混凝土預制件表面氣孔影響因素分析

熊炎平 殷素紅 黃栩鵬

（1 中鐵二十三局集團軌道交通佛山工程有限公司；2 華南理工大學材料科學與工程學院）

0 引言

隨著我國裝配式建筑的發展，混凝土預制件的生產與應用越來越廣泛。外觀質量是混凝土預制件質量評定的重要指標，表面氣孔是混凝土最常見的外觀缺陷，筆者結合多年的預制盾構混凝土管片生產經驗及多家管片生產廠家的調研發現，混凝土的表面氣孔外觀質量主要受其組成材料、配合比、澆筑振搗工藝及脫模劑性能的影響。本文通過對文獻檢索和生產經驗總結，分析了這四個主要因素對混凝土表面氣孔的影響，可為實際工程中改善混凝土的表面氣孔狀況提供一定的指導。

1 混凝土表面氣孔的影響因素

1.1 組成材料

組成材料水泥對混凝土表面氣孔的影響主要與其粉磨過程中添加的助磨劑、水泥的細度和熟料礦物組成有關。有些水泥廠為了提高粉磨效率、增大水泥細度和降低生產能耗，往往在水泥熟料粉磨時添加一些三乙醇胺、乙二醇等助磨劑，這些物質大多屬于表面活性劑，具有一定的引氣功能，會增加新拌混凝土的含氣量，使混凝土表面氣孔形成的機率增大[1]。當水泥細度過細，C3A含量較高時，水泥早期水化速率較快，使新拌混凝土塑性粘度較大，導致漿體中的氣泡在振搗的過程中難以排出至空氣中，也會增大表面氣孔形成的機率。謝華偉[2]選用了幾種強度等級相同，但生產廠家不同的水泥，其他條件控制一致，比較了混凝土試件脫模后的表面氣孔狀況，結果表明水泥種類對混凝土表面氣孔有一定的影響，由于水泥的生產廠家不同，水泥中的助磨劑、細度和熟料礦物組成都會存在一定的差異，因此混凝土的表面氣孔狀況不同。由此可見，組成材料水泥，主要是通過影響新拌混凝土的含氣量、塑性粘度，從而影響混凝土的表面氣孔狀況。選擇細度和C3A 含量適宜的水泥，可在一定程度上改善混凝土的表面氣孔外觀質量。

骨料的含泥量、顆粒級配和顆粒形狀對混凝土表面氣孔狀況有重要的影響。骨料中的含泥量會提高新拌混凝土的塑性粘度，使混凝土漿體中的氣泡難以排除，從而增大混凝土表面氣孔形成的機率。骨料級配不合理、粗骨料中針片狀顆粒含量較多會導致混凝土的和易性較差，骨料難以達到緊密堆積，新拌混凝土內部空隙大，為氣泡的產生提供了更多的空間；且在相同的振搗時間下，混凝土達到密實所需時間較長，而使氣泡向上排出的時間有所變短，從而使得表面氣孔的數量增多[3,4]。由此可知，組成材料骨料，主要通過影響新拌混凝土塑性粘度、含氣量和混凝土內部氣泡的排出，進而影響混凝土的表面氣孔狀況。宜選擇含泥量低、粒形好、級配連續的骨料，在一定程度上能改善混凝土的表面氣孔狀況。

礦物摻合料會影響新拌混凝土的塑性粘度，從而影響混凝土的表面氣孔狀況。粉煤灰、礦渣粉、微珠粉等摻合料，其漿體的塑性粘度一般低于水泥漿體的塑性粘度。筆者的研究結果表明，在水膠比為0.4 時，測得水泥漿體的塑性粘度為1.00Pa·s，粉煤灰漿體的塑性粘度為0.43Pa·s，因此摻入這些礦物摻合料有利于新拌混凝土塑性粘度下降，尤其是摻量較大時，使混凝土漿體中的氣泡更易排出。硅灰作為礦物摻合料，其比表面積非常大，早期水化活性高，會使新拌混凝土塑性粘度變大，因此不宜多摻，摻量一般不超過10%。

外加劑為表面活性劑，混凝土的表面氣孔外觀狀況與摻入外加劑的種類和摻量有關。新拌混凝土的含氣量一般隨著減水劑、引氣劑摻量及減水劑中引氣組分含量的增加而增加，對于引氣劑而言即使很低的摻量也會顯著增加新拌混凝土的含氣量，而消泡劑一般在低摻量下就能夠顯著降低新拌混凝土的含氣量[4]。減水劑、引氣劑帶入的微小氣泡可以起到潤滑作用，減少混凝土各組成部分之間的相對摩擦，降低新拌混凝土的塑性粘度[5]。王迎春等[6]研究了不同品種減水劑在相同摻量下對混凝土表面氣孔的影響，結果表明使用木鈣類普通減水劑的混凝土表面氣孔數量較少，使用萘系高效減水劑的表面氣孔數量較多，摻入減水劑的混凝土表面氣孔數量是不摻減水劑混凝土的3.5 倍。

