝土氣泡進(jìn)行深入研究，以提高現(xiàn)代復(fù)雜結(jié)構(gòu)中混凝土的質(zhì)量。