基于不同因素的水工混凝土含气量试验分析

文摘 2025-01-24 07:01 河南

含气量是指新拌混凝土中的气体所占的体积百分比，这些气体通常以气泡的形式存在，可以是在搅拌过程中引入的空气，也可以是通过使用引气剂人为引入的。气泡的引入可以明显改善混凝土抗冻性，实践表明因搅拌带入空气而产生的气泡含量通常为1%～2%之间，这些气泡呈不规则形状且分布不均匀。在施工过程中，振捣和运输会导致气泡逸出、聚集和变大，从而难以保证内部气泡的稳定性，也会影响混凝土的抗冻性能。因此，实际工程往往将一定量的引气剂掺入混凝土中，从而引入稳定微小气泡。研究表明，混凝土含气量变化受拌和时间、减水剂性质、原材料的相容性及稳定性等因素影响较明显，并且不同搅拌方式、引气剂与减水剂之间的适用性、粉煤灰掺量及其未燃尽颗的粒多少都严重影响着混凝土含气量。可见，引气剂的使用也会受到许多因素的影响，由此引入的含气量存在较大波动性。

为掌握混凝土含气量影响因素及其变化规律许多学者开展了广泛研究，如张晏清等发现含气量会随着粉料的增加而减少，一定的坍落度有利于保持较高含气量和稳定气泡，而掺入减水剂和引气剂会改变气泡结构，使含气量下降；吕丽华等研究发现引气量受粗骨料最大粒径、品种以及细骨料用量的影响显著；李兴翠等指出固定引气剂用量不变时，不同水泥品种引入的含气量有所差异，并且增加粉煤灰掺量会减小含气量，增大水灰比和砂率会提高含气量；张凯等认为气泡的孔径和间距系数越小，混凝土的含气量、孔隙比体积以及孔隙率越大，每增加1%含气量就会使强度下降5%～7%。综上分析，工程界比较关注混凝土含气量稳定性控制、含气量影响因素及其变化规律等技术难题。然而，现有研究较少考虑混凝土含气量受试验操作、搅拌工艺等试验条件的影响，极易导致含气量测试值存在较大误差。

鉴于此，文章以振动、搅拌、静置时间和搅拌机充盈率为变量，研究分析含气量受以上因素条件的影响规律。

1　试验方法

1.1　原材料

采用中国葛洲坝集团P·O42.5级水泥，其主要性能指标如表1所示。外加剂为复合型高效引气减水剂，减水率25%，固含量20%；拌和水用试验室自来水，集料为当地建材厂提供的河砂和5～10mm、10～20mm粒径碎石，其中砂的含泥量1.5%，表观密度2710kg/m³，细度模数3.0，孔隙率30.6%，碎石的性能参数如表2所示。

1.2　试验配合比

根据水工混凝土的使用环境条件、材料特性和抗冻性能要求，试验设计C30与C50强度等级。然后考虑水泥的种类、抗压强度和所选材料特性，参考《水工混凝土配合比设计规程》和经验值进行估算，初步确定配合比。采用初步确定的配合比进行试配试验，观察拌合物工作性，控制坍落度（210±10）mm，以验证配合比的可行性，并考虑试验数据，对初步配合比中的水灰比、骨料配比等参数进行修正，使得混凝土性能满足设计要求。经多次试验和修正后，确定最终的配合比如表3所示。

1.3　测试方法

试验采用单轴卧式搅拌机进行拌合物的搅拌，采用SANYO直读式精密含气量测定仪测试新拌混凝土含气量。该测定仪配有直读式刻度盘或数字显示屏，可以直接读取含气量数值，具备高精度的传感器和测量装置，能够准确地测量气孔体积，并且仪器操作简单，操作人员只需按照标准要求连接混凝土样品，并进行相应的操作和读数，即可完成含气量测量。

根据《普通混凝土拌合物性能试验方法》进行拌合物的制备、取样和测试，含气量测试流程如下：①根据测试要求，制备不同振动、搅拌、静置时间和搅拌机充盈率的混凝土试样，并保持试样的充实性和代表性，然后将所制备试样与SANYO直读式测定仪连接，确保连接的密封性与稳定性。②根据仪器操作指南，使用仪器上的控制装置逐步提高压力直到设定值（一般为0.7MPa），保持设定压力下的稳定状态，等待一段时间使混凝土中的气孔充分膨胀。

③根据仪器上的直读式刻度盘或数字显示屏，读取含气量数值，并记录下来，对测得的含气量数据进行分析，明确不同搅拌工艺对含气量的影响规律。其中，基准组试样的振动时间为20s，出锅静置时间6min，搅拌时间150s，搅拌机充盈率25%，采用机械搅拌和振动台振动的方式。

