高海拔山區(qū)混凝土拌合物含氣量經(jīng)時(shí)變化規(guī)律

古 源，馬春鋮，黃文君，賀慶燁，趙 勇，徐文強(qiáng)

（1.云南省建筑科學(xué)研究院有限公司云南省建筑結(jié)構(gòu)與新材料企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650223；2.云南建筑工程質(zhì)量檢驗(yàn)站有限公司，云南 昆明 650223）

0 引言

云南總的地勢(shì)由北向南呈階梯式下降，“香格里拉—麗江”高速公路位于云南滇西北片區(qū)，線路地處橫斷山脈南沿，地形高差達(dá) 1 100 m，該項(xiàng)目“香格里拉段”海拔高達(dá) 3 300 m。線路沿途氣候環(huán)境惡劣，有效工期短，建設(shè)難度較大。為確保混凝土構(gòu)件的長(zhǎng)期耐久性能，項(xiàng)目采用 F 100 抗凍等級(jí)混凝土，主要的抗凍混凝土有 C30F100 和 C50F100。相關(guān)研究表明，含氣量是影響混凝土抗凍性的重要因素，向混凝土中引入適量微小、均勻的氣泡［1］能有效改善混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，提高混凝土的工作性能和耐久性。

目前，針對(duì)混凝土含氣量國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究主要分為材料、配合比、拌制工藝以及環(huán)境等方面的影響因素。例如：材料對(duì)混凝土含氣量的影響方面，王春明通過(guò)單因素對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出，在其他因素不變的條件下，混凝土含氣量與砂的細(xì)度模數(shù)呈反比［2］；混凝土配合比對(duì)含氣量的影響方面，李興翠等通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)出混凝土含氣量與單位用水量、砂率成正比［3］；拌合工藝對(duì)含氣量的影響方面，付昌會(huì)等提出了在傳統(tǒng)混凝土攪拌設(shè)備上添加振動(dòng)源，調(diào)整振動(dòng)源位置、頻率以及振幅可以顯著提高混凝土的含氣量［4］；環(huán)境對(duì)含氣量的影響方面，李雪峰等利用低氣壓試驗(yàn)箱模擬高原低氣壓環(huán)境，發(fā)現(xiàn)低氣壓環(huán)境能削弱引氣劑的引氣能力以及混凝土的保氣能力［5，6］。

國(guó)內(nèi)目前對(duì)混凝土含氣量的研究多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，而對(duì)具體施工環(huán)境中混凝土的含氣量影響因素及其經(jīng)時(shí)變化規(guī)律的研究相對(duì)較少。本文以“香格里拉—麗江”高速公路為背景，通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目不同海拔高度、溫度、運(yùn)輸距離和澆筑方式等因素影響下混凝土含氣量的測(cè)定，研究高海拔山區(qū)混凝土含氣量經(jīng)時(shí)變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

含氣量檢測(cè)設(shè)備采用美國(guó) FORNEY 公司生產(chǎn)的LA-0316 直讀式含氣量測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定。

1.2 試驗(yàn)環(huán)境

本項(xiàng)目在海拔大約 3 300、3 100、1 900 m 設(shè)有三個(gè)拌合站，分別是冷都站（A）、關(guān)防站（B）和龍?bào)凑荆–），A 站和 B 站位于香格里拉高原氣候帶，C 站位于香格里拉與麗江交接處河谷氣候帶。

鄰近 A 站設(shè)有兩個(gè)梁場(chǎng)，分別是四工區(qū)梁場(chǎng)（1#）和五工區(qū)梁場(chǎng)（2#），1#、2# 梁場(chǎng) T 梁所用 C50F100 混凝土均由 A 站供應(yīng)拌制。

1.3 原材料

粉煤灰采用大理誠(chéng)康再生資源有限公司 F 類 Ⅱ 級(jí)粉煤灰，外加劑采用上海三瑞高分子材料股份有限公司VIVID-500 減水劑，引氣劑同樣采用上海三瑞高分子材料股份有限公司產(chǎn)品，摻量 0.05 %。由于地理原因，3 個(gè)拌合站使用的地材水泥和砂石料有所區(qū)別。A站水泥采用昆鋼鴻達(dá) P·O42.5 和滇西紅塔 P·O52.5（C50F100），B 站水泥采用昆鋼鴻達(dá) P·O42.5，C 站水泥采用劍川華新 P·O42.5。砂石料使用情況如表1 混凝土配合比所示。

表1 混凝土配合比

1.4 配合比

此次研究涉及 A、B、C 站普通 C30 混凝土和 A 站C30F100 和 C50F100 混凝土，配合比信息如表1 所示。

1.5 試驗(yàn)方法

混凝土含氣量按照 GB/T 50080－2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同情況下混凝土含氣量數(shù)值的測(cè)定，研究含氣量的經(jīng)時(shí)變化規(guī)律。

