高原地區抗凍引氣混凝土含氣量設計方法研究

李雪峰，付 智，王華牢

(交通運輸部公路科學研究院橋梁隧道研究中心，北京 100088)

0 引 言

隨著我國交通基礎設施不斷向西南地區發展，未來在平均海拔4 000 m以上的青藏高原服役的工程結構將越來越多。受季風氣候及地理環境等因素影響，青藏高原地區形成了高寒且晝夜溫差大的氣候特點，加之其為眾多江河的發源地，因此在該地區澆筑的混凝土結構應需具有較高的抗凍融破壞能力[1-2]。研究表明，控制水膠比以減少混凝土內可結冰水含量以及在混凝土中引入細小氣孔以釋放凍脹產生的凍脹壓力或滲透壓力是提升混凝土抗凍性能的主要技術措施[3-4]。相較于降低水膠比，使混凝土具有合理的氣孔結構是保障混凝土具有優良抗凍耐久性能的更佳手段[5]。為此，Power等[6]最早定義漿體任意位置距其最近氣孔的平均距離為氣泡間距系數，并計算出臨界抗凍間距系數約為250 μm。此后，大量研究證實雖然Powers提出的臨界抗凍間距系數偏保守，但其與混凝土的抗凍耐久性間仍呈現良好的相關關系[7]。因此，如能提前估算硬化引氣混凝土的氣泡間距系數，便可預測其抗凍性能。

現有《混凝土結構耐久性設計標準》(GB/T 50476—2019)[8](簡稱《標準》)中針對不同凍融環境規定了引氣混凝土的最大水膠比、最小膠材用量及最低設計強度等級，并給出新拌混凝土的最小含氣量及硬化混凝土間距系數推薦值，以此來指導研究人員進行抗凍混凝土材料的組成設計。但實際工程中，研究人員尚需解決如下關鍵問題：首先，《標準》中在對引氣混凝土含氣量及氣泡間距系數進行規定時給出的環境條件是混凝土中度飽水、高度飽水和含鹽環境，并未區分微凍、寒冷及嚴寒三種凍融環境。顯然，具有同樣水分飽和度的混凝土在不同凍融環境下所需的含氣量不盡相同。另外，《標準》采用雙控指標(混凝土最小含氣量及最大氣泡間距系數)來保證混凝土材料達到要求的抗凍耐久性指數。但對于不同強度設計等級的混凝土，其達到相同抗凍耐久性指標所需的含氣量(或氣泡間距系數)不盡相同，實際設計中當選取合理的含氣量設計值。此外，近年來的研究成果[9-12]顯示，高原低氣壓環境會導致引氣混凝土中氣泡穩定性變差，并劣化氣泡間距系數。以往基于平原地區得到的含氣量設計經驗是否能適用于高原引氣混凝土設計值得商榷。一旦抗凍耐久性能不滿足要求，重新設計勢必耗時耗力(抗凍耐久性指數在60%以上的混凝土測試需數月之久)。因此，亟需明確混凝土含氣量與其抗凍耐久性指數間的關系以有效指導混凝土材料設計。最后，由于氣泡的引入會導致混凝土強度的降低，這就使研究人員更傾向于選擇提高混凝土強度(降低水膠比或增加膠材用量)而不是引入足夠氣泡來提高混凝土抗凍耐久性能。一方面，混凝土設計強度的增加勢必會造成工程建設成本的增加。另一方面，大量研究已表明高強混凝土并不代表其具有較高的抗凍耐久性能[13-14]。

為此，本文通過對高原與平原地區引氣混凝土進行含氣量、氣孔間距系數及抗凍耐久性指數測試，同時結合國內外現有相關研究成果，針對不同水膠比(W/B)的引氣混凝土，建立混凝土抗凍耐久性指數與材料特征參數(氣泡間距系數及含氣量)間的函數關系，并最終提出一種基于混凝土抗凍耐久性要求的高原地區抗凍引氣混凝土含氣量設計方法，該方法的提出旨在為提升高原抗凍混凝土的設計水平提供理論與試驗依據。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗所用水泥及粗細骨料基本性能如表1所示。試驗中選用目前較常見的兩種液體引氣劑，分別為烷基磺酸鹽類(alkyl sulfonate)及皂甙類(saponin)；減水劑為聚羧酸高效減水劑，減水率和含固量分別為30%、20%(均為質量分數)；水為飲用水。

