引氣混凝土

關(guān)鍵詞：引氣；混凝土；耐久性；抗凍性；抗?jié)B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 引氣混凝土的應(yīng)用情況
　　 引氣技術(shù)在混凝土工程中應(yīng)用已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史，從 1938 年開始，引氣劑就在美國公路中推廣應(yīng)用， 1942 年美國首先制定了引氣混凝土的施工規(guī)范，美國材料試驗(yàn)學(xué)會 (ASTM) 也制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)， 1948 年以后，引氣劑和引氣減水劑在美國公路、港口、橋梁等工程中廣泛應(yīng)用。在美國、日本及西歐一些發(fā)達(dá)國家，大部分混凝土都是引氣的，日本把引氣混凝土以外的混凝土視作特殊混凝土，可見其普及程度之大。多年來，我國混凝土結(jié)構(gòu)一直按強(qiáng)度來設(shè)計(jì)，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性沒有引起足夠的重視，致使大量混凝土結(jié)構(gòu)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)年限而過早破壞，實(shí)踐證明，摻加引氣劑是提高混凝土耐久性的最有效手段之一，但除水工混凝土有關(guān)規(guī)程規(guī)定混凝土必須引氣外，目前其他混凝土引氣的非常少。
　　 我國引氣劑的開發(fā)是從 20 世紀(jì) 50 年代開始的，首先研制了松香熱聚物類引氣劑，并在天津新港、梅山和佛子嶺水庫等工程中成功應(yīng)用，并且后來在國內(nèi)許多港口和水工工程中獲得廣泛的應(yīng)用。但是直到 20 世紀(jì) 80 年代末，國內(nèi)的公路、橋梁、隧道、機(jī)場路面等工程基本上還沒有使用引氣劑的案例，施工人員也基本沒有混凝土需要引氣的意識。 1996 為舉辦冬季亞運(yùn)會修建的哈綏高等級公路，在使用 1 個(gè)冬季后，因撒除冰鹽造成路面和路肩板出現(xiàn)大面積嚴(yán)重剝蝕破壞，引起了公路界的重視，開啟了國內(nèi)這一工程領(lǐng)域使用引氣劑的先河， 1999 年竣工的黑龍江省哈同公路集佳路段采用了引氣混凝土技術(shù)，成為我國按耐久性設(shè)計(jì)的第—條水泥混凝土高等級公路，此后，在橋梁工程和市政工程中得到成功應(yīng)用，并制訂了相關(guān)規(guī)范。目前，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究方興未艾，耐久性問題也已受到工程界的廣泛重視，一些混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已開始實(shí)施，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)國家標(biāo)準(zhǔn)也即將頒布，在這些規(guī)范中對不同使用環(huán)境中的混凝土抗凍性的耐久性指數(shù) (DF 值 ) 、含氣量及硬化混凝土氣泡間距系數(shù)作了明確的規(guī)定。

2 引氣劑對新拌混凝土性能的影響
　　 引氣劑能顯著改善新拌混凝土性能。引氣劑引入的大量球形氣泡，在混凝土拌合物中如同滾珠作用，以及大量氣泡的存在增加了漿體體積、漿體黏度和屈服應(yīng)力，因此其新拌混凝土的和易性、塑性和內(nèi)聚性得到顯著提高。離析和泌水現(xiàn)象顯著降低。在原材料比例不變的條件下，引氣可以提高混凝土的流動性，而在相同坍落度條件下，引氣可以降低混凝土拌和用水量。圖 1 顯示了含氣量對混凝土坍落度的影響，可以看到，隨著含氣量的增加，拌合物坍落度逐漸增大。
　　 事實(shí)上，引氣對混凝土拌合物工作性的影響要遠(yuǎn)大于對坍落度的影響。隨著施工技術(shù)和高層建筑的發(fā)展需要，混凝土的可泵性顯得越來越重要，可泵性是混凝土工作性良好的—種特殊表現(xiàn)形式，因?yàn)橐龤庠黾恿嘶炷恋膬?nèi)聚性和物料間的潤滑作用，混凝土泵送時(shí)不會過度離析和泌水。因此引氣可提高新拌混凝土的可泵性，引氣劑已成為配制泵送劑和其他復(fù)合外加劑的重要組分。

圖 1 含氣量對新拌混凝土坍落度的影響

3 引氣混凝土的力學(xué)性能
　　 同水膠比條件下，硬化混凝土中含氣量每增加 1 ％，抗壓強(qiáng)度降低 3 ％～ 5 ％ ( 取決于引氣劑質(zhì)量，形成氣泡的大小不同 ) 。但抗折強(qiáng)度不降低，折壓比提高，也即韌性提高。實(shí)際使用時(shí)，保持坍落度不變，可降低水膠比，因此抗壓強(qiáng)度降低較少。
　　 圖 2 、 3 分別顯示了含氣量對折壓比的影響及抗壓強(qiáng)度與折壓比的關(guān)系。從圖 2 、 3 可看到，隨含氣量的增大，混凝土的折壓比隨之增大；在同水灰比下，混凝土的抗壓強(qiáng)度與折壓比基本呈線性關(guān)系，隨抗壓強(qiáng)度的增加，折壓比呈遞減趨勢，在相同的抗壓強(qiáng)度下，引氣混凝土的折壓比明顯的高于非引氣混凝土的折壓比。

