引氣劑對水工混凝土性能影響的試驗研究

陳 仁 峰， 唐 善 安， 肖 延 亮

(1. 四川省能投攀枝花水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610071；2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

水電是清潔的可再生能源，水電開發(fā)是我國西部大開發(fā)的重點之一。為了提高可再生能源在能源結構中的比例，降低因燃煤引起的大氣污染，改善我國的大氣環(huán)境質量，未來10多年我國仍將繼續(xù)推進水電工程建設。然而，海拔低、開發(fā)條件好的水電項目已經陸續(xù)建成或正在建設，未來水電工程建設的重點將向高海拔、高寒地區(qū)轉移。這些地區(qū)日溫差變化大，初步估計每年經歷的凍融循環(huán)次數可達150次以上，勢必使混凝土遭受極為嚴重的凍融破壞；其次，這些地區(qū)的日最低氣溫長期在0 ℃以下，極端氣溫在-35 ℃以下，極度的低溫會增加混凝土的凍融深度，加劇凍融破壞的程度[1]。長科院對西藏的調查資料顯示[2]：拉薩地區(qū)獻多水電站的引水渠、邊坡混凝土受凍融剝蝕嚴重，部分混凝土完全崩潰，陽面渠道襯砌混凝土的破壞明顯比陰面嚴重。藏北查龍水電站的溢洪道、泄洪放空洞的過水部位混凝土破損較為嚴重，隧洞出口處泄槽左側邊墻的凍融破壞嚴重。日喀則地區(qū)杰的龍水電站與水接觸部位、水位線以上2 m范圍內出現明顯的表面混凝土剝落現象。因此，高寒、高海拔地區(qū)的水電工程開發(fā)尤須重視混凝土的抗凍耐久性問題。

為了提高混凝土的抗凍耐久性，摻引氣劑是我國水工混凝土普遍采用的方法。而氣泡參數對硬化混凝土抗凍融耐久性起著至關重要的作用[3]。表征硬化混凝土氣泡體系特征的參數主要有：含氣量、氣泡平均半徑和氣泡間距系數。研究表明[4]：氣泡間距系數對混凝土抗凍性影響很大，氣泡間距系數越小，混凝土抗凍性越好。PowersT.C.Powers[5]在20世紀30年代提出的靜水壓理論成功地解釋了引氣劑改善混凝土抗凍性的原因，并提出有抗凍要求的混凝土其氣泡間距系數不應超過250 μm，即氣泡間距準則。但后續(xù)的研究表明：250 μm的臨界氣泡間距系數不盡合理。筆者以國內3種常見的引氣劑為介質，對摻引氣劑的混凝土進行了性能對比試驗，并分析了氣泡參數對混凝土性能的影響情況。

1 試驗原材料

試驗采用符合國家標準GB200-2003 《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥》的P.MH42.5水泥；粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰；細骨料為天然骨料，粗骨料為人工碎石與天然骨料的混合料；符合GB8076-1997《混凝土外加劑》技術要求的萘系高效緩凝減水劑、引氣劑。

2 試驗配合比

試驗水膠比采用0.5，粉煤灰摻量為30%，含氣量控制在5%左右，研究當混凝土含氣量相當時引氣劑品種(氣泡參數)對混凝土抗凍性能的影響。試驗采用的配合比見表1。

3 試驗結果

3.1 氣泡參數試驗結果

通過摻加引氣劑在混凝土中引入一定比例的氣泡，已成為確保混凝土抗凍性的重要手段。為此，在確保新拌混凝土的含氣量外，部分國家已將硬化混凝土的氣泡參數指標(如含氣量、氣泡間距系數和氣泡平均直徑等)列入了規(guī)范。

表1 不同引氣劑對混凝土耐久性影響配合比表

本次硬化混凝土氣泡參數試驗采用的RapidAir型硬化混凝土氣孔結構分析儀是由Concrete Experts International公司研發(fā)的、以人工顯微鏡直線導線法為基礎、融合高倍攝像頭自動掃描系統(tǒng)與圖像分析軟件二合一的全自動儀。基于RapidAir測試技術，測試不同配合比混凝土的氣泡參數，分析混凝土的氣孔結構。使用不同引氣劑的硬化混凝土氣泡參數測試試驗結果見表2。

