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含气量对混凝土抗冻性能的影响

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2018/02/17 16:49
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含气量对混凝土抗冻性能的影响 
  抗冻机理 
  混凝土中水泥石内孔隙自由水的存在是混凝土产生冻害的原因,孔隙中的自由水反复冻融,对孔隙壁不断产生胀压力,最终使混凝土胀裂。要提高混凝土的抗冻融能力,须使混凝土内部尽可能密实,这就要求混凝土水灰比尽可能小,一般认为,非引气混凝土要达到较高的抗冻能力,水灰比应小于0.30。采用这种方式抗冻,不仅不经济,高水泥用量引起的水化温升会产生温度应力而引起混凝土的开裂,反而会降低混凝土耐久性性能。引气混凝土是通过混凝上中产生的气泡抵抗冻融破坏。这些微小封闭气泡互不连通、均匀稳定分布在混凝土中,当孔隙内自出水冻结时,气泡被压缩,可大为减轻冰冻给孔隙带来的胀压力;溶解时这些气泡可恢复原状,出此孔隙内自由水反复冻融也不致对孔壁产生很大的压力。只要引气量合适,普通混凝土也可以获得非常高的抗冻性能。 
 含气量对抗冻融能力影响 
  对于含气量小于3.5%的普通混凝土,其水灰比对抗冻性有显著的影响,水灰比越小,抗冻性越好。但高抗冻要求混凝土单纯依靠降低水灰比很难达到,而且也不经济。William lerch认为水泥的成份、细度或水泥用量与混凝上的抗冻性儿乎无关。要得到较高的抗冻能力,混凝土中必须掺入一定的引气剂。笔者在哈地铁―期工程配合比试验中曾对引气混凝土和非引气混凝土的抗冻性能进行过对比。 
  未掺引气剂的混凝土抗冻标号最高仅达D40,掺引气剂混凝上尽管粉煤灰掺量增加,抗冻标号均提高到D100以上。我们进一步提高混凝土的含气量,使含气量在4.5%~6%的范围内,水胶比0.50、粉煤灰掺量35%、胶凝材料仅400kg/m3(使用P.O42.5水泥)的混凝土抗冻能力达D300以上。西北工业大学张德思等的结果表明,水灰比0.71、含气量在3.5%以上的普通混凝土(普通42.5#水泥)及水灰比0.84,含气量4.5%以上的粉煤灰混凝土,经过300次冻融循环后,其耐久性系数均在90%以上。这说明如果混凝土中有足够的引气,则水灰比对混凝土的抗冻性影响不大,高水灰比混凝土只要引气量合适仍然可满足高抗冻要求。 
  适宜含气量和气泡参数 
  对于混凝土拌和物,均存在为防止冻害所必需的最小气泡体积。此体积相当于砂浆体积的9%,适宜气体含量为拌和物砂浆的9±1%,且与混凝土水泥含量或骨料最大粒径无关。当采用整个拌和物的含气量表示时,所需含气量大小则随骨料的最大粒径变化而变化(见表2)。这与《水工混凝土施工规范(SDl207-82)》提出的含气量基本―致。 
  含气量要对混凝土的抗冻性起作用。所引的气泡必须微小、互不相连、能稳定均匀地分布在混凝土中。气泡的尺寸通常介于0.05~1.27mm之间。气泡过大,则容易逸出,不易稳定存在,对抗冻融反而不利。气泡间距是影响混凝土抗冻能力的关键因素。对于同一强度等级的混凝土,其耐久性系数随气泡的间距增大而显著降低。美国混凝土协会认为,为充分防止冻害,气泡间距应为0.25mm,德国则要求为0.20mm。西北工业大学张德思等通过试验认为,对于耐久性系数为90%的混凝土,相对于不同的强度等级,其气泡间距可在0.33~05mm之间变化,见图l,并对气泡间距临界指数提出建议值,见表3。表3的建议值是否具有普遍性,尚有待论证。 