2　结果分析

2.1　充盈率对含气量的影响

搅拌机是拌和混凝土最常用的装置，试验过程中单次拌制成型，一般难以达到最优充盈率甚至不符合搅拌机要求的最低充盈率，拌合物含气量随搅拌机充盈率的变化规律如图1所示。

由图1可知，随搅拌机充盈率的增大拌合物含气量呈小幅下降趋势，充盈率达到25%以后，拌合物含气量受充盈率的影响较小，可以忽略不计，这是因为增大充盈率能够给增加充分的搅拌混凝土，促使浆体中不稳定气泡的快速逸出，这会在一定程度上降低拌合物的含气量。

2.2　搅拌时间对含气量的影响

在拌和过程中混凝土持续发生气体带入－失去的过程，拌合物含气量与搅拌时间密切相关，含气量随机械搅拌时间延长的变化趋势如图2所示。

由图2可知，随搅拌时间的延长混凝土含气量表现出先增大后减小的变化特征，其中搅拌120s与150s时的含气量相差不大，进一步延长搅拌时间至180s时快速增加。这是因为搅拌时间不足150s时，水与水泥混合不充分无法形成一定黏聚性的浆体；搅拌时间为150s时浆体具有一定黏聚性，拌合物处于均匀状态，随着搅拌的持续发生，浆体可以吸收并包裹更多的孔隙，使得含气量明显上升；随着搅拌的进一步发生，浆体内的部分空气有所逸出，因此搅拌时间为210s时有所下降。

2.3　静置时间的影响

在测定含气量之前，需要将拌合物静置一段时间使其达到稳定状态，然后才能使用仪器测定其含气量。然而，实际测试过程中很容易缩短或延长静置时间，因难以控制静置时间就会产生一定误差，拌合物含气量随静置时间的变化特征如图3所示。

由图3可知，随着静置时间的延长拌合物含气量呈先逐渐下降的趋势，静置时间达到12min时，进一步延长静置时间拌合物含气量并不会进一步减小。浮力是导致混凝土内部气泡向表面移动的主要原因，较轻的气泡受到浮力作用会逐渐向上浮动，随着时间的推移，逸出混凝土表面。当静置时间超过一定阈值（12min），大多数较大浮力的气泡已经逸出，此时残留在混凝土中的气泡大多为较小小的气泡，其在混凝土中相对稳定，不容易继续向表面移动。由于静置时间较长后较大浮力的气泡已经逸出，混凝土内部的气泡组成相对稳定，即使后续发生微小变化，也不会显著影响整体的含气量。

2.4　振动时间的影响

在进行混凝土含气量测定时，通常使用含气量筒对静置后的拌合物进行测试。为了使拌合物更加密实，通常在振动台上振动，以排除其中的气泡，确保测定结果更接近混凝土实际的含气量。随振动时间的延长装入含气量筒后的拌合物含气量变化特征如图4所示。

从图4可以看出，振动时间达到10s时，进一步延长振动时间拌合物含气量逐渐下降，这是因为振动对内部空气的逸出具有促进作用，使得含气量下降；振动时间达到20s时内部的气体逐渐趋于稳定，随着振动时间的继续增加拌合物含气量并未明显下降。另外，从5s增大振动时间到10s时，拌合物含气量表现出明显上升趋势，研究分析导致这种试验现象的原因如下：振动初期，由于振动时间不够长，拌合物处于松散状态时，气体无法顺着内部空隙逸出，反而会造成含气量的降低；振动时间为10s时，表层混凝土的快速密实反而会阻碍中间区域内部气体的逸出，导致含气量的测定结果有提高。

3　结　论

文章通过探讨了充盈率和振动、静置、搅拌时间各因素对含气量的影响规律，得出的结论有：

1）随搅拌机充盈率的增大拌合物含气量呈小幅下降趋势，充盈率达到25%以后含气量受充盈率的影响较小，可以忽略不计。随搅拌时间的延长混凝土含气量表现出先增大后减小的变化特征，搅拌180s时含气量达到最高，若进一步延长搅拌时间则引气效果减弱。

2）随着静置时间的延长拌合物含气量呈先逐渐下降的趋势，并且降低效果逐渐减弱，静置12min时含气量最低，进一步延长静置时间拌合物含气量并不会进一步减小。从5s增大振动时间到10s时含气量表现出明显上升趋势，振动时间超过10s则呈现出逐渐下降，这是因为振动对内部空气的逸出具有促进作用，使得含气量下降。

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