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5079 引气混凝土
Air-entrainment Concrete

  摘 要:系统地研究了引气对混凝土力学性能、早期抗裂性能以及耐久性能的影响,这些耐久性包括抗冻性、 Cl — 侵入、盐结晶破坏、碳化等。研究结果表明:混凝土中适当引气可以改善混凝土的综合耐久性能。引气除了可以大幅度提高混凝土的抗冻性、改善混凝土的工作性外,在同等强度下,引气还可显著改善混凝土的抗渗性、抗 Cl — 渗透和抗碳化性能;通过引气还可显著改善混凝土的盐结晶、碱—集料反应引起的破坏;混凝土引气后韧性提高,早期抗裂性能也得到改善。

关键词:引气;混凝土;耐久性;抗冻性;抗渗性

  Abstract: The effects of air-entraining agents on mechanical properties, early cracking and durability of concrete were systematically studied; The durability includes freeze-thawing cycles, chlorine ion intrusion, sulfate erosion, carbonation, et al. Besides a dramatically improved freeze resistance and workability, the permeability of both water and C l - of air-entrained concrete were decreased distinctly, and carbonation resistance, sulfate erosion resistance and AAP resistance of air-entrained concrete were improved remarkably in comparison with those of ordinary concrete at equal 28d compressive strength. The comprehensive durability can be improved by air entrainment in comparison with the ordinary concrete.

Key words: air-entrainment; concrete; durability; freeze resistance; permeability

1 引气混凝土的应用情况
  
引气技术在混凝土工程中应用已有半个多世纪的历史,从 1938 年开始,引气剂就在美国公路中推广应用, 1942 年美国首先制定了引气混凝土的施工规范,美国材料试验学会 (ASTM) 也制定了相应的标准, 1948 年以后,引气剂和引气减水剂在美国公路、港口、桥梁等工程中广泛应用。在美国、日本及西欧一些发达国家,大部分混凝土都是引气的,日本把引气混凝土以外的混凝土视作特殊混凝土,可见其普及程度之大。多年来,我国混凝土结构一直按强度来设计,混凝土结构的耐久性没有引起足够的重视,致使大量混凝土结构没有达到设计年限而过早破坏,实践证明,掺加引气剂是提高混凝土耐久性的最有效手段之一,但除水工混凝土有关规程规定混凝土必须引气外,目前其他混凝土引气的非常少。
   我国引气剂的开发是从 20 世纪 50 年代开始的,首先研制了松香热聚物类引气剂,并在天津新港、梅山和佛子岭水库等工程中成功应用,并且后来在国内许多港口和水工工程中获得广泛的应用。但是直到 20 世纪 80 年代末,国内的公路、桥梁、隧道、机场路面等工程基本上还没有使用引气剂的案例,施工人员也基本没有混凝土需要引气的意识。 1996 为举办冬季亚运会修建的哈绥高等级公路,在使用 1 个冬季后,因撒除冰盐造成路面和路肩板出现大面积严重剥蚀破坏,引起了公路界的重视,开启了国内这一工程领域使用引气剂的先河, 1999 年竣工的黑龙江省哈同公路集佳路段采用了引气混凝土技术,成为我国按耐久性设计的第—条水泥混凝土高等级公路,此后,在桥梁工程和市政工程中得到成功应用,并制订了相关规范。目前,混凝土结构的耐久性研究方兴未艾,耐久性问题也已受到工程界的广泛重视,一些混凝土结构耐久性设计行业标准已开始实施,混凝土结构耐久性设计国家标准也即将颁布,在这些规范中对不同使用环境中的混凝土抗冻性的耐久性指数 (DF 值 ) 、含气量及硬化混凝土气泡间距系数作了明确的规定。

2 引气剂对新拌混凝土性能的影响
  
引气剂能显著改善新拌混凝土性能。引气剂引入的大量球形气泡,在混凝土拌合物中如同滚珠作用,以及大量气泡的存在增加了浆体体积、浆体黏度和屈服应力,因此其新拌混凝土的和易性、塑性和内聚性得到显著提高。离析和泌水现象显著降低。在原材料比例不变的条件下,引气可以提高混凝土的流动性,而在相同坍落度条件下,引气可以降低混凝土拌和用水量。图 1 显示了含气量对混凝土坍落度的影响,可以看到,随着含气量的增加,拌合物坍落度逐渐增大。
   事实上,引气对混凝土拌合物工作性的影响要远大于对坍落度的影响。随着施工技术和高层建筑的发展需要,混凝土的可泵性显得越来越重要,可泵性是混凝土工作性良好的—种特殊表现形式,因为引气增加了混凝土的内聚性和物料间的润滑作用,混凝土泵送时不会过度离析和泌水。因此引气可提高新拌混凝土的可泵性,引气剂已成为配制泵送剂和其他复合外加剂的重要组分。