表1 原材料基本性能Table 1 Material properties

1.2 試驗方法

目前各主要設計標準或規范中對不同凍融環境下混凝土結構的材料組成提出了相應設計要求，具體如表2所示。對比發現，不同凍融環境作用下混凝土的最大水膠比范圍為0.36～0.55，抗凍耐久性指數(RDF)集中在40%～85%。以表2為依據，先將最大水膠比劃分為0.25～0.35、0.36～0.45和0.46～0.55三個區間。隨后，在每個區間內設計水膠比為0.34、0.40和0.50的混凝土，具體如表3所示，并分別在高原(拉薩，氣壓64 kPa)與平原(北京，氣壓101 kPa)地區配制含氣量水平為3%、5%和7%的引氣混凝土，試驗中保證新拌混凝土含氣量與設計含氣量水平間誤差控制在±0.5%以內。試驗中分別測試新拌及硬化引氣混凝土的含氣量，引氣混凝土的氣泡間距系數及抗凍耐久性指數?；炷料嚓P性能測試方法按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)[15]、《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG 3420—2020)[16]及《水工混凝土試驗規程》(DL/T 5150—2017)[17]執行。

表2 凍融環境下混凝土水膠比設計要求Table 2 Design requirements for water-binder ratio of concrete in freeze-thaw environment

表3 混凝土配合比Table 3 Proportion of concrete

2 結果與討論

2.1 高原地區混凝土含氣量變化

《標準》中針對新拌混凝土含氣量給出了設計值，實際硬化混凝土含氣量與氣泡間距系數間具有良好的函數關系。因此，如何準確地判斷混凝土硬化后的真實含氣量至關重要。

表4所示為不同氣壓環境下引氣混凝土含氣量、氣泡間距系數及對應的抗凍耐久性指數。限于試驗規模，為更好地比較不同氣壓環境下混凝土硬化后含氣量的變化，本文基于國內外相關文獻[20-35]，統計整理了不同水膠比混凝土硬化前后含氣量的變化值，結果如圖1所示。結果表明，與新拌混凝土含氣量(Af)相比，硬化混凝土的含氣量(Ah)波動范圍為±1.5%，但就整體而言，硬化混凝土含氣量普遍小于新拌混凝土含氣量，在低氣壓時上述現象更為明顯，這也再一次驗證了高原低氣壓環境下引氣混凝土中氣泡的穩定性較差。另外，不同水膠比混凝土硬化后含氣量的變化程度也不盡相同。

圖1 新拌混凝土與硬化混凝土含氣量關系Fig.1 Relationship between air content of freshconcrete and hardened concrete

表4 不同氣壓環境下引氣混凝土含氣量及氣孔結構系數Table 4 Air content and air void parameters of air-entrained concrete under different atmospheric pressures

為進一步明確不同水膠比混凝土硬化后含氣量的變化，圖2給出了不同水膠比混凝土硬化后含氣量變化的區間分布。結果發現，水膠比為0.25～0.35、0.36～0.45和0.46～0.55的混凝土，硬化后含氣量降低的占比分別為60.9%、64.1%和79.5%。這可能與水膠比大導致漿體稠度增大，氣泡更易于溢出有關。就總體而言，水膠比為0.25～0.35、0.36～0.45和0.46～0.55的混凝土損失的最大占比區間分別集中在(-1.0,-0.5]，(-0.5,0]和(-1.0,-0.5]，但就高原低氣壓環境下制備的混凝土而言，含氣量的損失區間明顯更低。

圖2 新拌混凝土與硬化混凝土含氣量差值分布Fig.2 Difference distribution between air content of fresh concrete and hardened concrete

基于上述分析，建議當基于新拌混凝土實測含氣量預測硬化后混凝土含氣量時，對于平原地區，硬化混凝土含氣量較新拌混凝土含氣量低約0.5%～1.0%，而在高原低壓地區，該值約為1.0%～1.5%，且水膠比越大取值越大。

