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(jiàn)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(guó)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(wú)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(lái)的和攪拌過(guò)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(guò)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(zhǎng)、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(guò)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(méi)有增長(zhǎng)，但后期氣泡增長(zhǎng)率顯著增加。在過(guò)渡開(kāi)始階段，氣泡增長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)起主導(dǎo)作用。同時(shí)，氣泡上升速度開(kāi)始逐漸增大，上升效應(yīng)越來(lái)越重要。

混凝土中氣泡的形成與攪拌過(guò)程密切相關(guān)，攪拌過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)振動(dòng)脈沖液化砂漿、減小粗集料之間的內(nèi)摩擦力來(lái)為氣泡上升排出提供基本的環(huán)境條件[11]62－63。在振搗過(guò)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(guò)程中的變化分為3個(gè)階段[4]20－21:(1)第一階段通過(guò)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(zhǎng)，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(lái)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)。混凝土內(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(guò)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(zhǎng)(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(guò)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(guò)減小阻力和增加推動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)[12]13。混凝土在生產(chǎn)、運(yùn)輸、成型、振搗等過(guò)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(guò)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。混凝土的粘度會(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(guò)程如圖3所示。(3)增大混凝土表面張力?；炷恋谋砻鎻埩υ龃髸?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(guò)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(guò)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(lái)解決問(wèn)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(wèn)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(guò)程中應(yīng)選用合理的原材料和施工工藝來(lái)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(kāi)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。