混凝土氣泡特征對混凝土抗凍性及強度的影響

彭永凱

(中鐵隧道集團有限公司工程試驗中心，河南洛陽 471009)

1 凍融破壞

處于凍—融循環交替環境中的混凝土因孔隙水結冰—融化反復作用而導致的破壞現象。在我國除了三北地區之外，在長江以北、黃河以南的華中、中南區域每年也有負溫天氣，混凝土建筑物均有可能出現凍融損傷破壞。

2 混凝土凍融破壞過程

1)混凝土孔隙水的冰點由于表面張力作用，其冰點溫度低于正常冰點，并且孔隙越小，其冰點越低?；炷潦軆觯淇紫端Y冰的順序是由外及內，由粗孔向細孔逐漸發展。冰首先在混凝土的受凍表面形成，把試件內部密封起來。

2)水結冰時體積膨脹達9%，由于結冰膨脹所造成的靜水壓迫使水分向內進入飽和度較小的區域。

靜水壓理論:毛細孔水因結冰膨脹，使過冷水發生遷移產生靜水壓力P:

式中:η——水的粘性系數;

S——水泥石毛細孔的含水率;

μR——水的結冰速度;

φ(L)——與氣孔大小、分布有關的函數;

K——水泥石滲透系數。

3)混凝土滲透性較小時，形成水壓梯度，對孔壁產生壓力。

4)隨著冷卻速度的加快、水飽和度的提高、氣孔間隔的增大以及滲透性和毛細孔尺寸的減小，水壓將會增高。

5)當靜水壓力超過混凝土的抗拉極限強度時孔壁就會破裂，混凝土受到損害。

6)當粗孔中的水結冰時，細孔中的水處于過冷狀態，過冷水的蒸氣壓比同溫度下冰的蒸氣壓高，將發生細孔隙水向粗孔隙中冰的界面滲透，產生滲透壓力。當滲透壓力超過混凝土的抗拉極限強度時孔壁就會破裂，混凝土受到損害。

滲透壓理論:當粗孔中的水結冰時，細孔中的水處于過冷狀態，過冷水的蒸氣壓比同溫度下冰的蒸氣壓高，將發生細孔隙水向粗孔隙中冰的界面滲透，產生滲透壓力ΔP:

式中:R——氣體常數(8．314 J/(mol·K));

T——體系絕對溫度，K;

V——水的摩爾體積，0．018 L/mol;

PW——細孔水的蒸氣壓，Pa;

Pi——粗孔內冰的蒸氣壓，Pa。

7)如果溫度回升，冰隨之融化，更多的水吸入裂縫中，之后發生凍結，這種反復出現的凍融交替具有累積的作用，使混凝土的裂縫擴張，表面剝落直到完全瓦解。

提高混凝土抗凍性，引氣起到十分重要的作用。大量微小氣泡起到容納孔隙水結冰產生的體積膨脹和過冷水遷移的作用，大大緩解由此引起的靜水壓力。由于毛細現象的存在，融解時氣泡中的水又被吸回裂縫中，有效的提高了抗反復凍融破壞能力。

配置高性能抗凍混凝土，關鍵技術之一是摻加優秀的、相容性好的外加劑，其中最常用的為引氣型減水劑。目前市面上部分減水劑生產廠家在生產減水劑過程中未采用先消泡后引氣的生產工藝，導致混凝土中引入了大量直徑大且不穩定的劣質氣泡，造成混凝土含氣量經時損失大，混凝土結構物表面氣孔較多，不能保證混凝土的抗凍性及抗鹽類結晶破壞性能。因此，重要結構用的高含氣量的高性能混凝土需要用減水劑和引氣劑雙摻的方式引氣。

一般研究認為，28 d硬化混凝土氣泡間距系數不大于300μm時，混凝土具有良好的抗凍性。目前混凝土氣泡間距系數的檢驗主要采用DL/T 5150-2001水工混凝土試驗規程中的直線導線法進行。

當混凝土中漿氣比P/A＞4．33時，氣泡間距系數:

其中，∑l為全導線所切割氣泡總長，cm;N為全導線所切割氣泡總個數;I為氣泡平均弦長。

當混凝土中漿氣比P/A＜4．33時:

其中，T為全導線總長;n1為每厘米導線切割的氣泡個數。

硬化混凝土中空氣含量:

由式(1)～式(3)可以看出，硬化混凝土氣泡間距系數主要由∑l，N兩指標計算得出。即氣泡平均弦長越小，氣泡數目越多，則氣泡間距系數越小。與硬化混凝土中空氣含量、新拌混凝土含氣量并無必然關系。

目前主要用的引氣劑成分有α-烯烴磺酸鈉(AOS)、十二烷基硫酸鈉(K12)和三萜皂苷(ST)等，一般認為混凝土的含氣量損失速率為AOS＜ST＜AS，混凝土的保坍性AS＜ST＜AOS。

對相同新拌混凝土含氣量(5．5±0．5)%(D2，D3凍融破壞環境要求混凝土含氣量不小于5．0%)，引氣劑品種對混凝土氣泡間距系數L影響巨大，優質引氣劑氣泡間距系數只有150μm，某些劣質引氣劑則達528μm，幾乎達到甚至不如未消泡的減水劑直接引氣的效果，并使混凝土強度下降。

對于同一品種的引氣劑，并不是新拌混凝土含氣量越大，其氣泡間距系數越小?；旧希S含氣量增大，氣泡間距系數L先減小后增大，含氣量過大，氣泡間距系數反而增大(含氣量越高，大量小氣泡因間距過近互相接觸形成大氣泡的概率越高)，對混凝土強度、抗凍性反而不利。對于優秀引氣劑，新拌混凝土含氣量達3．8% ～5．8%時抗凍性達到最佳含氣量。

三峽開發總公司試驗中心研究發現，經高頻振搗后，大壩結構和大壩外部硬化混凝土的含氣量只有2．3%左右，遠低于設計要求的4．5%～5．5%，但平均氣泡間距系數依然達到了300μm左右。

混凝土的強度主要受水泥強度、水膠比影響，并受骨料含泥量、外摻料活性、骨料級配、堅固性等影響。在這些因素均排除的情況下，用某BHF引氣劑，在不同水膠比含氣量與抗壓強度關系見表1。

表1 不同水膠比含氣量與抗壓強度關系

雖然受一些隨機因素影響，但大致可得出下列結論:

1)在一定的范圍內，強度隨含氣量的增大而增加。這主要是因為混凝土引氣后，水在拌合物中的懸浮狀態更加穩定，可以改善骨料泌水、離析等不良現象，進而改善了混凝土強度。

2)達到最佳含氣量后，強度隨含氣量的增大而減小，有研究認為每增加1%，28 d強度下降5%～6%。

3)越小的水膠比，強度受含氣量的影響越明顯;越大的水膠比，強度受含氣量影響越不明顯，應與大小水膠比的混凝土本身水化后孔隙較多有關。

上述試驗結果證明:適宜的含氣量、優質的引氣劑可以使混凝土的強度、抗凍性、和易性達到最佳。

3 結語

由于抗凍混凝土齡期為56 d(TB 10424-2010鐵路混凝土施工質量驗收標準)較長，且抗凍試驗周期也很長，一旦不合格重新選定損失巨大。因此，抗凍混凝土的減水劑、引氣劑的選擇尤其重要，一定要選擇含氣量低的減水劑，控制在2．5左右為佳，引氣劑應多組試件進行氣泡間距檢測，減小制件誤差。如此，則可高概率的配置出滿足抗凍要求的混凝土，取得十分顯著的時間、經濟效益。

［1］楊錢榮，張樹青，楊全兵．引氣劑對混凝土氣泡特征參數的影響［J］．統計大學學報(自然科學版)，2008，36(3):50-51．

［2］魏萬征．高速鐵路抗凍混凝土含氣量與強度的對立與統一技術研究［J］．鐵道建筑技術，2011(6):10-11．

［3］LianXiang Du，Kevin J．Follid Mechanisms of Air Entraiment in Concrete［J］．Cement and Concrete Research，2005(35):1463-1471．