論嚴寒地區碾壓混凝土抗凍性分析

田雪竹

（新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，烏魯木齊 830000）

論嚴寒地區碾壓混凝土抗凍性分析

田雪竹

（新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，烏魯木齊 830000）

高效能引氣劑是碾壓混凝土解決抗凍性的首要選擇。文章結合新疆北部某碾壓混凝土重力壩混凝土抗凍性能的研究，針對不同引氣劑品種、原材料、配合比和施工工藝對混凝土含氣量的影響進行了系列試驗研究。在兼顧引氣效果和成本的前提下，確定了適用于高寒地區碾壓混凝土的引氣劑。探討比較了不同水泥混凝土混合料中所用的水與水泥重量的比值對混凝土中產生氣泡大小和距離的影響。施工技術人員為了提高混凝土單位體積中空氣的體積百分比，對施工工藝也提出了要求。文章所得結論可為高寒地區的修建碾壓混凝土建筑物提高抗凍性能提供參考。

碾壓混凝土；抗凍性；耐久性；引氣劑

0 引 言

新疆嚴寒地區某水利碾壓混凝土大壩，大壩下游面和壩基間的接觸地區多年來平均氣溫為零上2.7℃，常年來這一地區最低和最高溫度相差為-49.8℃，一年之中有半年氣溫≤5℃，有4個多月氣溫≤0℃，將近3個月的氣溫≤-10℃。根據這一地區的水文資料和氣象數據分析，在做大壩初步設計時就把混凝土的物理參數和不同部位的碾壓混凝土的抗凍性性能指標相結合。大壩內部碾壓混凝土的抗凍指標為 F50，大壩上游死水位680 m以下區域碾壓混凝土對應抗凍指標為 F100，大壩下游水位變化區域以上對應碾壓混凝土抗凍指標為 F200，大壩上游水位變化區域及對應碾壓混凝土抗凍指標為F300。而在拌和混凝土的時候引入氣體，形成微小穩定的氣泡將會提高和改善碾壓混凝土的抗凍性指標。但影響碾壓混凝土單位體積中空氣的體積百分比的大小因素較多，結合水庫大壩施工實際，通過對引氣劑種類、原材料選擇、水灰比試驗、投遞原料的次序研究、拌制混凝土的時間以及汽車運輸、攤鋪等影響混凝土單位體積中空氣的體積百分比的相關因素和對凍融性能的影響進行討論研究并展開相關試驗驗證［1］。

1 引氣劑對碾壓混凝土單位體積中空氣的體積百分比的影響

1.1 多樣引氣劑品種試驗分析

在混凝土中產生大量的微小封閉、均勻、互不連通、穩定性高的氣泡來用以抵抗凍融破壞，這就需要在拌制混凝土時加入氣泡結構好，氣泡半徑小，抗凍指標高的引氣劑，表1是此次試驗分析和比較。

表1 引氣劑效能分析

從表1可以看出：以上試驗得到的性能指標中起泡容量和表面張力變化較大，反映引氣劑對碾壓混凝土施工能產生明顯的作用。

1.2 引氣劑對碾壓混凝土單位體積中空氣的體積百分比造成損失的影響

摻用同等比例的引氣劑對碾壓混凝土單位體積中空氣的體積百分比的損失進行試驗，結果見表2。

表2 引氣劑品種與 F200碾壓混凝土經時含氣量損失結果

從表2可以看出：聚羧酸合成類引氣劑（TY—AE）引氣量最大，不同經時含氣量的損失最小；松香聚合類（NEA3）引氣量最小，不同經時含氣量的損失最大。三萜皂甙類（ZY—99H）非離子型引氣劑次之。兼顧引氣效果和成本的情況下，可選用NEA3。

1.3 適宜混凝土單位體積中空氣的體積百分比的參數

嚴寒地區的混凝土水工建筑物，普遍存在為預防和避免凍融所必需的最小氣泡體積。通常情況下，選擇和常態混凝土拌和物砂漿體積之比1∶10，并且和混凝土中水泥含量、骨料最大粒徑都毫無關系；當需要用整個拌和物的混凝土單位體積中空氣的體積百分比來表示時，所需混凝土單位體積中空氣的體積百分比大小跟骨料的最大粒徑變化成正比［2］。通過試驗研究及參照成熟經驗，確定了適用于本工程的各種混凝土適宜的混凝土單位體積中空氣的體積百分比物理參數，可以借鑒國家規范——《水工混凝土施工規范（SDJ207—82）》。

表3 不同級配及抗凍指標的碾壓混凝土適宜含氣量

運用的引氣劑氣泡微小、互不相連且穩定均勻，這樣會改善和提高嚴寒地區碾壓混凝土的抗凍性能。工程試驗研究得到，NEA3引氣劑氣泡體積較大，直徑數據在0.07～0.8 mm，相對氣泡體積較大，不穩定會造成揮發較快，對混凝土抗凍融相當不利；ZY—99H、TY—AE引氣劑氣泡直徑數據在 0.02～0.2 mm，氣泡體積合適，穩定不易揮發，對混凝土抗凍融相當有利。

