不同含气量对水工混凝土性能的影响研究

文摘 2024-10-08 07:04 河南

0　引　言

含气量是指按照规定方法测定的新拌混凝土单位体积含气量，这也是组成拌和物的重要部分，引入适量密闭微小气泡可以明显提高混凝土的抗冻能力。混凝土中的气含量主要来自拌和物搅拌时带入的空气，不添加引气剂时的气含量一般在1% ～2%，这些气泡的形状不规则，且非均匀地分布于混凝土内部。在振捣和运输过程中，气泡很容易产生聚集并逸出，导致内部的气泡难以稳定，这也使得混凝土很难满足抗冻性要求。为了引入稳定的微小气泡并提高混凝土抗冻性，工程界往往会加入一定量的引气剂，但搅拌方式、拌和时间、粉煤灰掺量、材料性质的稳定性、引气剂和减水剂适用性等因素对含气量变化有显著影响。为明确混凝土含气量变化规律及其影响因素，中国诸多学者进行了大量研究，如张晏清等发现含气量随粉料用量的增加而下降，一定坍落度可以维持较高含气量和稳定气泡，引气剂与减水剂的使用会改变气泡结构并降低含气量。

李兴翠等研究表明，引气剂用量相同情况下，水泥品种不同形成的拌和物含气量存在一定差异，含气量随砂率、水灰比的增加而增大，但与粉煤灰掺量成反比。

王应斌等认为延长静置时间、增加搅拌机充盈率会使含气量下降，而延长搅拌时间会增加含气量，拌和物含气量随振动时间的延长呈先增加后减少的变化特征。这些学者系统地研究了导致含气量改变的因素及其变化规律，并提出其现行技术难点，对配合比优化设计及质量控制具有一定指导作用。

因此，添加引气剂是一种常见的稳定和增加含气量的方法，但其作用效果会受到许多因素的限制和影响，从而使得含气量具有较大波动性。对于每一种配合比而言，掺入的引气剂量过多会明显增大气泡孔径，对混凝土的抗冻性和强度造成影响，这就需要控制气含量合理范围，从而保证强度损失不至于过高，又具有优异的抗冻性能。

文章通过快速冻融、气孔分析及压汞试验，探究了水工混凝土抗冻性、强度与不同含气量的孔结构之间的关系，以期为水工建筑物应用提供科学依据。

1　试验方案

1.1　原材料

原材料包含5种：

① 水泥：宾西虎鼎牌P·O42.5普硅水泥，初、终凝时间3h45min和6h15min，标准稠度31.7%，3d、28d抗压强度22.1MPa和47.4MPa；

②细骨料：松花江产细度模数2.65的中砂，级配良好，表观密度2620kg/m³，含泥量1.2%；

③粗骨料：玉泉产连续级配玄武岩碎石，粒径5～31.5mm，表观密度2780kg/m³，压碎指标7.1%；

④掺合料：呼兰三电厂产F类Ⅰ级粉煤灰和瓦房店产诚远S95级矿粉，粉煤灰的细度8.5%，需水量比84.7%，烧失量4.2%，矿粉流动度比97%，比表面积4885ｍ²／ｋｇ；⑤外加剂：咸阳SdＪ聚羧酸高效减水剂和粉状SJ-2型引气剂，拌和水用当地自来水。

1.2　配合比设计

根据《水工混凝土配合比设计规程》和前期试验数据，考虑引气剂掺量设计出4种配合比，试验配合比，见表1。

其中，S0为基准组，S1、S2、S3为掺0.4‰、0.6‰、0.9‰引气剂的试验组，各组水胶比统一为0.4。实际拌合过程中，控制拌合物坍落度≥22cm，扩展度≥50cm，具有良好的流动性和保水性，且拌和物各组分之间有一定的黏聚力，以防止出现离析或分层的现象。

1.3　测试方法

1）混凝土的含气量试验。采用LA-316型含气量测定仪，参照现行标准测试含气量。

2）混凝土的强度试验。根据ISO强度检测方法测试混凝土不同龄期的抗压强度，选用HJW-60型搅拌机（60Ｌ）进行拌和，将拌和物制成边长150mm的立方体试件，标养7d、14d和28d时测定其抗压强度。

3）混凝土的孔结构试验。本试验选用气孔分析和压汞两种方法来测定孔隙结构，其中气孔分析法是将标养28d后的试件（100mm×100mm×100mm）切割成厚度10～20mm的小试样，然后经过清洁、打磨、抛光、喷涂荧光剂等处理，将试样安装到Rapid Air457气孔结构分析仪的测试台上完成相应测试。压汞法是将标养28d后的净浆试样打磨干净，然后将其放入装有酒精的广口瓶内，烘干4～5后自然冷却，将试样密封放入膨胀计后再置于BELPORE系列全自动压汞仪完成相应的测试。

4）混凝土的抗冻性能试验。采用NJW-HDK-9型冻融试验机和快速冻融方法进行抗冻试验，根据相关规程将拌和物制成400mm×100mm×100mm的试件，先标养24d再移入水中养护4d，并使用dＴＷ18型动弹模量测定仪测试试样的初始数据，同时进行外观描述或拍照。然后启动冻融试验机，每冻融25次就测量一次质量损失及动弹模量，并检查外部损伤情况，测试后将试块上、下掉头重新放入试验机进入下一冻融循环，试验时可以结合实际情况向试盒内适时注入淡水，最终以相对动弹模量≥60%或质量损失率≤5%时的冻融次数作为抗冻等级。

