摘要:試驗(yàn)采用3～4 種水利水電工程常用的引氣劑,配制水膠比為0.40、0.45 和0.55 的混凝土,檢測高頻振搗對混凝土含氣量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,混凝土的含氣量受高頻振搗的影響較大。水膠比相同時,含氣量損失率基本上隨著高頻振搗時間的延長而增加;高頻振搗時間相同時,含氣量損失率隨著水灰比的增加而增加。凍融試驗(yàn)的初步結(jié)果表明,水膠比為0.40 時,隨著高頻振搗時間的延長,抗凍性差異不大,但也受引氣劑品種的影響。本文的試驗(yàn)結(jié)果對工程施工人員正確認(rèn)識高頻振搗對引氣混凝土性能的影響有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞:高頻振搗;引氣;含氣量損失;抗凍
中圖分類號:TV42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
引氣是提高混凝土抗凍性的有效方法。影響引氣混凝土含氣量的因素很多,如引氣劑的種類和摻量、混凝土原材料與配合比、拌合條件、振搗方法與振搗時間以及施工條件等[1 ,2 ] 。在水利水電工程施工中,高頻內(nèi)部振搗對于大體積混凝土,尤其是坍落度較小的塑性混凝土和鋼筋布置較密集的混凝土的澆筑和密實(shí)成型帶來了很多便利。然而,已有的資料表明,高頻內(nèi)部振搗會對引氣混凝土的含氣量、氣泡體系和抗凍耐久性造成不利影響[3 ] ,有的文獻(xiàn)中規(guī)定,引氣混凝土的高頻振搗時間不超過20s[4 ] 。有的資料認(rèn)為,使用高頻振動器時,振搗時間一般在20～30s ,且不應(yīng)少于10s[5 ] 。高頻振搗對引氣混凝土的含氣量和抗凍性的影響究竟有多大,在混凝土施工過程中如何控制混凝土的高頻振搗時間以保證混凝土的抗凍耐久性,不同引氣劑配制的抗凍混凝土的性能受高頻振搗的影響是否存在差異等,這些問題都值得進(jìn)一步研究。針對上述問題,作者進(jìn)行了一系列試驗(yàn),該項(xiàng)試驗(yàn)研究的初步結(jié)果如下。
1 試驗(yàn)方案與原材料
1.1 試驗(yàn)方案
本試驗(yàn)采用4 種水利水電工程常用的混凝土引氣劑,分別配制水膠比為0.40 、0.45 和0.55 的二級配混凝土,混凝土的配合比如表1 所示。在試驗(yàn)中混凝土的坍落度控制在3～5cm ,引氣劑的摻量根據(jù)要求的含氣量進(jìn)行調(diào)整,出機(jī)含氣量控制在4.5 %～5.5 %。在拌合完成后測試混凝土的初始含氣量和容重,然后將混凝土裝入容器中,采用頻率為10 000 次/ min 以上的高頻振搗棒對混凝土進(jìn)行振搗,振搗時間分別為15 、30 、45 、60 和90s。高頻振搗完畢后,測試含氣量和容重,并用30cm 的方孔篩進(jìn)行濕篩,成型100mm ×100mm ×400mm的棱柱體進(jìn)行凍融試驗(yàn)?；鶞?zhǔn)混凝土采用振動臺振動成型,高頻振搗時間記為0s?；炷羶鋈谠囼?yàn)采用DL/ T 5150-2001 中規(guī)定的快速凍融法進(jìn)行。
1.2 混凝土原材料