图 1 含气量对新拌混凝土坍落度的影响

3 引气混凝土的力学性能
  
同水胶比条件下,硬化混凝土中含气量每增加 1 %,抗压强度降低 3 %~ 5 % ( 取决于引气剂质量,形成气泡的大小不同 ) 。但抗折强度不降低,折压比提高,也即韧性提高。实际使用时,保持坍落度不变,可降低水胶比,因此抗压强度降低较少。
   图 2 、 3 分别显示了含气量对折压比的影响及抗压强度与折压比的关系。从图 2 、 3 可看到,随含气量的增大,混凝土的折压比随之增大;在同水灰比下,混凝土的抗压强度与折压比基本呈线性关系,随抗压强度的增加,折压比呈递减趋势,在相同的抗压强度下,引气混凝土的折压比明显的高于非引气混凝土的折压比。

图 2 含气量对折压比的影响

图 3 强度与折压比

  图 4 显示了不同含气量的引气混凝土的单轴受压荷载—位移曲线,其中混凝土按 28d 等强度设计,强度控制在 40MPa 左右。不同试样之间,荷载—位移曲线的上升段差别不大,而下降段有明显差别。对于非引气混凝土 (SA-0) ,下降阶段曲线最陡,几乎呈直线下降,残余应变很小,出现明显的脆断现象;引气混凝土试样的应力 - 应变曲线的下降段有不同程度的变缓趋势,当含气量为 2.3 %和 5.2 %时,下降坡度趋缓,残余应变较非引气混凝土大得多,但当含气量达到 6.8 %时,下降段又变得较陡,出现了脆段现象。当混凝土所受荷载超过峰值应力时,由初始裂缝发展起来的可见裂缝产生,并不断被新的贯穿裂缝分割直至形成主要贯通裂缝。贯通裂缝形成过程中许多应力集中使得混凝土破坏速度加快,混凝土适量引气后,由于浆体中存在大量细小的气泡,有效减少了试件的应力集中,并增加了试件中裂纹扩展的曲折度,混凝土的韧性得到提高,可有效的缓解混凝土破坏过程中的脆断现象。

图 4 单轴抗压荷载 - 位移曲线

注: SA-0 为非引气混凝土; SA-1 、 SA-2 、 SA-3 为引气混凝土,含气量分别为 2.3 %、 5.2 %和 6.8 %。
   图 5 显示了同水灰比下,不同含气量混凝土 28d 的干燥收缩值。随含气量增加混凝土的干燥值呈现先减小后增加的趋势。从不引气到含气量升至 6.0 %左右时,混凝土的干燥收缩都呈减小趋势,但是当含气量超过 6.0 %以后,干燥收缩又随含气量增大而提高。

图 5 含气量对混凝土干燥收缩的影响

  一般认为,干燥收缩是由于水泥浆体中,毛细管失水产生的,干燥收缩的大小取决于毛细孔水分逸出量的多少和速度。 混凝土引入了大量的微小气泡后,可显著改善混凝土的工作性、提高拌合物内聚性、离析和泌水及沉降也明显减小,浆体和集料界面结构也得到改善,大量微小气泡堵塞了毛细孔通道,混凝土的抗渗性提高,使毛细孔中散失的水分速度降低,从而减小干燥收缩;但在同水灰比下,含气量过大后(> 7.0 % ) ,孔与孔隙相互连通,反而不利于抗渗性提高,造成毛细管中水分散失速度加快,干燥收缩增大,这与已有研究结果的规律是一致。

4 引气混凝土的抗冻和抗盐冻性能
  
图 6 、 7 分别显示了强度与 DF 值和含气量与 DF 值的关系。在相同含气量下,强度越高,抗冻性越好;但对不同含气量的引气混凝土,即使抗压强度相等, DF 值的差别也可以很大。对混凝土来讲,强度高,抗冻性未必好;强度低,抗冻性也未必差。混凝土引气后,即使在较低强度下也可以有较高的抗冻性。强度 ( 水胶比 ) 对混凝土抗冻性有重要影响,但其影响程度远不如含气量。
   引气剂也能明显改善混凝土的抗盐冻性能,见图 8 ,随着冻融循环次数的增加,不同含气量的混凝土抗盐冻性的差异更加明显,引气剂的作用也更加明显。一般情况下,随含气量增加,混凝土的气泡间距系数减小,引气剂产生的大量微小气泡截断了毛细管通道,使水分迁移更加困难,毛细管吸水平衡饱水度明显降低,对混凝土的抗盐冻性能有利。