當聚羧酸減水劑的摻量增加時，絮凝結構中的水被釋放出來，使得新拌混凝土的塑性粘度下降，流動性顯著提高，混凝土漿體中的氣泡容易在振搗的作用下排出至空氣中，表面氣孔的數量減少[7]。當減水劑摻量進一步增加時使混凝土的含氣量增大，導致混凝土表面易形成更多的氣孔。Liu 等[8]探究了聚羧酸減水劑摻量對混凝土表面氣孔面積比與氣孔最大直徑的影響，研究結果顯示隨著減水劑摻量的增加，混凝土表面氣孔面積比呈現先降低后增加的趨勢，而氣孔最大氣孔直徑先降低后趨于穩定。楊忠等[9]研究了引氣劑摻量對混凝土表面氣孔的影響，結果表明隨著引氣劑摻量的增加，新拌混凝土的含氣量增大，混凝土的表面氣孔數量也越多，含氣量為2.5%的混凝土表面氣孔的數量明顯少于含氣量為6.5%的混凝土表面氣孔的數量。消泡劑也是一種常用的外加劑，具有抑制混凝土中氣泡的產生或使原有氣泡消失的作用，大多為表面活性劑，消泡劑摻入混凝土后會吸附在氣泡液膜表面，使液膜局部表面張力下降，氣泡由于受力不均勻而容易在外力的擾動下破裂[10]。當混凝土含氣量過大時，可以摻入消泡劑降低混凝土內部氣泡的數量，從而改善混凝土的表面氣孔外觀質量。由此可知，摻入減水劑、引氣劑，可以降低新拌混凝土的塑性粘度，有利于改善表面氣孔狀況，但同時會增加混凝土含氣量，又對表面氣孔產生不利影響，因此要綜合考慮其對混凝土表面氣孔狀況的影響，采用適宜的外加劑及其摻量。

1.2 配合比

水膠比是影響新拌混凝土塑性粘度最主要的因素，從而顯著影響混凝土的表面氣孔狀況。水膠比過小時，新拌混凝土的塑性粘度較大，在相同的振搗時間下，一方面使漿體更難填充整個模具表面，使表面不規則的大氣孔數量增多，另一方面混凝土漿體中的氣泡很難向上排出，易停留在模具與混凝土界面上，使表面小氣孔的數量增多。水膠比過大時，過多的自由水容易在振搗過程中吸附在模具與混凝土之間，待混凝土硬化后水分蒸發就會在表面形成更多的氣孔[11]。因此，在一定的振搗時間下，只有適宜的水膠比，才能使混凝土的表面氣孔外觀質量最佳。羅源兵等[12]研究了水膠比對清水混凝土表面氣孔外觀質量的影響，設計了水膠比從0.30 到0.36 四組對照試驗，結果表明隨著水膠比的增大，混凝土表面氣孔面積比先減少后增加，水膠比為0.32 時，氣孔面積比最小，水膠比0.30 時，氣孔面積比最大。

砂率主要通過影響新拌混凝土的含氣量和混凝土內部氣泡的排出，進而影響其表面氣孔狀況。砂率過小，一方面砂子不足以填充石子堆積的剩余空隙，導致混凝土內部形成的空隙大，為內部氣泡的產生提供了更大的空間；另一方面混凝土在振搗的作用下難以密實，相同振搗時間下，混凝土達到密實所需時間更長，而使內部氣泡排出的時間更短，從而導致混凝土表面形成較多的氣孔[13]。相反砂率過大時，骨料的比表面積變大，導致骨料表面的水泥漿厚度減小，易造成新拌混凝土流動性變差，使漿體中的氣泡不易排出，最終在表面形成更多的氣孔[14]。因此，只有適宜的砂率，才能使混凝土表面氣孔外觀質量最佳。羅源兵等[12]探究了砂率對清水混凝土表面氣孔的影響，設計了砂率從44%到52%五組試驗，研究結果顯示隨砂率的增加，混凝土表面氣孔面積比先降低后升高，砂率為50%時，混凝土表面氣孔面積比最小。

