高含氣量對混凝土抗凍性的影響

孫飛鵬

上海建工材料工程有限公司 上海 200086

在北方地區或南方室內冰雪場等項目中，混凝土的抗凍能力將直接影響混凝土結構的長期性及耐久性，耐久性關系到工程結構的使用壽命。

快凍法基于檢驗混凝土快速凍融循環次數的原理來反映混凝土的抗凍性能，凍融循環次數越多，混凝土的抗凍性能越高[1-2]。

一般認為混凝土拌和物的含氣量在5%～6%時，硬化混凝土的抗凍性達到最佳。

本文通過在C60高強混凝土中摻入不同摻量的引氣劑，研究混凝土是否能達到預期的抗凍效果。

為減小快凍法試驗的相關誤差（含氣量作為影響混凝土抗凍性的主要因素之一），前期試驗明確了同一配合比的混凝土拌和物，其坍落度大小、加水量多少和含氣量大小基本無關，后期的試驗就剔除了這些因素，有助于工程技術人員根據相關試驗，做出合理推斷，以便更好地利用快凍法的檢測手段來快速判斷硬化混凝土的抗凍性能。

1 試驗方法

本次試驗從C60混凝土強度等級的配合比研究入手，將來再逐步擴展到C35、C40、C50、C80等其他各強度等級。本次試驗混凝土的養護條件為：

1）養護溫度分為標準養護 （20 ℃±2 ℃）及水養護（20 ℃±2 ℃）這2種養護方式。

2）養護的相對濕度為≥90%（標準養護）及100%（水養，即濕度為100%）。

3）養護齡期為28 d。

2 試驗配比及數據

本次試驗的研究目標是混凝土拌和物的高含氣量對成形后硬化混凝土抗凍性和抗壓強度的影響。混凝土強度設計根據國家標準JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》進行，試驗方法根據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行，具體如表1、表2所示。

3 試驗數據的分析

3.1 含氣量為7.2%的混凝土抗凍融試驗數據分析

含氣量為7.2%的混凝土抗凍融試驗數據如圖1所示。由圖1可知：當混凝土拌和物含氣量為7.2%時，隨著凍融循環次數的增加，成形混凝土試件的相對動彈性模量呈現直線下滑的趨勢，而質量損失率呈緩步上升的趨勢。

3.2 含氣量為7.8%的混凝土抗凍融試驗數據分析

含氣量為7.8%的混凝土抗凍融試驗數據如圖2所示。

表1 C60混凝土配合比設計及抗壓強度

表2 硬化混凝土試件抗凍融循環試驗數據

圖1 含氣量為7.2%的P值、 ΔW值變化趨勢

圖2 含氣量為7.8%的P值、 ΔW值變化趨勢

由圖2可知：當混凝土拌和物的含氣量為7.8%時，隨著凍融循環次數的增加，成形混凝土試件的相對動彈性模量呈現出緩步下滑的趨勢，而質量損失率卻呈逐步上升的趨勢。

3.3 含氣量為9.4%的混凝土抗凍融試驗數據分析

含氣量為9.4%的混凝土抗凍融試驗數據如圖3所示。

由圖3可知：當混凝土拌和物含氣量為9.4%時，隨著凍融循環次數的增加，成形混凝土試件的相對動彈性模量呈現先上升再下滑的趨勢，而質量損失率卻呈逐步上升的趨勢。

3.4 含氣量為10.2%的混凝土抗凍融試驗數據分析

含氣量為10.2%的混凝土抗凍融試驗數據如圖4所示。

由圖4可知：當混凝土拌和物含氣量為10.2%時，隨著凍融循環次數的增加，成形混凝土試件的相對動彈性模量呈現基本平穩的趨勢，而質量損失率卻呈逐步上升的趨勢。

圖2 含氣量為10.2%的P值、 ΔW值變化趨勢

圖3 含氣量為9.4%的P值、 ΔW值變化趨勢

3.5 含氣量為14.3%的混凝土抗凍融試驗數據分析

含氣量為14.3%的混凝土抗凍融試驗數據如圖5所示。

由圖5可知：當混凝土拌和物含氣量為14.3%時，隨著凍融循環次數的增加，成形混凝土試件的相對動彈性模量呈現穩步下滑的趨勢，而質量損失率卻呈逐步上升的趨勢。

3.6 含氣量為18.0%的混凝土抗凍融試驗數據分析

含氣量為18.0%的混凝土抗凍融試驗數據如圖6所示。

由圖6可知：當混凝土拌和物含氣量為18.0%時，隨著凍融循環次數的增加，成形混凝土試件的相對動彈性模量呈現下滑的趨勢，而質量損失率卻呈逐步上升的趨勢。

圖5 含氣量為14.3%的P值、 ΔW值變化趨勢

圖6 含氣量為18.0%的P值、 ΔW值變化趨勢

3.7 不同含氣量混凝土F200下的相對動彈性模量及質量損失率變化趨勢

不同含氣量混凝土F200下的相對動彈性模量及質量損失率變化趨勢如圖7所示。由圖7可知：在F200凍融循環條件下，隨著混凝土拌和物含氣量的增加，成形混凝土試件的相對動彈性模量呈現比較平穩的趨勢，含氣量為7.8%時，相對動彈性模量最高，但質量損失率卻隨含氣量的上升呈逐步上升的趨勢。