表2 使用不同引氣劑的硬化混凝土氣泡參數測試結果表

從表2中的結果可知：使用3種引氣劑混凝土硬化后的含氣量從低到高依次為：E1

3.2 氣泡參數對混凝土強度的影響

抗壓強度是混凝土最重要的力學參數之一，這是因為任何混凝土構筑物都是用來承受荷載或抵抗各種作用力的。混凝土內部孔隙體積率越低，混凝土越密實，其抗壓強度越高。使用不同引氣劑對混凝土力學性能影響的試驗結果見表3。

表3 不同引氣劑對混凝土力學性能試驗影響結果表

從表3的試驗結果可知：采用E1引氣劑的混凝土硬化后含氣量最低，其抗壓強度亦最高；另外，E2引氣劑混凝土硬化后含氣量比采用E3引氣劑混凝土高0.5%，但采用E2引氣劑混凝土的180 d抗壓強度比采用E3引氣劑混凝土僅低1 MPa(3.2%)。硬化混凝土氣泡平均半徑的增大，導致混凝土后期抗壓強度顯著下降。氣泡平均半徑越小，說明硬化混凝土中有害孔越少，無害孔越多，進而細化了混凝土內部的氣孔結構，提高了混凝土的強度。，由于E2引氣劑混凝土硬化氣泡平均半徑比E3引氣劑混凝土低40%，雖然E2引氣劑混凝土含氣量絕對值比E3高0.5%(相對值為12%)，但E2引氣劑混凝土的強度比E3引氣劑混凝土降低幅度不大。

3.3 氣泡參數對抗凍性能的影響

凍融對混凝土的破壞是在水轉變成冰時體積膨脹造成的靜水壓力和冰水蒸氣壓力差別所造成的滲透壓力共同作用的結果。 混凝土的抗凍融性取決于滲透性、漿體水飽和程度、可凍結水的數量、冰凍的速率以及漿體中任何一點到達冰點時能安全地形成自由表面間的平均最大距離。不同類型的引氣劑對水工混凝土抗凍耐久性研究試驗成果見表4及圖1。

表4 不同引氣劑混凝土抗凍性能試驗結果表

由試驗結果可知：雖然E1引氣劑混凝土硬化后的含氣量最低(3.36%)，但其混凝土的抗凍耐久性與硬化后含氣量4.62%的E2引氣劑混凝土大致相當，且抗凍性略優(yōu)于采用E3引氣劑的混凝土。其主要原因是由于E1引氣劑混凝土的氣泡間隔系數與E2引氣劑混凝土大致相當，比E3引氣劑混凝土的間隔系數低0.042 mm(23%)；且E1引氣劑混凝土的硬化氣泡平均半徑最小，比E2引氣劑混凝土硬化氣泡平均直徑低7 μm(8%)，比E3引氣劑混凝土硬化氣泡平均直徑低66 μm(44%)，說明雖然E1引氣劑混凝土硬化后的含氣量最低，但其混凝土內的氣泡平均半徑最小，氣泡間距系數更小，單位體積內的氣泡個數大幅度增加。研究表明：混凝土內的微小氣泡對混凝土的抗凍性能更有利，而大氣泡混凝土對混凝土抗凍性能的提高作用更小。

圖1 不同引氣劑混凝土相當動彈模試驗結果

4 結 語

(1)硬化混凝土的含氣量對混凝土的抗壓強度有一定影響。對于采用不同引氣劑的混凝土，其氣泡的平均半徑對混凝土抗壓強度的影響最大，混凝土抗壓強度隨氣泡平均半徑的增大而降低。

(2)氣泡間距系數、氣泡平均半徑對引氣劑混凝土抗凍性的影響較大。當引氣劑混凝土氣泡間距系數更小、氣泡平均半徑更小時，較低的硬化含氣量亦可獲得較優(yōu)的抗凍性能。

參考文獻：

[1] 李金玉, 曹建國. 水工混凝土耐久性研究與應用[M].北京：中國電力出版社, 2004.

[2] 李家正，石 妍，王迎春. 西藏地區(qū)水利水電工程混凝土建筑物破壞形式與對策分析[D].第一屆西藏水資源利用暨水利水電技術學術會議交流論文集，西藏林芝，2014，8.

[3] 楊華全，李文偉.水工混凝土研究與應用[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

[4] ATTIONBE E K. Mean spacing of air void in hardened concrete [J].ACI Materials Journal，1993，90(2)：174-181.

[5] NEVILLE A M. Properties of concrete[M].London：Pitman Publishing Ltd.，1995.