圖 2 含氣量對折壓比的影響

圖 3 強(qiáng)度與折壓比

　　圖 4 顯示了不同含氣量的引氣混凝土的單軸受壓荷載—位移曲線，其中混凝土按 28d 等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，強(qiáng)度控制在 40MPa 左右。不同試樣之間，荷載—位移曲線的上升段差別不大，而下降段有明顯差別。對于非引氣混凝土 (SA-0) ，下降階段曲線最陡，幾乎呈直線下降，殘余應(yīng)變很小，出現(xiàn)明顯的脆斷現(xiàn)象；引氣混凝土試樣的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線的下降段有不同程度的變緩趨勢，當(dāng)含氣量為 2.3 ％和 5.2 ％時(shí)，下降坡度趨緩，殘余應(yīng)變較非引氣混凝土大得多，但當(dāng)含氣量達(dá)到 6.8 ％時(shí)，下降段又變得較陡，出現(xiàn)了脆段現(xiàn)象。當(dāng)混凝土所受荷載超過峰值應(yīng)力時(shí)，由初始裂縫發(fā)展起來的可見裂縫產(chǎn)生，并不斷被新的貫穿裂縫分割直至形成主要貫通裂縫。貫通裂縫形成過程中許多應(yīng)力集中使得混凝土破壞速度加快，混凝土適量引氣后，由于漿體中存在大量細(xì)小的氣泡，有效減少了試件的應(yīng)力集中，并增加了試件中裂紋擴(kuò)展的曲折度，混凝土的韌性得到提高，可有效的緩解混凝土破壞過程中的脆斷現(xiàn)象。

圖 4 單軸抗壓荷載 - 位移曲線

注： SA-0 為非引氣混凝土； SA-1 、 SA-2 、 SA-3 為引氣混凝土，含氣量分別為 2.3 ％、 5.2 ％和 6.8 ％。
　　 圖 5 顯示了同水灰比下，不同含氣量混凝土 28d 的干燥收縮值。隨含氣量增加混凝土的干燥值呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。從不引氣到含氣量升至 6.0 ％左右時(shí)，混凝土的干燥收縮都呈減小趨勢，但是當(dāng)含氣量超過 6.0 ％以后，干燥收縮又隨含氣量增大而提高。

圖 5 含氣量對混凝土干燥收縮的影響

　　一般認(rèn)為，干燥收縮是由于水泥漿體中，毛細(xì)管失水產(chǎn)生的，干燥收縮的大小取決于毛細(xì)孔水分逸出量的多少和速度。 混凝土引入了大量的微小氣泡后，可顯著改善混凝土的工作性、提高拌合物內(nèi)聚性、離析和泌水及沉降也明顯減小，漿體和集料界面結(jié)構(gòu)也得到改善，大量微小氣泡堵塞了毛細(xì)孔通道，混凝土的抗?jié)B性提高，使毛細(xì)孔中散失的水分速度降低，從而減小干燥收縮；但在同水灰比下，含氣量過大后（＞ 7.0 ％ ) ，孔與孔隙相互連通，反而不利于抗?jié)B性提高，造成毛細(xì)管中水分散失速度加快，干燥收縮增大，這與已有研究結(jié)果的規(guī)律是一致。

4 引氣混凝土的抗凍和抗鹽凍性能
　　 圖 6 、 7 分別顯示了強(qiáng)度與 DF 值和含氣量與 DF 值的關(guān)系。在相同含氣量下，強(qiáng)度越高，抗凍性越好；但對不同含氣量的引氣混凝土，即使抗壓強(qiáng)度相等， DF 值的差別也可以很大。對混凝土來講，強(qiáng)度高，抗凍性未必好；強(qiáng)度低，抗凍性也未必差。混凝土引氣后，即使在較低強(qiáng)度下也可以有較高的抗凍性。強(qiáng)度 ( 水膠比 ) 對混凝土抗凍性有重要影響，但其影響程度遠(yuǎn)不如含氣量。
　　 引氣劑也能明顯改善混凝土的抗鹽凍性能，見圖 8 ，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同含氣量的混凝土抗鹽凍性的差異更加明顯，引氣劑的作用也更加明顯。一般情況下，隨含氣量增加，混凝土的氣泡間距系數(shù)減小，引氣劑產(chǎn)生的大量微小氣泡截?cái)嗔嗣?xì)管通道，使水分遷移更加困難，毛細(xì)管吸水平衡飽水度明顯降低，對混凝土的抗鹽凍性能有利。

