凍融循環(huán)試驗下引氣劑在混凝土橋梁中的耐久性研究

牛遠(yuǎn)清

(廣東惠清高速公路有限公司，廣東 廣州 510960)

混凝土在攪拌過程中引入的氣泡較多，導(dǎo)致已完成硬化處理后的混凝土中仍然存在一定量的氣泡，其實際含量、理化特征等都會對混凝土的使用性能造成很大的影響。實驗室成功配制的低空氣含量混凝土在實際的施工過程中，往往難以滿足工程建設(shè)的各項要求，在不同產(chǎn)地、使用不同原材料等情況下生產(chǎn)的混凝土，即使配合比保持一致，其實際應(yīng)用效果也會表現(xiàn)出較大的差異。由于不同混凝土具有各異的產(chǎn)地來源、原材料、配合比，因此通常需要在攪拌過程中投入相應(yīng)的添加劑，致使氣泡的產(chǎn)生。當(dāng)前混凝土性能的影響因素研究仍處于持續(xù)發(fā)展階段，未對引氣劑的影響進(jìn)行深入探討，故為了更好地控制混凝土的性能，有必要對其進(jìn)行研究。

1 混凝土橋梁耐久性試驗材料及方法

1.1 試驗原材料

試驗水泥應(yīng)滿足下列要求：第一，水泥的強(qiáng)度、硬度等相關(guān)指標(biāo)需與《通用硅酸鹽水泥》中的額定標(biāo)準(zhǔn)相一致；第二，水泥在水化反應(yīng)過程中產(chǎn)熱不宜過高，避免混凝土過度熱脹冷縮，產(chǎn)生裂縫；第三，試驗主要是測試混凝土的抗凍性能，若條件允許的情況下，可以采用抗凍性能更好的普通硅酸鹽水泥。本試驗使用冀東水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。

在混凝土內(nèi)加入引氣劑能夠?qū)ζ涑矶群鸵仔援a(chǎn)生一定影響，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許的前提條件下，通過添加一定量引氣劑的方式可提升混凝土的各項性能，包括其抗凍性、耐久性、抗鹽抗腐蝕性等，其常常被用于橋梁混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中。引氣劑在混凝土中的作用為界面活性作用、起泡作用和穩(wěn)泡作用，在混凝土攪拌時，引氣劑分子吸附在各相界面上，在水泥-水界面上形成憎水基指向水泥顆粒，而在水-氣界面上形成憎水基指向水泥空氣，降低了整個體系的自由能、界面能、使小氣泡非常容易產(chǎn)生，順利進(jìn)入體系，其原理如圖1所示。

圖1 引氣劑原理

試驗中所采用的引氣劑為十二烷基苯磺酸鈉，它是一種難以揮發(fā)、易溶于水的物質(zhì)，呈白色或淡黃色，具有穩(wěn)定的硬水化學(xué)性質(zhì)，常用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。由于該物質(zhì)具有低廉的成本、較強(qiáng)的去污力與氣泡力、十分成熟的制備工藝，因此其應(yīng)用范圍愈加廣泛。在混凝土凍融循環(huán)試驗中，使用引氣劑后應(yīng)使混凝土的含氣量保持在1%～6%，這為相應(yīng)的試驗操作提供了一定的數(shù)據(jù)支撐。

1.2 混凝土配合比設(shè)計

混凝土的設(shè)計強(qiáng)度為C30，依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)規(guī)范要求，配置強(qiáng)度的計算公式：

,=,+1.645×

(1)

式中：,、,和分別表示混凝土配置強(qiáng)度、立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，MPa。按照C30設(shè)計強(qiáng)度，混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差取值范圍在C25與C45之間，為5.0 MPa。經(jīng)過計算得出橋梁混凝土配置強(qiáng)度,=38.225 MPa?；炷恋乃z比計算公式：

(2)

式中：、表示回歸系數(shù)，當(dāng)石子種類為碎石時，前者為0.53，后者為0.20；當(dāng)石子種類為卵石時，前者為0.49，后者為0.13；表示水泥28 d抗壓強(qiáng)度的實測值，如果無法進(jìn)行測量獲取，可以按照下式計算：

=,×

(3)

式中：,、分別表示水泥強(qiáng)度等級值和與其對應(yīng)的富余系數(shù)；實驗采用C30強(qiáng)度混凝土，對應(yīng)水泥的強(qiáng)度等級為42.5 MPa。因此，的值按照水泥強(qiáng)度等級富余系數(shù)取值規(guī)則取1.16，最終計算出=49.3 MPa，水膠比為0.58。本次試驗混凝土的坍落度值選取50～70 mm，細(xì)集料為中砂，卵石最大粒徑為40 mm，按理論計算用水量0的值為170 kg/m。隨著減水劑的加入，理論用水量也會隨之降低，實際用水量應(yīng)當(dāng)減去外加劑的減水量，按照25%的減水率標(biāo)準(zhǔn)，實際用水量為128 kg/m，水泥用量0為220 kg/m。按照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)標(biāo)準(zhǔn)選取凍融地區(qū)混凝土的砂率為32%，用質(zhì)量法計算粗骨料和細(xì)骨料的用量，計算公式：