1）分別對(duì) A、B、C 站普通 C30 混凝土出站時(shí)靜置0、0.5、1、1.5、2 h 含氣量數(shù)據(jù)的測(cè)定，研究海拔高度對(duì)混凝土含氣量的影響規(guī)律。

2）通過(guò)對(duì) A 站不同環(huán)境溫度下 C30F100 混凝土出站時(shí)靜置 0、0.5、1、1.5、2 h 含氣量數(shù)據(jù)的測(cè)定，研究不同溫度條件下對(duì)混凝土含氣量的影響規(guī)律。

3）分別測(cè)定A站出站時(shí)和到達(dá)1#、2#梁場(chǎng)時(shí)的C50F100 混凝土含氣量，研究運(yùn)輸距離對(duì)含氣量的影響規(guī)律。

4）通過(guò)對(duì) C30 混凝土在現(xiàn)場(chǎng)泵車料斗口處的泵前混凝土和泵后入模前泵后混凝土含氣量的測(cè)定，研究泵送的澆筑方式對(duì)混凝土含氣量的影響規(guī)律。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 海拔對(duì)混凝土含氣量的影響

根據(jù)表2 中 3 個(gè)拌合站不同靜置時(shí)間測(cè)得的混凝土含氣量平均值，繪出不同海拔混凝土含氣量的經(jīng)時(shí)變化規(guī)律如圖1 所示。從圖1 可以看出，雖然相同靜置時(shí)間下含氣量測(cè)定數(shù)值 C 站＞B 站＞A 站，但由于 3 個(gè)拌合站使用的地材不同，配合比也有所不同，考慮原材料和配合比對(duì)含氣量測(cè)定值的影響，不能得出海拔低的測(cè)得的含氣量就越高，海拔高的測(cè)得的含氣量就低的結(jié)論。

圖1 不同海拔高度對(duì)混凝土含氣量的影響

表2 普通 C30 混凝土不同靜置時(shí)間含氣量測(cè)定值

但通過(guò)分析曲線的走勢(shì)和 3 個(gè)拌合站混凝土從出站到靜置 2 h 含氣量變化值，可以得出隨著靜置時(shí)間的增長(zhǎng)，含氣量測(cè)定值逐漸變小，且海拔越高混凝土含氣量經(jīng)時(shí)損失較大的結(jié)論。

2.2 溫度對(duì)混凝土含氣量的影響

通過(guò)對(duì)不同環(huán)境溫度下（1～5、5～10、10～15、15～20℃）不同批次C30F100混凝土不同靜置時(shí)間（0、0.5、1、1.5、2 h）含氣量的測(cè)定，根據(jù)同個(gè)溫度區(qū)段內(nèi)不同靜置時(shí)間混凝土含氣量對(duì)應(yīng)的平均值，繪制出不同環(huán)境溫度區(qū)段內(nèi)，混凝土含氣量經(jīng)時(shí)變化規(guī)律如圖2 所示。

圖2 不同環(huán)境溫度對(duì)混凝土含氣量的影響

可以看出，混凝土在 1～5 ℃ 環(huán)境溫度下靜置 2 h 后，含氣量損失 0.7 %；在 5～10 ℃ 環(huán)境溫度下靜置 2 h 后，含氣量損失 0.8 %；在 10～15 ℃ 環(huán)境溫度下靜置 2 h 后，含氣量損失 1.0 %；在 15～20 ℃ 環(huán)境溫度下靜置 2 h 后，含氣量損失 1.2 %。可以得出環(huán)境溫度越高，混凝土含氣量經(jīng)時(shí)損失越大。

2.3 運(yùn)輸距離對(duì)混凝土含氣量的影響

表3 和表4 分別為混凝土從 A 站運(yùn)輸?shù)?1 #、2 # 梁場(chǎng)含氣量變化規(guī)律。

表3 A 站—1# 梁場(chǎng)混凝土含氣量變化規(guī)律

表4 A 站—2 # 梁場(chǎng)混凝土含氣量變化規(guī)律

表3 含氣量變化值大部分為負(fù)值，極少數(shù)為正值，表明大部分混凝土從 A 站運(yùn)輸?shù)?1# 梁場(chǎng)后，含氣量反而是增大了，與混凝土靜置后測(cè)定的含氣量逐漸降低的規(guī)律不同。分析原因應(yīng)該是罐車運(yùn)輸混凝土過(guò)程，給引氣劑充分發(fā)揮引氣能力的時(shí)間，加上罐車的攪拌和顛簸晃動(dòng)的影響，空氣裹挾進(jìn)入混凝土后會(huì)產(chǎn)生溶膠性氣泡，混凝土含氣量隨之升高。

表4 含氣量變化值全為正值，且含氣量損失率大體在 7.5 %～21 %，說(shuō)明混凝土從 A 站運(yùn)輸?shù)?2# 梁場(chǎng)的含氣量均有不同程度減少。考慮運(yùn)距過(guò)長(zhǎng)，氣泡在長(zhǎng)時(shí)間的攪拌作用下，從漿體中逸出，加之含氣量的經(jīng)時(shí)損失，含氣量降低明顯。