3.8 不同含氣量混凝土F300下的相對動彈性模量及質量損失率變化趨勢

不同含氣量混凝土F300下的相對動彈性模量及質量損失率變化趨勢如圖8所示。由圖8可知：在F300凍融循環條件下，隨著混凝土拌和物含氣量的增加，成形混凝土試件的相對動彈性模量呈現兩頭低、中間高的態勢，含氣量為7.8%時，相對動彈性模量最高，但質量損失率卻隨含氣量的上升呈逐步上升的趨勢。

3.9 不同含氣量混凝土F400下的相對動彈性模量及質量損失率變化趨勢

圖7 F200不同含氣量的P值、 ΔW值比較

圖8 F300不同含氣量的P值、 ΔW值比較

不同含氣量混凝土F400下的相對動彈性模量及質量損失率變化趨勢如圖9所示。由圖9可知：在F400凍融循環條件下，隨著混凝土拌和物含氣量的增加，成形混凝土試件的相對動彈性模量呈先升后降的趨勢，含氣量為9.4%時，相對動彈性模量最高，但質量損失率卻隨含氣量的上升呈逐步上升的趨勢。

3.10 不同含氣量混凝土F500下的相對動彈性模量及質量損失率變化趨勢

不同含氣量混凝土F500下的相對動彈性模量及質量損失率變化趨勢如圖10所示。由圖10可知：在F500凍融循環條件下，隨著混凝土拌和物含氣量的增加，成形混凝土試件的相對動彈性模量呈現先升后降的趨勢，含氣量為9.4%時，相對動彈性模量最高，但質量損失率卻隨含氣量的上升呈逐步上升的趨勢。

圖9 F400不同含氣量的P值、 ΔW值比較

圖10 F500不同含氣量的P值、 ΔW值比較

3.11 不同含氣量混凝土F600下的相對動彈性模量及質量損失率變化趨勢

不同含氣量混凝土F600下的相對動彈性模量及質量損失率變化趨勢如圖11所示。由圖11可知：在F600凍融循環條件下，隨著混凝土拌和物含氣量的增加，成形混凝土試件的相對動彈性模量呈現先升后降的趨勢，含氣量為10.2%時，相對動彈性模量最高，但質量損失率卻隨含氣量的上升呈逐步上升的趨勢。

3.12 含氣量和強度的關系

混凝土含氣量和強度的關系如圖12所示。由圖12可知：隨著混凝土拌和物含氣量的增加，成形混凝土試件的7 d及28 d抗壓強度基本呈逐步下滑的趨勢，混凝土拌和物含氣量在9.4%及以上時，硬化混凝土試件的7 d及28 d抗壓強度基本接近。

4 試驗結論

1）高含氣量混凝土（含氣量＞6.0%）的抗凍性能，在混凝土拌和物含氣量為8%～10%時達到最佳。

圖11 F600不同含氣量的P值 ΔW值比較

圖12 含氣量和強度的關系

2）高含氣量混凝土（含氣量＞6.0%）的抗凍融循環后的混凝土質量損失率，隨著混凝土拌和物含氣量的增加而增大。

3）高含氣量混凝土（含氣量＞6.0%）的抗凍融循環試驗數據表明，其相對動彈性模量的變化大于其質量損失率的變化。

4）高含氣量混凝土（含氣量＞6.0%）的7、28 d抗壓強度，隨著含氣量的增加而逐步降低，含氣量超過20%時，混凝土抗壓強度更是急劇降低。

5）以C60為基準配合比配制的高含氣量混凝土（含氣量＞6.0%）的抗凍性能，當混凝土拌和物含氣量為7.2%～18.0%時，全部能達到F600的抗凍要求。

6）以C60為基準配合比配制的高含氣量混凝土（含氣量＞6.0%）的抗壓強度，當混凝土拌和物含氣量達到9.4%及以上時，硬化混凝土試件的7 、28 d抗壓強度基本接近。

5 原因分析

高含氣量混凝土（含氣量＞6.0%）含氣量增加，是由于混凝土拌和物中摻入了不同摻量的引氣劑。隨著引氣劑摻量的增大，混凝土拌和物的含氣量也會逐步增大。因為引氣劑是具有憎水作用的表面活性劑，所以它可以明顯降低混凝土拌和水的表面張力，使混凝土內部產生大量穩定的氣泡。這些氣泡能使混凝土結冰膨脹時的膨脹壓得到緩沖或抵消，但高含氣量混凝土（含氣量＞6.0%）的抗凍性能，或者說其氣泡含量達到多少時，對膨脹壓的緩沖能力達到最佳，理論上肯定存在一個最佳含氣量值。

隨著混凝土拌和物含氣量的增加，硬化混凝土的抗壓強度逐步降低應該不難理解，可能主要是由于混凝土拌和物的密實度不斷降低所致，同時也致使抗凍融循環后的質量損失率同步升高。