1.3 澆筑振搗工藝

澆筑振搗工藝主要通過影響混凝土漿體中氣泡的排出，進而影響混凝土的表面氣孔狀況。在振搗的作用下，粗骨料之間的內摩擦力下降，骨料顆粒互相靠攏緊密，砂漿填充骨料之間的空隙，且氣泡隨著砂漿向四周擴散并遷移到混凝土表面，大量獨立存在的氣泡可能在振搗過程中相遇，并合并成更大的氣泡，但直徑越大的氣泡其穩定性越差，在外界的擾動下越容易排出或破裂[15,16]。由于混凝土預制件大多體積較大，生產時混凝土的坍落度較低且內部鋼筋十分密集，導致振搗器的能量在混凝土內部衰減大，振搗的有效距離變短。因此，混凝土澆筑時應分層澆筑和振搗，避免因澆筑分層的厚度偏大，混凝土漿體難以填充，氣泡排出需要運動的行程長，從而使混凝土表面氣孔數量增加。文獻研究結果表明隨著澆筑層厚度的增加，混凝土的表面氣孔數量和氣孔直徑都有變大的趨勢[17]。振搗器的振搗頻率和有效振搗距離也是影響氣泡排出的重要因素，手執振搗器可以調節振搗頻率和振搗位置，有利于充分振搗排出氣泡，而附著式振搗器位置固定，需要合理設計安裝位置保證有效振搗。振搗時間也是影響混凝土漿體表面填充與表面氣泡排出的重要因素，振搗時間太短漿體未完全填充模具表面且漿體中的氣泡難以排出而停留在混凝土表面形成氣孔，振搗時間太長混凝土容易離析和泌水，容易留下水孔，因此存在一個合適的振搗時間使混凝土表面氣孔的數量較少。

1.4 脫模劑

混凝土表面氣孔存在于混凝土與模具之間，使用優質的脫模劑可以極大地改善混凝土的表面氣孔外觀質量[18]，脫模劑主要通過影響混凝土表面氣泡的排出與破裂，進而影響混凝土的表面氣孔外觀質量。不同種類脫模劑與模具表面氣泡的相互作用方式不一樣，使得對混凝土表面氣孔外觀質量的影響也存在顯著差異[19]。礦物油類脫模劑的粘度較大，涂刷在模具表面后對氣泡的吸附作用強，遷移至模具表面的氣泡難以向上排出，脫模后的混凝土表面氣孔外觀質量較差[20]。使用乳液類脫模劑，一方面兌水后其粘度較低且含有大量水分子，氣泡液膜表面的疏水基團與水分子之間存在排斥力，使表面氣泡向上排出更為容易；另一方面由于乳液脫模劑中含有表面活性劑，其表面張力比氣泡液膜吸附的減水劑分子的表面張力更低，會替代氣泡液膜表面的減水劑分子[21]，使液膜局部表面張力下降，氣泡由于受力不均勻而破裂，該空間被漿體填充，因此混凝土的表面氣孔外觀質量較好。乳液類脫模劑的兌水比例也是影響混凝土表面氣孔的重要因素，兌水比例較大時容易產生流掛現象，從而導致所成膜的均勻性較差，不利于模具表面氣泡的排出，兌水比例較小時粘度較大，與模具表面氣泡的摩擦阻力大,氣泡沿著模具表面向上排出較為困難，不同種類的乳液類脫模劑其最佳兌水比例不同[21,22]。油漆類脫模劑涂刷在模具表面后，會形成一層較薄的憎水固體膜，該固體膜與氣泡之間的摩擦阻力小，遷移至模具表面的氣泡向上排出較容易，混凝土表面氣孔的數量也相對較少。張保童[23]研究了蘇博特公司生產的油性脫模劑、乳液類脫模劑、液壓油和花王乳液類脫模劑等4 種常用的脫模劑對清水混凝土表面氣孔外觀狀況的影響，結果表明使用乳液類脫模劑的混凝土外觀質量明顯優于油性脫模劑和液壓油，混凝土表面基本上沒有大氣孔。

2 結語

混凝土組成材料、配合比、澆筑振搗工藝和脫模劑是影響混凝土預制件表面氣孔狀況的主要因素，主要通過影響新拌混凝土的含氣量、塑性粘度、混凝土內部氣泡的排出和混凝土表面氣泡的排出與破裂過程，進而影響混凝土的表面氣孔狀況。對于工程上混凝土的表面氣孔外觀質量問題，應認真分析其產生的原因，對癥采取合適的措施，將表面氣孔控制在一個合理的范圍。