圖 6 強(qiáng)度與 DF 值的關(guān)系

圖 7 含氣量與 DF 值的關(guān)系

圖 8 混凝土含氣量對鹽凍剝蝕的影響

5 引氣混凝土的抗鹽結(jié)晶破壞性能
　　 在現(xiàn)場使用環(huán)境條件下，由于混凝土結(jié)構(gòu)表面將遭受頻繁的干濕循環(huán)作用，鹽溶液將在混凝土內(nèi)部不斷析晶和富積，最終產(chǎn)生鹽結(jié)晶壓破壞。圖 9 為干濕循環(huán)作用引起的鹽結(jié)晶膨脹率。

圖 9 干濕交替條件下混凝土吸鹽后的膨脹率

　　圖 10 顯示了引氣對鹽結(jié)晶產(chǎn)生的膨脹破壞的影響，可看到，在干濕循環(huán)的前期，引氣混凝土與普通混凝土的膨脹率并沒有顯著差別，隨著在硫酸鹽溶液中的干濕循環(huán)，普通混凝土出現(xiàn)顯著的膨脹，經(jīng) 16 次干濕循環(huán)后，引氣混凝土的膨脹率顯著小于普通混凝土，在此后的干濕循環(huán)中普通混凝土的膨脹率呈直線上升趨勢，出現(xiàn)大面積剝落而完全破壞，而引氣混凝土的膨脹率增大較平緩，水泥漿體中均布的大量微小氣泡起到了體積膨脹的“緩沖閥”的作用，盡管引氣不能徹底解決硫酸鹽結(jié)晶破壞問題，但可以有效的減小和延遲因硫酸鹽結(jié)晶引起的破壞。

圖 10 引氣對中鹽結(jié)晶產(chǎn)生的膨脹的影響

　　圖 11 顯示了引氣對硫酸鹽結(jié)晶引起的剝蝕破壞的影響，可看到，在 10 ％ Na 2 SO 4 溶液中，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土表面的剝落量逐漸增加，經(jīng) 13 次循環(huán)后，普通混凝土的剝落量呈大幅上升趨勢，至 18 次循環(huán)后已完全破壞，而引氣混凝土由于微小氣泡的緩沖作用顯著的減小了鹽結(jié)晶引起的膨脹壓力，剝落量呈平緩上升趨勢，其剝落量比普通混凝土試件要小得多，含氣量 6.0 ％引氣混凝土的剝落量僅為普通混凝土的 43.9 ％。

圖 11 引氣對硫酸鹽結(jié)晶引起剝蝕破壞的影響

6 引氣與堿—集料膨脹破壞
　　 混凝土引氣后，產(chǎn)生的大量均勻分布在水泥漿體結(jié)構(gòu)中的微小氣泡，可以緩沖或抵消水結(jié)冰體積膨脹造成的靜水壓力和冰水蒸汽壓差和溶液中鹽濃度差造成的滲透壓，從而大幅度提高混凝土的抗凍性。混凝土的堿集料反應(yīng)破壞，是由于集料的活性組分與堿組分發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致混凝土膨脹開裂，這種膨脹是源于集料相對于基體的膨脹。盡管混凝土的凍融破壞和堿集料破壞機(jī)理不同，但在破壞形式上有一定的相似之處。朱蓓蓉研究了引氣劑對降低堿集料反應(yīng)引起的膨脹破壞的影響 , 試驗(yàn)方法參照 JGJ 53 — 1992 進(jìn)行，圖 12 、 13 分別顯示了引氣砂漿試件 AAR 膨脹率與齡期的關(guān)系及 AAR 膨脹率與含氣量的關(guān)系。從圖 12 可見，砂漿試件堿集料反應(yīng) (AAR) 的膨脹在 15d 之前較大，而隨著齡期增長各組試件的膨脹率趨于穩(wěn)定。從圖 13 可看到引氣劑對堿集料反應(yīng)的化學(xué)膨脹抑止作用十分明顯，隨著含氣量的增加，試件膨脹率顯著降低，含氣量分別為 2.0 ％、 4.5 ％和 8.0 ％的試件 2.0m 的膨脹率比非引氣混凝土分別降低 32 ． 6 ％、 57.0 ％和 85.6 ％。引氣劑改善堿集料反應(yīng)膨脹率的原因在于，引氣劑產(chǎn)生的大量微小氣泡均勻分布在水泥漿體結(jié)構(gòu)中，這些微小空間可以作為體積膨脹的“緩沖閥”降低化學(xué)反應(yīng)引起的混凝土破壞。