(4)

0+0+0+0+0=

(5)

式中：0、0和分別表示配合比混凝土的粗骨料用量、細(xì)骨料用量和拌合物的假定量，kg/m；其中取值2 400 kg/m。

1.3 橋梁混凝土試驗方法

凍融循環(huán)的速度分為快、慢2種循環(huán)方式；而快速凍融試驗機(jī)是專門為混凝土抗凍性能測試而設(shè)計的。通過控制防凍液的溫度來實現(xiàn)混凝土的外部環(huán)境凍融溫度變化。在此過程中，試驗機(jī)自動記錄混凝土芯和防凍液的溫度，通過溫度傳感器反饋的數(shù)據(jù)對防凍液溫度進(jìn)行實時調(diào)整，以滿足試驗要求。用動彈性儀測定了混凝土的動彈性模量，動彈性模量是衡量材料各項性能的一個重要參數(shù)，一定程度上反映了材料的力學(xué)性能。狹義上來說，它代表了材料分子間化學(xué)鍵的強(qiáng)度；廣義上講，它反映了材料對彈性變形的抗力。用共振法測定了材料的動彈性模量，將動彈性儀的輸出頻率施加在試件上，使其受力振動，并測量其橫向基頻，動彈性模量可通過公式計算?；炷羶鋈谠囼灆C(jī)內(nèi)部示意圖如圖2所示。

圖2 混凝土凍融試驗機(jī)內(nèi)部示意圖

制作橋梁混凝土試件，避免后續(xù)試驗中滲水對試件的影響，需要加入憎水性脫模劑，制作出長100 mm、寬100 mm和高400 mm的混凝土試件。對試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，要強(qiáng)調(diào)的是，需要提前4 d從養(yǎng)護(hù)箱里取出，用溫度20.2 ℃的恒溫水浸泡。浸泡時試件應(yīng)當(dāng)完全被淹沒，液面高出試件表面至少2 cm，浸泡4 d，最終完成混凝土28 d試件的制作。在凍融試驗過程中，應(yīng)注意以下幾點：第一，凍融循環(huán)的時間需要控制在2～4 h，融化時間應(yīng)大于或等于整個凍融時間的25%；其次，試件的內(nèi)部溫度需要始終保持在-18～5 ℃，誤差不超過2 ℃。除此之外，不管是在凍融試驗的哪個階段，試樣在-16～3 ℃的時間不應(yīng)少于相應(yīng)工序的一半，且試樣內(nèi)外溫差不應(yīng)超過28 ℃；最后，凍融間隔不得超過10 min。凍融試驗中用于測量試樣質(zhì)量的設(shè)備最大量程為20 kg，靈敏度為5 g，單個試件的質(zhì)量損失與相對動彈模量計算公式：

(6)

(7)

式中：、和分別表示第次凍融循環(huán)后的第個試件的質(zhì)量損失率、第個試件的初始質(zhì)量與第次凍融循環(huán)后第個試件的質(zhì)量；、、分別表示第次凍融循環(huán)后第試件的相對彈性模量(%)、橫向基頻(Hz)與試件的初始橫向基頻(Hz)。一組試件在第次凍融后的平均質(zhì)量損失率與相對動彈模量的計算公式：

(8)

(9)

式中：表示第次凍融循環(huán)后一組試件的平均質(zhì)量損失率。在式(8)中，3次試驗結(jié)果，如有任意結(jié)果值小于0，那么該結(jié)果記為0；若3個值中，中間值與兩邊值的差值有任意一邊超過1%，用兩邊值平均值取代中間值；若3個值中間值與兩邊值之差都超過1%，那么選取中間值作為測定值。在式(9)中，測定值的判定差值為15%，那么判定規(guī)則與前者相同。

2 凍融作用下橋梁結(jié)構(gòu)混凝土耐久性試驗結(jié)果分析

2.1 凍融過程中混凝土抗壓強(qiáng)度變化

試驗采用SJD-60混凝土攪拌機(jī)與TOR凍融實驗箱，含氣量測定儀采用日本LC-615A測定儀，混凝土的養(yǎng)護(hù)采用天津市津科試驗儀器有限公司生產(chǎn)的YH-90B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫養(yǎng)護(hù)箱。測出混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度以及在氣凍、干-濕凍融循環(huán)和飽和凍融3種受凍條件下經(jīng)過凍融循環(huán)的抗壓強(qiáng)度，循環(huán)次數(shù)為125次，測定周期為25次一測，試驗結(jié)果如圖3所示。