試驗(yàn)采用42.5 號中熱硅酸鹽水泥,符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB200-2003 ;粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰,符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 1596-91 ;細(xì)骨料采用天然砂,砂的細(xì)度模數(shù)為2.33 ,飽和面干密度為2.62gPcm3 ,飽和面干吸水率為1.15 %;粗骨料為人工碎石,采用二級配骨料,骨料粒徑為小石5～20mm、中石20～40mm ,小石與中石的比例為1∶1 ;試驗(yàn)采用1# 、2 # 、3 # 和4 # 共4 種引氣劑,這4 種引氣劑均滿足DL/ T5100-1999《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)范》的要求。減水劑為符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB8076-1997《混凝土外加劑》的一等品萘系高效減水劑。
2 混凝土成型工藝原理及氣泡的形成與穩(wěn)定
2.1 混凝土振動密實(shí)成型工藝原理
混凝土拌合物的振動成型在攪拌后不久進(jìn)行,此時水泥的水化反應(yīng)尚處于初期,生成的凝膠還不多,拌合物內(nèi)部粗細(xì)不勻的固體顆粒堆積在一起,在靜止?fàn)顟B(tài)下,如加以振動,拌合物開始流動,其原因是[6 ] : (1) 水泥膠體顆粒的觸變作用———吸附于膠體粒子表面的弱結(jié)合水,當(dāng)受到外力的干擾(如振動作用、攪拌作用) 時,會發(fā)生解吸附而變成自由水,使拌合物呈現(xiàn)塑性性質(zhì),即觸變作用,使膠體由凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z; (2) 微管壓力所產(chǎn)生的顆粒間黏結(jié)力的破壞———拌合物中存在的大量聯(lián)通的微小孔隙組成錯綜復(fù)雜的微小通道,在孔隙水和空氣的分界面上存在表面張力,使粒子互相靠近,形成一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在振動作用下,顆粒的接觸點(diǎn)松開,破壞了微小通道,釋放出部分自由水,從而破壞了顆粒間的黏結(jié)力,使拌合物易于流動; (3) 顆粒間機(jī)械嚙合力的破壞———由于拌合物中顆粒粒子的直接接觸,其機(jī)械嚙合力極大,內(nèi)阻大大加強(qiáng)。在振動的作用下,顆粒的接觸點(diǎn)互相松開,從而大大降低了內(nèi)阻,使拌合物易于流動。
振動作用實(shí)質(zhì)上是使拌合物的內(nèi)阻大大降低,釋放出部分?jǐn)U散層水及自由水,從而使拌合物部分或全部液化。在振動液化過程中,固相顆粒由于拌合物結(jié)構(gòu)黏度的下降和重力作用,紛紛趨于最適宜的穩(wěn)定位置,其中水泥砂漿填實(shí)于石子顆粒的空隙中,而水泥凈漿則填充于砂子顆粒的空隙中,并由于比密度的不同,使攪拌過程中夾帶入拌合物中的大部分空氣排出,使原來的堆聚結(jié)構(gòu)大大密實(shí)。
2.2混凝土拌合物氣泡的形成與穩(wěn)定
在混凝土中通過摻加引氣劑引入氣泡可以看作是骨料2水泥2水體系中空氣的乳化,或者是在液相中氣泡的形成、在固相或液- 固相網(wǎng)絡(luò)中氣泡的穩(wěn)定。各種引氣劑的作用是使所產(chǎn)生的氣泡穩(wěn)定,在攪拌過程中有兩種明顯的作用[1 ,5 ] 。第一種作用是通過渦流運(yùn)動(如攪拌液體) 包裹氣泡,空氣被吸入渦流,然后由于剪切作用破裂成更小的氣泡。第二種作用與骨料有關(guān),它起到所謂的三維幕的作用。在攪拌過程中,物料相互之間逐級下落,在粒狀物料網(wǎng)狀系統(tǒng)中引入和保持氣泡,骨料起了不可否認(rèn)的作用。