  只要混凝土引气量足够。水灰比对混凝土的抗冻性影响很小,但水灰比却是影响气泡尺寸和间距的重要因素。通过对不同水灰比引气混凝土气泡尺寸研究,发现混凝土气泡尺寸随水灰比降低而减小,随水灰比增大而增大,见图2。水灰比对气泡间距的影响也类似,见图3。从图3可见,在混凝土引气量相近的情况下,水灰比越大,气泡的间距越大,表现为混凝土抗冻性能越差。因此,大水灰比混凝土要达到与小水灰比混凝土相近的抗冻能力,其引气量应相应增加。 
  气泡尺寸和气泡间距最终都反映到含气量上。当含气量一定时,气泡尺寸越小,气泡数量越多,则气泡间距值越小。当气泡尺寸不变时,则含气量越大,气泡间距值越小,抗冻性能越好。因此对混凝土抗冻融能力控制最终还是对含气量的控制。 
  影响混凝土含气量因素 
  水泥、粉煤灰、砂石料、减水剂、水灰比等对引气量大小均有影响。一般粉煤灰掺量越高,水灰比越大,引气剂掺量需增大。 
  对含气量的损失问题,我们关心的是在室内试验含气量可以满足抗冻要求,经过运输和浇筑振捣后含气量必然有所损失(哈尔滨地铁一期工程我们测得经过6km的运输后,含气量约下降1.5%左右),那么浇筑后的混凝土抗冻能力是否还能保证?在室内测试的含气量中一般均有一部分属不稳定的大气泡,同济大学朱蓓蓉等认为引气合理的混凝土(即室内抗冻试验满足要求)在运输和振捣过程中的损失通常是由于这些大气泡的逸出所致,气泡的间距系数影响很小。试验表明:在50s振动时间内,混凝土的气泡间距系数变化极小,运输对气泡间距系数的影响也很小。由于气泡间距是影响混凝土抗冻融能力的最直接因素(间距系数其实间接反映为混凝土的含气量),据此是否可以这样认为,只要混凝土机口取样抗冻要求能满足,则经运输浇筑后的混凝土含气量测试值尽管变小,其抗冻融能力是应该可以保证的。经过在混凝土浇筑现场取样,测试混凝土的抗冻融性能是可以保证设计的要求。这样我们只需关心搅拌机出口的混凝土含气量就可以。 
  引气剂对混凝土强度的影响 
  混凝土中掺入引气剂后,引入大量均匀、稳定而封闭的微小气泡,在混凝上中起类似滚珠的作用。使混凝土的流动性大为改善,提高了混凝土的和易性,减少泌水和分离。由于和易性改善,可以降低混凝土的单位用水量,在水泥用量不变的情况。可以弥补部分由于引气而致的强度损失。 
  对于高性能耐久性混凝土,笔者在哈尔滨地铁一期工程中进行过对比,尽管引气后用水量降低很少,混凝土强度却几乎没有损失。推测可能是混凝土内部本身不密实,引入的气泡大部分只是填充混凝土内部的孔隙,因而对混凝土强度几乎没有影响。 
  研究发现混凝土中含气量增加对断裂模量影响很小,对抗折强度几乎没有影响,这对强调抗折强度的道路混凝土的抗冻融非常有利。 
  抗压强度是控制混凝土抗冲磨能力的最重要因素,混凝上抗冲磨能力随抗压强度的增加而增加,引气混凝土的抗冲磨能力与相同强度的素混凝土抗冲磨能力是一样的。 
  混凝土中引气后总孔隙率虽然增加,但抗渗强度末见降低,似有提高的趋势。可能是这些不连通的封闭气泡阻隔了水的通道,延缓了水的浸入。 
   结语 
  引气剂掺入混凝土中后,除影响抗压强度外,对其他性能无不良影响,使混凝土的抗冻融耐久性大为改善。对于引气混凝土,水灰比、水泥品种、粉煤灰等都不成为决定性因素,只要引气合适,大水灰比混凝土、粉煤灰混凝土、耐久性混凝土等均能获得较好的抗冻性能。由于地铁混凝土要求的强度等级一般不高,混凝土受到最大水灰比的限制,抗压强度一般均有富余,因此应提倡在这些混凝土中掺加引气剂,对混凝土的抗冻融、抗渗透等耐久性能将很有好处。如何在混凝土中引入气泡尺寸较小、间距指数也较小的稳定气泡,将是我们以后研究的方向。 

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