图 6 强度与 DF 值的关系

图 7 含气量与 DF 值的关系

图 8 混凝土含气量对盐冻剥蚀的影响

5 引气混凝土的抗盐结晶破坏性能
  
在现场使用环境条件下,由于混凝土结构表面将遭受频繁的干湿循环作用,盐溶液将在混凝土内部不断析晶和富积,最终产生盐结晶压破坏。图 9 为干湿循环作用引起的盐结晶膨胀率。

图 9 干湿交替条件下混凝土吸盐后的膨胀率

  图 10 显示了引气对盐结晶产生的膨胀破坏的影响,可看到,在干湿循环的前期,引气混凝土与普通混凝土的膨胀率并没有显著差别,随着在硫酸盐溶液中的干湿循环,普通混凝土出现显著的膨胀,经 16 次干湿循环后,引气混凝土的膨胀率显著小于普通混凝土,在此后的干湿循环中普通混凝土的膨胀率呈直线上升趋势,出现大面积剥落而完全破坏,而引气混凝土的膨胀率增大较平缓,水泥浆体中均布的大量微小气泡起到了体积膨胀的“缓冲阀”的作用,尽管引气不能彻底解决硫酸盐结晶破坏问题,但可以有效的减小和延迟因硫酸盐结晶引起的破坏。

图 10 引气对中盐结晶产生的膨胀的影响

  图 11 显示了引气对硫酸盐结晶引起的剥蚀破坏的影响,可看到,在 10 % Na 2 SO 4 溶液中,随着干湿循环次数的增加,混凝土表面的剥落量逐渐增加,经 13 次循环后,普通混凝土的剥落量呈大幅上升趋势,至 18 次循环后已完全破坏,而引气混凝土由于微小气泡的缓冲作用显著的减小了盐结晶引起的膨胀压力,剥落量呈平缓上升趋势,其剥落量比普通混凝土试件要小得多,含气量 6.0 %引气混凝土的剥落量仅为普通混凝土的 43.9 %。

图 11 引气对硫酸盐结晶引起剥蚀破坏的影响

6 引气与碱—集料膨胀破坏
  
混凝土引气后,产生的大量均匀分布在水泥浆体结构中的微小气泡,可以缓冲或抵消水结冰体积膨胀造成的静水压力和冰水蒸汽压差和溶液中盐浓度差造成的渗透压,从而大幅度提高混凝土的抗冻性。混凝土的碱集料反应破坏,是由于集料的活性组分与碱组分发生反应导致混凝土膨胀开裂,这种膨胀是源于集料相对于基体的膨胀。尽管混凝土的冻融破坏和碱集料破坏机理不同,但在破坏形式上有一定的相似之处。朱蓓蓉研究了引气剂对降低碱集料反应引起的膨胀破坏的影响 , 试验方法参照 JGJ 53 — 1992 进行,图 12 、 13 分别显示了引气砂浆试件 AAR 膨胀率与龄期的关系及 AAR 膨胀率与含气量的关系。从图 12 可见,砂浆试件碱集料反应 (AAR) 的膨胀在 15d 之前较大,而随着龄期增长各组试件的膨胀率趋于稳定。从图 13 可看到引气剂对碱集料反应的化学膨胀抑止作用十分明显,随着含气量的增加,试件膨胀率显著降低,含气量分别为 2.0 %、 4.5 %和 8.0 %的试件 2.0m 的膨胀率比非引气混凝土分别降低 32 . 6 %、 57.0 %和 85.6 %。引气剂改善碱集料反应膨胀率的原因在于,引气剂产生的大量微小气泡均匀分布在水泥浆体结构中,这些微小空间可以作为体积膨胀的“缓冲阀”降低化学反应引起的混凝土破坏。