2.2 硬化混凝土含氣量與氣泡間距系數關系

引氣混凝土是否具備優良的抗凍耐久性能主要取決于其氣孔結構，而文獻[11]中指出氣泡間距系數與硬化混凝土含氣量間存在式(1)所示的函數關系。但需要指出的是，由于不同水膠比會導致漿體氣孔結構變化，因此，對于含氣量幾乎一致的混凝土，其氣泡間距系數會因水膠比的變化而改變。

(1)

為此，基于本文試驗結果并整理文獻[36]及前述文獻[20-35]中給出的相關試驗數據，分別針對水膠比為0.25～0.35、0.36～0.45和0.46～0.55的混凝土進行統計回歸分析，結果如圖3所示。由圖3可知，混凝土氣泡間距系數的對數與硬化混凝土含氣量值之間存在良好的線性關系?；貧w結果表明，混凝土氣泡間距系數隨水膠比的增大而增大，即增加相同的含氣量，低水膠比混凝土氣泡間距系數的減小程度要比高水膠比混凝土的更為明顯，相應地對提升混凝土抗凍耐久性也更為有利。另外，統計結果中也可明顯看出，低氣壓下制備的引氣混凝土，其氣泡間距系數普遍較高，這在一定程度上說明，如平原與高原地區分別制備得到相同含氣量的混凝土，高原地區混凝土的氣泡間距系數可能偏大，即低氣壓環境劣化了引氣混凝土的氣孔結構。如按平原地區經驗值設計混凝土含氣量，其抗凍耐久性能否達到設計要求值得商榷。

圖3 硬化混凝土含氣量與氣泡間距系數關系(n表示樣本數量)Fig.3 Relationship between air content and bubble spacing coefficient of hardened concrete (n is the number of samples)

目前針對高原地區低氣壓對引氣混凝土氣孔結構方面的研究成果有限，本文也僅針對每個水膠比范圍內給出6組試驗數據。因此，如想完全得到適用于高原地區的硬化混凝土含氣量與氣泡間距系數間的關系，尚需大量研究。鑒于本文在進行回歸分析時已將高原與平原數據統一考慮，因此，目前如在高原地區通過硬化混凝土含氣量預測混凝土氣泡間距系數時，可先采用本文所得公式。

2.3 氣泡間距系數與抗凍耐久性指數關系

目前，針對抗凍臨界氣泡間距系數的研究已有眾多，但爭議較大，不同研究者分別得到能夠使混凝土具有優良抗凍耐久性的臨界氣泡間距系數，但數值差別較大。究其原因，是由于各自試驗中采取的材料組成，尤其是水膠比存在差異。為此，本節仍將針對水膠比為0.25～0.35、0.36～0.45和0.46～0.55的混凝土，通過統計分析本文試驗得到的結果及文獻[20-22,24-27,29,32-36]中給出的相關數據，得到氣泡間距系數與抗凍耐久性指數間的關系，這里需要指出的是，在統計過程中發現在各水膠比范圍內，均會出現一些“異常點”，即氣泡間距系數相近但抗凍耐久性指數差別極大，或當氣泡間距系數小于一定值時，混凝土具有極高的抗凍耐久性，上述兩種情形在本次統計中均不予考慮，最終結果如圖4所示。

圖4 氣泡間距系數與抗凍耐久性指數關系(n表示樣本數量)Fig.4 Relationship between bubble spacing coefficient and frost resistance durability index (n is the number of samples)

由圖4可知，水膠比不同的混凝土，保證彼此間具有相同抗凍耐久性指數時所需最小氣泡間距系數也不盡相同。如當RDF=60%時，對于水膠比為0.25～0.35的混凝土，其氣泡間距系數僅需達到535 μm，而水膠比為0.36～0.45和0.46～0.55的混凝土，該值卻分別需要達到385 μm和356 μm。此外，基于現有高原低氣壓混凝土抗凍耐久性試驗結果發現，雖然在2.2節中指出高原低氣壓環境會劣化引氣混凝土的氣孔結構，但混凝土氣泡間距系數與其抗凍耐久性指數間的關系，可認為與混凝土是否在平原或高原地區制備沒有關聯，屬于混凝土自身的抗凍屬性。因此，本節得到的不同水膠比下混凝土氣泡間距系數與抗凍耐久性指數之間函數關系在高原同樣適用。