新拌混凝土中的氣泡本質(zhì)上是不穩(wěn)定的。分散的氣泡和周圍水泥砂漿基體之間的界面存在自由能,而熱力學(xué)的趨勢是使界面自由能降低,因此所有的氣泡都有壽命(存在時間) 。氣泡的破裂有三個基本的物理機(jī)理[1 ,7 ] 。第一種機(jī)理為氣體擴(kuò)散,是由于液膜的曲率不同導(dǎo)致氣泡內(nèi)氣壓不同而引起的。薄膜排水和最終破裂的第二個主要原因是由于毛細(xì)流動而引起的氣泡聚并會導(dǎo)致相鄰氣泡間的薄液層的破壞。第三個機(jī)理是由于重力導(dǎo)致的流體力學(xué)排水,這通常是最快的,而且如果泡沫特別不穩(wěn)定,則泡沫破裂的這個原因就比其他原因顯得重要。
振動搗實(shí)對氣泡的影響可用第二種機(jī)理來解釋,即振動搗實(shí)迫使氣泡相互接觸,從而形成較大的氣泡。由于重力的作用液體也將從液膜流走,結(jié)果液膜將變得越來越薄直到達(dá)到臨界的厚度,這時候體系不能再承受壓力,隨即發(fā)生破裂。
3 試驗(yàn)結(jié)果及討論
3.1 高頻振搗對混凝土含氣量的影響
高頻振搗對混凝土含氣量的影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖6 所示。圖中分別對水膠比相同而引氣劑不同的混凝土含氣量損失率以及引氣劑相同而水灰比不同的混凝土含氣量損失率進(jìn)行了比較。
由圖1～圖6 可以看出,對于初始含氣量基本相同的混凝土,其含氣量損失率基本上隨著高頻振搗時間的延長而增加。例如,水膠比0.40 時,振搗時間從15s 增加到90s ,摻1# 引氣劑的混凝土含氣量損失率從35.7 %增加到52.6 % ,摻2# 引氣劑的混凝土含氣量損失率從40.4 %增加到52.7 %。這與李文偉等人[8 ] 關(guān)于振搗時間及方式對混凝土抗凍性影響的規(guī)律基本上是相符的,陳建奎[2 ] 也有相同的結(jié)論,即振動時間越長,含氣量減少越多。
水膠比不同時,對于初始含氣量基本相同的同種引氣劑混凝土,其含氣量損失率基本上隨著水膠比的增加而增加。例如,摻1 # 引氣劑的混凝土振15s ,水膠比為0.40 和0.45 時,含氣量損失率分別為35.7 %和49.1 %;摻3 # 引氣劑的混凝土振15s ,水膠比為0.40 和0.45 時的含氣量損失分別為16.3 %和23.9 %。水灰比為0.55 的3 種引氣劑混凝土在經(jīng)歷90s 高頻振搗后的含氣量損失率都達(dá)到了50 %～60 %之間。這是由于水灰比增加,混凝土的黏性下降,使氣泡在振搗時更易從混凝土內(nèi)部逸出。
試驗(yàn)結(jié)果還表明,高頻振搗后引氣混凝土含氣量的損失率大小還與混凝土的放置時間有關(guān)。水灰比為0.40 、摻3# 引氣劑的混凝土一次拌合完成,然后直接進(jìn)行試驗(yàn),而摻1# 、2 # 和4 # 引氣劑的混凝土分兩盤拌合,第一盤拌合物在試驗(yàn)之前放置了5～10min。由圖1 可以看出,在初始含氣量接近時,經(jīng)15s和30s 的高頻振搗,3 # 引氣劑混凝土的含氣量損失率都小于另外3 種引氣劑混凝土的含氣量損失率。
原因在于摻1 # 、2 # 和4 # 引氣劑的混凝土在放置過程中,一部分氣泡逸出,從而使混凝土的含氣量損失率增加。因此,在實(shí)際施工過程中,應(yīng)注意控制引氣混凝土的運(yùn)輸和放置時間,以確保引氣的有效性。
高頻振搗45s 及45s 以上時,3 # 引氣劑混凝土的含氣量損失率與另外3 種引氣劑混凝土的含氣量損失率差別不大。
另外,經(jīng)長時間振搗后混凝土的含氣量損失率與引氣劑品種的相關(guān)性不顯著,即在水膠比相同、初始含氣量接近、摻不同引氣劑的混凝土經(jīng)45s 以上高頻振搗,含氣量損失率差別不大。混凝土含氣量損失率與混凝土的初始含氣量有一定的關(guān)系,在其它條件相同時,初始含氣量較大的混凝土經(jīng)高頻振搗的含氣量損失率也較大。