2　结果与分析

2.1　含气量对抗压强度的影响

试验测定不同含气量下标养7d、14d、28d试样的强度，抗压强度试验值，见表2。

通过表1和表2数值结果显示，相同配合比条件下，引气剂用量越高则含气量越大，说明引气剂与混凝土含气量之间存在密切联系。由表1中数值可知，S1、S2、S3试验组的含气量相比于含气量1.0%的S0基准组分别增加1.4%、3.0%、4.8%；由表2中数值可知，其28d抗压强度相对于S0基准组分别降低1.9MPa、6.6MPa和13.5MPa，说明相同龄期时，含气量越大则强度越小，这是由于相同配合比，较高的含气量使得拌合物内形成的气泡就越多，这使得砂浆内部的孔隙率增加，从而减少了有效承载截面，宏观上表现为抗压强度下降。混凝土强度损失随气泡数量的增加也会更大，此外受力时气泡附近出现应力集中，这会进一步导致混凝土强度的损失。

22　含气量对孔结构的影响

1）净浆压汞试验分析。试验测定硬化后的净浆孔结构数据，净浆孔结构测试数据，见表3。

由表3可知，龄期相同条件下，净浆孔隙率、骨架密度、比表面积、总孔体积及总孔面积均随着引气剂掺量的增大而增加；含气量相同条件下，混凝土净浆的骨架密度、总孔体积随龄期的延长而减少，而总孔面积和比表面积则逐渐增加。此外，混凝土净浆孔径随含气量的增加而减小，这进一步表明引气剂的掺入，则会增加硬化后混凝土净浆的小孔数量，减少大孔数量。

2）孔结构分析。对28d龄期试样孔结构随含气量的变化特征进行分析，混凝土孔径和孔间距系数，见图1；混凝土含气量及孔径分布，见图2。

结果表明，混凝土标准养护28d时掺0.9‰引气剂试样与S0组相比，其孔径从0.0128减小到0.0096mm，孔间距系数由0.182mm下降到0.151mm，这表明混凝土孔径、孔间距系数均随着引气剂掺量的增加而减小，混凝土含气量及孔径分布也满足气泡间距指数≤0.25mm的准则。

在同一引气剂掺量条件下，以掺0.6‰引气剂的S2试验组为例，该组拌和物含气量为4.0%，而硬化后的28d含气量达到12.31%，硬化后明显比拌和时的含气量要高，这是由于在养护过程中的水分蒸发会导致含气量的增加。根据孔径划分标准，将孔径＜20nm、20～50nm、50～200mm、＞200nm的孔作为无害、少害、有害和多害孔。从图2可以看出，增大引气剂用量会使无害孔与少害孔数量大大增多，而有害孔和多害孔数量大大减少，说明引气剂可以促进稳定封闭气泡的形成。

2.3　含气量对抗冻性的影响

试验测定冻融循环过程中不同含气量水工混凝土的抗冻性能，冻融试验数据，见表4。

由表4可知，相对于含气量1.0%的S0基准组试样，含气量2.4%的S1试验组试样具有较好的抗冻性能，而含气量4.0%的S2试验组和5.8%的S3试验组的冻融次数均可以达到300次，其明显高于基准组的50次冻融，抗冻性能也明显优于基准组。

试验表明，增加混凝土含气量，可以明显增强其动弹模量保持率，相应的抗冻能力越强，这是由于硬化水泥砂浆中的孔隙水，受冻结冰引起体积膨胀，使未结冰的水迁移至周围气孔引起膨胀压力，该过程受到水分迁移流动阻力的作用。同一强度等级时，一定范围内的含气量越高则内部气泡间距系数越小，受冻时水分迁移的阻力越低，气孔就能发挥一定的卸压作用。所以，强度等级相同情况下，混凝土抗剥蚀和抗冻能力随一定范围含气量的增多而增强，尤其是冻融循环条件下具有明显的改善作用。

结合表2与表4中的数据，在合理范围内的含气量有利于增加抗冻能力，较低含气量改善抗冻性作用不显著，而过高含气量又会明显减少强度。结合试验测定的抗冻性及抗压强度数据，研究认为控制拌和物含气量处于4.0%～5.8%时，水工混凝土具有较好的抗冻能力。

3　结　论

文章通过对水工混凝土采取快速冻融、气孔分析及压汞试验分析，得出了水工混凝土不同含气量的孔结构、抗压强度及抗冻性之间的结论如下：

1）龄期相同条件下，净浆孔隙率、骨架密度、比表面积、总孔体积及总孔面积均随着引气剂掺量的增大而增加；含气量相同条件下，混净浆的骨架密度、总孔体积随龄期的延长而减少，而比表面积、总孔面积则逐渐增大。

2）水工混凝土的含气量越高则其抗压强度越低，这是因为含气量越大所形成的均匀球形气泡越多，使得内部孔隙率增加，减少了有效承载截面和强度，此外受力时气泡附近出现应力集中，这也会进一步导致强度损失。

3）增大引气剂掺量使得内部无害孔、少害孔数量大大增加，有害和多害孔数量大大减少，说明引气剂会形成稳定封闭气泡。含气量对于提高抗冻能力具有一个合理范围，含气量过低时的改善效果不明显，而过高时又会大幅度降低强度。根据本试验测定的相关数据，研究认为控制拌和物含气量处于4.0%～5.8%，水工混凝土具有较好的抗冻能力。

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