引氣劑氣泡與氣泡之間的距離也是影響混凝土抗凍控制指標的關鍵所在。通常情況下，相同強度等級或物理參數的混凝土，引氣劑氣泡之間的距離與混凝土耐久性系數成反比。以上試驗結果表明：TY—AE引氣劑，當碾壓混凝土單位體積中空氣的體積百分比≥0.04時，引氣劑氣泡之間的距離≤0.2 mm，此時的混凝土的抗凍融耐久性打到優良狀態；ZY—99H引氣劑當碾壓混凝土單位體積中空氣的體積百分比 ≥5%，引氣劑氣泡之間距離＜0.3 mm，當碾壓混凝土單位體積中空氣的體積百分比 ＞6%，引氣劑氣泡之間距離 ＜0.2 mm，所以當碾壓混凝土處于任何一種狀態中，抗凍融耐久性都是優良狀態，其引氣劑氣泡之間的距離與混凝土單位體積中空氣的體積百分比的關系見圖1。

圖1 低塑性混凝土單位體積中空氣的體積百分比與引氣劑氣泡之間距離的關系

2 混凝土三個基本參數（水泥用量、砂用量、骨料（碎石）用量，另外還有水的用量）及施工過程對單位體積中空氣的體積百分比的影響

2.1 拌制水泥漿、砂漿、混凝土時所用的水和水泥的重量之比就是水灰比

水灰比影響混凝土的流變性能、水泥漿凝聚結構以及其硬化后的密實度，因而在組成材料給定的情況下，水灰比是決定混凝土強度、耐久性和其他一系列物理力學性能的主要參數。對某種水泥就有一個最適宜的比值，過大或過小都會使強度等性能受到影響。水灰比按同品種水泥固定。硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣水泥為0.44；火山灰水泥、粉煤灰水泥為0.46。

雖然碾壓混凝土的抗凍融耐久性不受水灰比的影響，但引氣劑氣泡外形大小和之間的距離受水灰比的影響不可忽視。施工技術人員通過試驗研究發現：混凝土引氣劑氣泡外形大小與混凝土水灰比的變化成正比，同理，混凝土水灰比對引氣劑氣泡之間的距離關系也是如此。

由此可得，混凝土的水灰比越大，反而會影響混凝土的抗凍融耐久性，應該相適應的增加引氣劑的含量。引氣劑氣泡外形大小和氣泡之間的距離與混凝土單位體積中空氣的體積百分比關系密切，當混凝土單位體積中空氣的體積百分比為固定值時，引氣劑氣泡外形大小越小，產生的引氣劑氣泡數量就會越多，反之引氣劑氣泡之間的距離就越小；如果引氣劑氣泡外形大小為固定值時，反之混凝土單位體積中空氣的體積百分比越大，產生引氣劑產生的氣泡之間的距離就越小，混凝土抗凍融耐久性反而越好。

2.2 混凝土投遞原材料的順序與其拌和制作時間的關系分析

施工技術人員在攪拌混凝土時對原材料的投放順序做了改變，從而發現這也會造成混凝土的引氣劑氣泡含量的變化。試驗結果見表4。

表4 投料順序、攪拌延時對 F50碾壓混凝土含氣量的影響

從表4中可以看出：在做第二次投放原材料順序變化時，引氣劑氣泡含量也相應大大增加，與此同時，混凝土單位體積中空氣的體積百分比也隨著拌合物拌合制作時間的延長而有所提高和增長，不過這個延長時間也要適可而止，以免過猶不及，這就需要確定混凝土。

2.3 混凝土拌合物的運輸、攤鋪與碾壓時間的試驗研究分析

當混凝土拌合物拌合制作完畢后，被汽車運輸到施工現場，進行及時攤鋪和碾壓，這些工序環節所需時間很關鍵，經研究發現將會直接導致混凝土單位體積中空氣的體積百分比減小。對于松香酸鈉型引氣劑，通過試驗調整摻量、汽車運輸、拌合物攤鋪及碾壓環節，得到以下結論：

汽車運輸距離≤2 km，混凝土單位體積中空氣的體積百分比的減少≤0.01，汽車運輸時間≤6 min，對混凝土單位體積中空氣的體積百分比的減少影響并不大；混凝土拌合物被攤鋪和等待碾壓的時段，對混凝土單位體積中空氣的體積百分比的減少有不可忽略的影響，混凝土拌合物被攤鋪的時間越長，混凝土單位體積中空氣的體積百分比會降低 1%～2%，這就說明必須加快混凝土被攤鋪的時間；在混凝土拌合物被碾壓時，混凝土單位體積中空氣的體積百分比會受到些許影響，降低范圍≤0.5%。

3 結 論

新疆嚴寒地區某水利碾壓混凝土大壩，通過施工技術人員對碾壓混凝土的抗凍融耐久性的試驗研究，碾壓混凝土在施工時抗凍性能指標要達到設計值，在原材料中粉煤灰所占比例較大，引氣劑的摻量就會比常態混凝土多出9～11倍。

對于混凝土單位體積中空氣的體積百分比的損失，通常會出現在混凝土拌合物被攤鋪及等待被碾壓時段，所以在施工過程中一定要引起重視；在炎熱季節出機口溫度也要適宜控制，混凝土本身的溫度與混凝土單位體積中空氣的體積百分比關系也相當密切，所以在施工過程中施工倉的環境也是提高和改善混凝土單位體積中空氣的體積百分比不可或缺的因素。

［1］李文森，栗永基.巖灘水電站大壩水環境檢測及水質初步分析［J］.紅河水，2011，30（02）：17-21.

［2］紀國晉，姜榮梅，姜福田.影響碾壓混凝土含氣量的試驗研究［J］，水力發電，2007，33（04）：62-64.

TV431

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1007-7596（2015）02-0024-03

2014-12-15

田雪竹（1981-），女，重慶人，工程師，研究方向為運行管理與安全監測。