(a)不同受凍條件下凍融循環(huán)后強(qiáng)度的變化

由圖3(a)可以看出，3種凍融條件下，在凍融循環(huán)次數(shù)遞增的過程中，混凝土抗壓強(qiáng)度反而均持續(xù)走低，但下降幅度存在一定的差異。氣凍條件下的抗壓強(qiáng)度下降幅度最小，在三者中趨于較為平穩(wěn)的狀態(tài)；飽和凍融條件下的下降幅度居中，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到75次以上時表現(xiàn)出較為明顯的下降；干-濕凍融條件下抗壓強(qiáng)度的走勢基本與飽和凍融保持一致，但其下降幅度更大。結(jié)合圖3(b)分析，其中經(jīng)過干-濕凍融的混凝土抗壓強(qiáng)度下降幅度最大，經(jīng)過125次循環(huán)試驗，抗壓強(qiáng)度由28 d的48.9 MPa降低到24.3 MPa，整體降低了50.3%。其次我飽和凍融實驗組經(jīng)過125次循環(huán)凍融，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯降低，從初始48.9MPa降低到31.8MPa，整體降低了35.0%。氣凍組變化幅度最小，從48.9MPa降低到47.1MPa，下降幅度僅為3.7%?？梢哉f明的是，干-濕凍融對橋梁混凝土的損傷最大，除此之外，混凝土的抗壓強(qiáng)度不僅與凍融條件有關(guān)，與凍融循環(huán)次數(shù)也存在密不可分的關(guān)系；在75次凍融循環(huán)之前，混凝土的抗壓強(qiáng)度下降幅度相對較小，當(dāng)超過75次之后，開始出現(xiàn)大幅下降的趨勢，尤其是干-濕凍融循環(huán)組，明顯大于其他兩組。究其原因，由于混凝土是一種多孔材料，在干-濕凍融條件下產(chǎn)生膨脹與收縮，干燥時失水收縮，浸泡時吸水膨脹，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而對內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成了一定破壞。在氣凍環(huán)境下，試件中沒有多余的自由水，對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)不成威脅；而飽和凍融由于內(nèi)部自由水飽和填充，收縮與膨脹程度要低于干-濕凍融試件。

2.2 引氣劑摻量混凝土抗凍性能的影響

混凝土中加入引氣劑會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，除了對混凝體的抗凍性能有一定影響之外，對抗壓強(qiáng)度也會有一定影響。一般來說，混凝土當(dāng)中適當(dāng)?shù)暮瑲饬磕軌蛟谝欢ǔ潭壬咸岣吖こ袒炷恋哪途眯院凸ぷ餍?。測試并分析凍融環(huán)境下，向橋梁混凝土中投入不同含量的引氣劑時，其含氣量、抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量產(chǎn)生的變化情況，旨在挖掘出引氣劑對混凝土抗凍性能的影響。不同引氣劑摻量下混凝土28 d性能影響結(jié)果如圖4所示，其中A、B、C組的引氣劑摻量分別為0.010%、0.025%和0.040%。

(a)引氣劑摻量對混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響

從圖4(a)可以看出，混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度隨著含氣量的增加而降低。通過計算得知，在坍落度不變的前提下，混凝土中含氣量增加1%，抗壓強(qiáng)度下降2%～3%；若水灰比固定，甚至?xí)霈F(xiàn)6%以上的降低。從圖4(b)可以看出，在凍融循環(huán)試驗中，A組抗壓強(qiáng)度首先出現(xiàn)了小幅度的增加，然后出現(xiàn)降低的趨勢，變化幅度較大，損失較為明顯。而B、C組總體來說雖都是平穩(wěn)下降，但是與初始狀態(tài)相比較，變化不大；C組3次之前變化幅度不是很明顯，之后下降幅度大幅增加，究其原因是由于含氣量過大，混凝土內(nèi)部氣泡過多，孔隙率增大，削減了孔隙之間混凝土層的厚度，起反向作用所致。從圖4(c)質(zhì)量損失情況來看，3個組的質(zhì)量損失率均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而降低，其中A、C組的變化趨勢較為穩(wěn)定，B組變化率最低。

3 結(jié)語

混凝土抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，但降低程度不同。通過實驗得知，干-濕凍融后混凝土抗壓強(qiáng)度下降幅度最大。125次循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度由28 d的48.9 MPa下降到24.3 MPa，總體下降50.3%；其次，經(jīng)過125次凍融循環(huán)后，飽和凍融試驗組的抗壓強(qiáng)度明顯下降，由最初的48.9 MPa下降到31.8 MPa，總體下降35.0%。氣凝膠組變化幅度最小，從48.9 MPa到47.1 MPa，下降幅度僅為3.7%，說明干濕凍融對橋梁混凝土的破壞最大。而隨著引氣劑摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，同時混凝土的某些性能得到改善，混凝土的抗凍融性能得到提高。一般情況下，當(dāng)含氣量增加1%時，混凝土的抗壓強(qiáng)度將降低5%～7%。這顯示出混凝土的含氣量不能無限制地增加，若過度增加含氣量，會在一定程度上導(dǎo)致混凝土的抗凍性與耐久性降低。