總之,高頻振搗對混凝土含氣量的影響試驗(yàn)結(jié)果說明: (1) 混凝土的含氣量損失率基本上隨著高頻振搗時間的延長而增加; (2) 高頻振搗時間相同時,混凝土的含氣量損失率基本上隨著水膠比的增加而增加; (3) 高頻振搗時間相同時,含氣量損失率的大小與混凝土的出機(jī)含氣量有關(guān),出機(jī)含氣量越大,混凝土的含氣量損失率也越大; (4) 混凝土在拌合后如果放置5～10min ,則含氣量損失率會增加。
3.2 高頻振搗對混凝土抗凍性的影響
試驗(yàn)采用1 # 、2 # 、3 # 和4 # 引氣劑,配制水膠比為0.40 的引氣混凝土,在高頻振搗后成型100mm ×100mm ×400mm 的試件,進(jìn)行了混凝土的凍融試驗(yàn)。經(jīng)300 次凍融循環(huán)后的混凝土的相對動彈性模量試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。
由圖7 可以看出,1 # 、2 # 和3 # 引氣劑混凝土的含氣量損失率雖然隨著高頻振搗時間的延長而增加,但300 次凍融循環(huán)后,相對動彈性模量均在75 %～90 %左右,均可以滿足F300 抗凍等級的要求,具有良好的抗凍性能,而且隨著高頻振搗時間由15s 延長至90s ,并未出現(xiàn)混凝土抗凍性能逐漸下降的趨勢,說明水膠比為0.40 的引氣混凝土對90s 以內(nèi)的高頻振搗并不敏感。1# 引氣劑混凝土經(jīng)高頻振搗的抗凍性略優(yōu)于其它引氣劑混凝土,2# 和3 # 引氣劑混凝土的抗凍性相當(dāng)。4# 引氣劑混凝土的抗凍性較差,經(jīng)90s 高頻振搗的混凝土在300 次凍融循環(huán)后,相對動彈性模量只有40 % ,只能達(dá)到F200 抗凍等級。因此,不同引氣劑混凝土的抗凍性受高頻振搗的影響不同,這與引氣劑的品質(zhì)有關(guān)。
由此可以得出,水膠比為0.40 時,只要采用品質(zhì)良好的混凝土引氣劑(如1# 、2 # 和3 # 引氣劑) ,并將新拌混凝土的出機(jī)含氣量控制在4.5 %～5.5 %、高頻振搗時間控制在90s 以內(nèi),混凝土的含氣量雖然在經(jīng)歷高頻振搗后有所損失,混凝土受高頻振搗的影響并不明顯,仍具有良好的抗凍性能。若引氣劑的品質(zhì)較差(如4 # 引氣劑) ,則即使混凝土具有較低的水灰比,高頻振搗時間過長,混凝土抗凍性仍可能得不到有力的保證。因此,在工程施工中,應(yīng)注意引氣劑的品質(zhì)以保證混凝土的抗凍性能。
4 結(jié)論
(1) 水膠比相同的混凝土的含氣量損失率隨高頻振搗時間的延長而增加;高頻振搗時間相同的混凝土的含氣量損失率隨水膠比的增大而增加;含氣量損失率的大小與混凝土的出機(jī)含氣量有關(guān),出機(jī)含氣量越高,混凝土的含氣量損失率越大;引氣劑不同、水灰比和振搗時間相同時,振搗時間較長的混凝土的含氣量損失率差別不顯著;混凝土在拌合后的放置時間對含氣量損失有較大的影響,放置時間長的混凝土經(jīng)高頻振搗的含氣量損失率大; (2) 水膠比為0.40 、采用優(yōu)質(zhì)引氣劑的混凝土抗凍性對高頻振搗時間的長短并不敏感,高頻振搗時間增加時混凝土的抗凍性與基準(zhǔn)混凝土的抗凍性相比,差異不大,變化規(guī)律也不明顯。引氣劑的品質(zhì)不同,混凝土抗凍性受高頻振搗的影響不同; (3) 為了保證工程混凝土的抗凍性,在施工中應(yīng)合理確定混凝土的高頻振搗時間,避免混凝土在澆注現(xiàn)場停放時間過長,并選擇合適的混凝土引氣劑; (4) 水膠比為0.45 和0.55 時,高頻振搗對混凝土抗凍性能的影響有必要進(jìn)一步開展試驗(yàn)研究。
參 考 文 獻(xiàn):
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