表3 和表4 得出的結(jié)果，與劉家海等［7］含氣量隨攪拌車攪拌時(shí)間延長(zhǎng)而增加，與李增軍等［8］遠(yuǎn)距離運(yùn)輸含氣量隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低的研究結(jié)果均有所不同。從表3 和表4 的數(shù)據(jù)上可以看出，在整個(gè)混凝土運(yùn)輸過(guò)程中，含氣量呈先增加后減少的趨勢(shì)。

分析造成研究結(jié)果不同的原因應(yīng)該是引氣劑在混凝土出站后實(shí)際發(fā)揮的引氣能力和含氣量的經(jīng)時(shí)損失不同造成的，而運(yùn)輸過(guò)程中在攪拌車的攪拌作用下，一方面增加一部分溶膠性氣泡，另一方面使引氣劑在攪拌作用下能夠很好地發(fā)揮后續(xù)引氣作用。

若引氣劑在運(yùn)輸過(guò)程中增加的含氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于含氣量經(jīng)時(shí)損失量，隨著引氣能力的發(fā)揮，混凝土含氣量應(yīng)該呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)；若引氣劑在運(yùn)輸過(guò)程中增加的含氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于含氣量經(jīng)時(shí)損失量，隨著含氣量經(jīng)時(shí)損失，混凝土含氣量應(yīng)該呈逐漸減小的趨勢(shì)；由于項(xiàng)目地處高海拔地區(qū)，一方面含氣量經(jīng)時(shí)損失較大，另一方面受地材質(zhì)量較差和環(huán)境的影響，對(duì)引氣劑的引氣能力有抑制作用，含氣量呈先增加后減少的變化趨勢(shì)。

2.4 泵送對(duì)混凝土含氣量的影響

泵送對(duì)混凝土含氣量的影響如表5 所示。

表5 泵送對(duì)混凝土含氣量的影響

通過(guò)對(duì)表5 數(shù)據(jù)分析，混凝土含氣量變化值均為正值，也就是說(shuō)混凝土在通過(guò)泵管的過(guò)程中，含氣量有不同程度的損失。

分析原因一方面混凝土泵送時(shí)會(huì)在泵管部分位置產(chǎn)生低壓環(huán)境，使氣泡從混凝土逸出，造成含氣量降低；另一方面泵送時(shí)對(duì)混凝土擾動(dòng)較大，混凝土與泵管管壁的摩擦，也會(huì)在一定程度上降低混凝土含氣量。

2.5 混凝土質(zhì)量控制建議

綜上，在高海拔山區(qū)混凝土含氣量經(jīng)時(shí)損失較大，在遠(yuǎn)距離運(yùn)輸和泵送的澆筑方式下，含氣量還會(huì)有不同程度的損失。

鑒于混凝土含氣量在不同環(huán)境和條件下經(jīng)時(shí)變化規(guī)律，混凝土在拌合站拌合時(shí)，可適當(dāng)提高出站時(shí)含氣量，通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，建議提高0.5 %～1 % 的出站混凝土含氣量，用于抵消部分含氣量經(jīng)時(shí)損失量，保證混凝土在施工過(guò)程中有較好的工作性能，確保實(shí)體質(zhì)量和結(jié)構(gòu)耐久性。

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明不同的海拔高度、溫度、運(yùn)距和澆筑方式對(duì)混凝土含氣量經(jīng)時(shí)變化規(guī)律有著不同程度的影響。

1）隨著海拔的上升，環(huán)境氣壓的降低，氣泡穩(wěn)定性變差，更容易破裂，造成混凝土含氣量經(jīng)時(shí)損失越大。

2）環(huán)境溫度越高，環(huán)境氣壓越低，混凝土含氣量經(jīng)時(shí)損失越大。

3）不同運(yùn)距含氣量經(jīng)時(shí)變化規(guī)律和引氣劑引氣效果、環(huán)境影響因素下含氣量的損失量、混凝土含氣量本身經(jīng)時(shí)損失量有關(guān)，根據(jù)三個(gè)因素量值的大小，不同運(yùn)距含氣量經(jīng)時(shí)變化規(guī)律會(huì)呈多種變化規(guī)律。

4）混凝土泵送時(shí)對(duì)混凝土有較大擾動(dòng)，泵管中形成的低壓環(huán)境和混凝土與泵管的摩擦作用，均會(huì)造成含氣量不同程度降低。

5）可適當(dāng)?shù)靥岣叱稣净炷梁瑲饬浚糜诘窒糠汁h(huán)境、運(yùn)距和澆筑方式等因素造成的含氣量經(jīng)時(shí)損失，以保證混凝土工作性能和結(jié)構(gòu)耐久性。Q