图 12 砂浆试件膨胀率与龄期的关系

图 13 砂浆试件膨胀率与含气量的关系

7 引气混凝土的抗渗性与抗氯离子渗透性能
  
图 14 为相同强度等级下,含气量对混凝土渗透性能的影响。可看到,在龄期为 28d 时,引气混凝土较普通混凝土的抗渗性有较大幅度的提高,且随着含气量的增大其渗透系数进一步降低,但趋于平缓;随着龄期增长引气混凝土的抗渗性能有所提高,但提高幅度并不大,在龄期为 90d 时,随着含气量增大,引气混凝土的渗透系数呈平缓下降趋势。混凝土中加入适量的引气剂后,显著改变了硬化浆体的毛细孔结构,形成了大量封闭孔,同时在水泥颗粒表面形成憎水膜,显著降低毛细孔的抽吸作用,有利于引气混凝土的抗渗性能的提高。图 15 显示了不同类型混凝土的强度与渗透系数的关系,可看到,与同强度普通混凝土相比,混凝土引气后,水渗透系数明显降低,尤其在中低强度 (25 ~ 45MPa) 时比较明显,引气混凝土的渗透系数为普通混凝土的 1/5 左右。

图 14 含气量对混凝土渗透性能的影响

图 15 混凝土的强度与渗透系数

  图 16 显示了 28d 等强度下,普通混凝土、引气混凝土、粉煤灰混凝土及粉煤灰引气混凝土等 4 种类型混凝土的 C1 渗透深度随时间的变化规律。
   从图 16 可以看到,尽管前 35d 这 4 种类型混凝土的 Cl — 渗透深度相差不多,但随时间延长,引气混凝土和粉煤灰引气混凝土的抗 Cl — 渗透性能显著提高, 90d 时,这两种混凝土的 Cl — 渗透深度分别是普通混凝土的 83 %和 65 %;而到 164d ,比值分别达到了 72 %和 48 %。

图 16 同强度等级下不同类型混凝土的抗氯离子渗透性能

8 引气混凝土的抗碳化性能
  
图 17 为 28d 等强度下,普通混凝土、引气混凝土、粉煤灰混凝土及粉煤灰引气混凝土等 4 种类型混凝土的碳化深度随时间的变化规律。

图 17 同强度等级下不同类型混凝土的抗碳化性能

  从图 17 中可以看到,混凝土引气后 ( 引气混凝土和粉煤灰引气混凝土 ) ,碳化深度低于普通混凝土的碳化深度且随着时间增长这种趋势更加明显,碳化至 125d 时,引气混凝土和粉煤灰引气混凝土的碳化深度仅为普通混凝土的 50 %左右,而引气混凝土和粉煤灰引气混凝土在同强度等级下的碳化深度差别不大,后者比前者略高—点。,

9 引气对水泥浆体早期开裂性能的影响
  
表 1 列出了不同水灰比及引气剂掺量下水泥浆体初始开裂时间和裂缝宽度。

表 1 引气水泥浆体早期抗裂性能

编号

水灰比

SJ-2 引气剂 /%

初始开裂时间 /h

9h 裂缝宽度 / ㎜

P1-0

P1-1

P1-2

P2-0

P2-1

P2-2

P3-0

P3-1

P3-2

0.25

0.25

0.25

0.30

0.30

0.30

0.35

0.35

0.35

0

0.01

0.03

0

0.01

0.03

0

0.01

0.03

2.17

2.67

6.17

2.33

2.83

2.75

3.16

0.35

0.13

0.02

0.40

0.16

0.50

0.35

  由表 1 中可以看出,在水灰比相同的情况下,掺引气剂可以使水泥浆体初始开裂时间延长,同时还可以降低净浆早期裂缝的宽度,且随着引气剂掺量的增加效果越明显。当引气剂掺量大时,水泥浆体甚至不出现开裂,如 P2-2 和 P3-2 试样。掺引气剂不仅降低了水泥浆体早期开裂的敏感性,而且有助于抑制浆体早期裂纹的发展,即引气可以明显地提高水泥浆体的早期抗裂性。

10 结论
  
混凝土中引气除了可大幅度提高混凝土的抗冻性、改善混凝土的工作性外,在同等强度下,引气还可显著改善混凝土的抗渗性、抗氯离子渗透和抗碳化性能;通过引气还可显著改善混凝土的盐结晶、碱 - 集料反应引起的破坏;混凝土引气后韧性提高,早期抗裂性能也得到改善。因而适当引气可以改善混凝土的综合耐久性能,通过引气技术提高混凝土耐久性是一种经济、合理且有效的方法。



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