圖 12 砂漿試件膨脹率與齡期的關(guān)系

圖 13 砂漿試件膨脹率與含氣量的關(guān)系

7 引氣混凝土的抗?jié)B性與抗氯離子滲透性能
　　 圖 14 為相同強(qiáng)度等級下，含氣量對混凝土滲透性能的影響?？煽吹?，在齡期為 28d 時(shí)，引氣混凝土較普通混凝土的抗?jié)B性有較大幅度的提高，且隨著含氣量的增大其滲透系數(shù)進(jìn)一步降低，但趨于平緩；隨著齡期增長引氣混凝土的抗?jié)B性能有所提高，但提高幅度并不大，在齡期為 90d 時(shí)，隨著含氣量增大，引氣混凝土的滲透系數(shù)呈平緩下降趨勢?；炷林屑尤脒m量的引氣劑后，顯著改變了硬化漿體的毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)，形成了大量封閉孔，同時(shí)在水泥顆粒表面形成憎水膜，顯著降低毛細(xì)孔的抽吸作用，有利于引氣混凝土的抗?jié)B性能的提高。圖 15 顯示了不同類型混凝土的強(qiáng)度與滲透系數(shù)的關(guān)系，可看到，與同強(qiáng)度普通混凝土相比，混凝土引氣后，水滲透系數(shù)明顯降低，尤其在中低強(qiáng)度 (25 ～ 45MPa) 時(shí)比較明顯，引氣混凝土的滲透系數(shù)為普通混凝土的 1/5 左右。

圖 14 含氣量對混凝土滲透性能的影響

圖 15 混凝土的強(qiáng)度與滲透系數(shù)

　　圖 16 顯示了 28d 等強(qiáng)度下，普通混凝土、引氣混凝土、粉煤灰混凝土及粉煤灰引氣混凝土等 4 種類型混凝土的 C1 滲透深度隨時(shí)間的變化規(guī)律。
　　 從圖 16 可以看到，盡管前 35d 這 4 種類型混凝土的 Cl — 滲透深度相差不多，但隨時(shí)間延長，引氣混凝土和粉煤灰引氣混凝土的抗 Cl — 滲透性能顯著提高， 90d 時(shí)，這兩種混凝土的 Cl — 滲透深度分別是普通混凝土的 83 ％和 65 ％；而到 164d ，比值分別達(dá)到了 72 ％和 48 ％。

圖 16 同強(qiáng)度等級下不同類型混凝土的抗氯離子滲透性能

8 引氣混凝土的抗碳化性能
　　 圖 17 為 28d 等強(qiáng)度下，普通混凝土、引氣混凝土、粉煤灰混凝土及粉煤灰引氣混凝土等 4 種類型混凝土的碳化深度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖 17 同強(qiáng)度等級下不同類型混凝土的抗碳化性能

　　從圖 17 中可以看到，混凝土引氣后 ( 引氣混凝土和粉煤灰引氣混凝土 ) ，碳化深度低于普通混凝土的碳化深度且隨著時(shí)間增長這種趨勢更加明顯，碳化至 125d 時(shí)，引氣混凝土和粉煤灰引氣混凝土的碳化深度僅為普通混凝土的 50 ％左右，而引氣混凝土和粉煤灰引氣混凝土在同強(qiáng)度等級下的碳化深度差別不大，后者比前者略高—點(diǎn)。，

9 引氣對水泥漿體早期開裂性能的影響
　　 表 1 列出了不同水灰比及引氣劑摻量下水泥漿體初始開裂時(shí)間和裂縫寬度。

表 1 引氣水泥漿體早期抗裂性能

　　由表 1 中可以看出，在水灰比相同的情況下，摻引氣劑可以使水泥漿體初始開裂時(shí)間延長，同時(shí)還可以降低凈漿早期裂縫的寬度，且隨著引氣劑摻量的增加效果越明顯。當(dāng)引氣劑摻量大時(shí)，水泥漿體甚至不出現(xiàn)開裂，如 P2-2 和 P3-2 試樣。摻引氣劑不僅降低了水泥漿體早期開裂的敏感性，而且有助于抑制漿體早期裂紋的發(fā)展，即引氣可以明顯地提高水泥漿體的早期抗裂性。

10 結(jié)論
　　 混凝土中引氣除了可大幅度提高混凝土的抗凍性、改善混凝土的工作性外，在同等強(qiáng)度下，引氣還可顯著改善混凝土的抗?jié)B性、抗氯離子滲透和抗碳化性能；通過引氣還可顯著改善混凝土的鹽結(jié)晶、堿 - 集料反應(yīng)引起的破壞；混凝土引氣后韌性提高，早期抗裂性能也得到改善。因而適當(dāng)引氣可以改善混凝土的綜合耐久性能，通過引氣技術(shù)提高混凝土耐久性是一種經(jīng)濟(jì)、合理且有效的方法。