3 高原地區抗凍引氣混凝土含氣量設計

2.1～2.3節中分別給出了不同水膠比下新拌混凝土含氣量、硬化混凝土含氣量、氣泡間距系數及混凝土抗凍耐久性指數間的關系。因此，如何確定混凝土的抗凍耐久性設計等級是進行引氣混凝土含氣量設計時需首要解決的問題?！稑藴省丰槍Σ煌瑑鋈诃h境等級給出了RDF的最小設計值，但并未區分高原與平原地區。實際上，高原地區由于大氣稀薄導致其年正負溫差天數要遠大于平原地區，如將飽水狀態一致的兩個混凝土結構物分別置于最冷月平均氣溫一樣的高原和平原地區，按照《標準》中的相關規定，二者RDF設計值也應相同。但事實上，高原地區混凝土結構物年均凍融循環次數明顯多于平原。武海榮等[37]在假設混凝土處于完全飽水狀態下，研究提出了平原與高原地區混凝土年均凍融循環次數(nact)與最冷月平均氣溫(θ)間的關系式：

(2)

利用上式分別對平原和高原混凝土年均凍融循環次數進行計算，結果表明，當假設混凝土處于高度飽水狀態時，高原地區混凝土年發生凍融循環次數比平原地區多30次以上，且多余次數隨最冷月平均氣溫的增大持續增加。因此，在高原地區評估混凝土所處凍融環境并提出材料抗凍耐久性設計等級時，應對《標準》中給出的混凝土抗凍耐久性指數(RDF)最小值進行適度調整?？紤]到RDF值僅代表混凝土相對抗凍能力，不能直接用于計算材料使用年限。此處，參照文獻[8]中對嚴寒地區(θ<-8 ℃)高度飽水或含鹽環境下，混凝土抗凍耐久性指數(RDF)隨設計使用年限增加(30年、50年及100年)時的遞增值，建議對高原嚴寒地區設計使用年限不小于50年，同時長期處于高度飽水或含鹽環境下的混凝土結構物，其RDF設計值可增加5%。

綜上分析，即可提出一種高原地區抗凍引氣混凝土含氣量設計方法，具體設計流程如圖5所示。該方法以混凝土氣泡間距系數為橋梁，針對不同水膠比分別建立了混凝土抗凍耐久性指數與氣泡間距系數及混凝土含氣量與氣泡間距系數間的關系，并充分考慮了高原地區氣候環境對混凝土抗凍耐久性能的高要求及其對引氣混凝土含氣量損失及氣孔結構劣化的影響，最終使高原地區抗凍引氣混凝土的含氣量設計有章可循。

圖5 高原地區抗凍引氣混凝土含氣量設計流程圖Fig.5 Flow chart of air content design of frost resistance air-entrained concrete in plateau

4 結 論

(1)高原地區混凝土硬化后的含氣量損失較平原地區更大，平原地區損失約0.5%～1.0%，而高原地區為1.0%～1.5%，且混凝土水膠比越大損失值越大。硬化混凝土含氣量與混凝土氣泡間距系數的對數間存在良好的線性關系。但當硬化混凝土含氣量相同時，高原混凝土氣泡間距系數要略大于平原混凝土，高原低氣壓環境可能導致引氣混凝土氣孔結構劣化。

(2)硬化混凝土氣泡間距系數與抗凍耐久性指數間存在良好的線性關系，且不受氣壓環境影響?；炷了z比越小，其所達到相同抗凍耐久性指數時所需最小氣泡間距系數越大，對于高耐久性混凝土(RDF=60%)，臨界氣泡間距系數分別為535 μm(水膠比0.25～0.35)、385 μm(水膠比0.36～0.45)和356 μm(水膠比0.46～0.55)。

(3)以混凝土氣泡間距系數為橋梁，通過分別建立氣泡間距系數與混凝土含氣量及抗凍耐久性指數間的關系，提出一種基于混凝土抗凍耐久性要求的高原地區抗凍引氣混凝土含氣量設計方法。