引气剂对水工混凝土性能影响的试验研究

陈 仁 峰， 唐 善 安， 肖 延 亮

(1. 四川省能投攀枝花水电开发有限公司，四川 成都 610071；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

水电是清洁的可再生能源，水电开发是我国西部大开发的重点之一。为了提高可再生能源在能源结构中的比例，降低因燃煤引起的大气污染，改善我国的大气环境质量，未来10多年我国仍将继续推进水电工程建设。然而，海拔低、开发条件好的水电项目已经陆续建成或正在建设，未来水电工程建设的重点将向高海拔、高寒地区转移。这些地区日温差变化大，初步估计每年经历的冻融循环次数可达150次以上，势必使混凝土遭受极为严重的冻融破坏；其次，这些地区的日最低气温长期在0 ℃以下，极端气温在-35 ℃以下，极度的低温会增加混凝土的冻融深度，加剧冻融破坏的程度[1]。长科院对西藏的调查资料显示[2]：拉萨地区献多水电站的引水渠、边坡混凝土受冻融剥蚀严重，部分混凝土完全崩溃，阳面渠道衬砌混凝土的破坏明显比阴面严重。藏北查龙水电站的溢洪道、泄洪放空洞的过水部位混凝土破损较为严重，隧洞出口处泄槽左侧边墙的冻融破坏严重。日喀则地区杰的龙水电站与水接触部位、水位线以上2 m范围内出现明显的表面混凝土剥落现象。因此，高寒、高海拔地区的水电工程开发尤须重视混凝土的抗冻耐久性问题。

为了提高混凝土的抗冻耐久性，掺引气剂是我国水工混凝土普遍采用的方法。而气泡参数对硬化混凝土抗冻融耐久性起着至关重要的作用[3]。表征硬化混凝土气泡体系特征的参数主要有：含气量、气泡平均半径和气泡间距系数。研究表明[4]：气泡间距系数对混凝土抗冻性影响很大，气泡间距系数越小，混凝土抗冻性越好。PowersT.C.Powers[5]在20世纪30年代提出的静水压理论成功地解释了引气剂改善混凝土抗冻性的原因，并提出有抗冻要求的混凝土其气泡间距系数不应超过250 μm，即气泡间距准则。但后续的研究表明：250 μm的临界气泡间距系数不尽合理。笔者以国内3种常见的引气剂为介质，对掺引气剂的混凝土进行了性能对比试验，并分析了气泡参数对混凝土性能的影响情况。

1 试验原材料

试验采用符合国家标准GB200-2003 《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》的P.MH42.5水泥；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；细骨料为天然骨料，粗骨料为人工碎石与天然骨料的混合料；符合GB8076-1997《混凝土外加剂》技术要求的萘系高效缓凝减水剂、引气剂。

2 试验配合比

试验水胶比采用0.5，粉煤灰掺量为30%，含气量控制在5%左右，研究当混凝土含气量相当时引气剂品种(气泡参数)对混凝土抗冻性能的影响。试验采用的配合比见表1。

3 试验结果

3.1 气泡参数试验结果

通过掺加引气剂在混凝土中引入一定比例的气泡，已成为确保混凝土抗冻性的重要手段。为此，在确保新拌混凝土的含气量外，部分国家已将硬化混凝土的气泡参数指标(如含气量、气泡间距系数和气泡平均直径等)列入了规范。

表1 不同引气剂对混凝土耐久性影响配合比表

本次硬化混凝土气泡参数试验采用的RapidAir型硬化混凝土气孔结构分析仪是由Concrete Experts International公司研发的、以人工显微镜直线导线法为基础、融合高倍摄像头自动扫描系统与图像分析软件二合一的全自动仪。基于RapidAir测试技术，测试不同配合比混凝土的气泡参数，分析混凝土的气孔结构。使用不同引气剂的硬化混凝土气泡参数测试试验结果见表2。

表2 使用不同引气剂的硬化混凝土气泡参数测试结果表

从表2中的结果可知：使用3种引气剂混凝土硬化后的含气量从低到高依次为：E1

3.2 气泡参数对混凝土强度的影响

抗压强度是混凝土最重要的力学参数之一，这是因为任何混凝土构筑物都是用来承受荷载或抵抗各种作用力的。混凝土内部孔隙体积率越低，混凝土越密实，其抗压强度越高。使用不同引气剂对混凝土力学性能影响的试验结果见表3。

表3 不同引气剂对混凝土力学性能试验影响结果表

从表3的试验结果可知：采用E1引气剂的混凝土硬化后含气量最低，其抗压强度亦最高；另外，E2引气剂混凝土硬化后含气量比采用E3引气剂混凝土高0.5%，但采用E2引气剂混凝土的180 d抗压强度比采用E3引气剂混凝土仅低1 MPa(3.2%)。硬化混凝土气泡平均半径的增大，导致混凝土后期抗压强度显著下降。气泡平均半径越小，说明硬化混凝土中有害孔越少，无害孔越多，进而细化了混凝土内部的气孔结构，提高了混凝土的强度。，由于E2引气剂混凝土硬化气泡平均半径比E3引气剂混凝土低40%，虽然E2引气剂混凝土含气量绝对值比E3高0.5%(相对值为12%)，但E2引气剂混凝土的强度比E3引气剂混凝土降低幅度不大。

3.3 气泡参数对抗冻性能的影响

冻融对混凝土的破坏是在水转变成冰时体积膨胀造成的静水压力和冰水蒸气压力差别所造成的渗透压力共同作用的结果。 混凝土的抗冻融性取决于渗透性、浆体水饱和程度、可冻结水的数量、冰冻的速率以及浆体中任何一点到达冰点时能安全地形成自由表面间的平均最大距离。不同类型的引气剂对水工混凝土抗冻耐久性研究试验成果见表4及图1。

表4 不同引气剂混凝土抗冻性能试验结果表

由试验结果可知：虽然E1引气剂混凝土硬化后的含气量最低(3.36%)，但其混凝土的抗冻耐久性与硬化后含气量4.62%的E2引气剂混凝土大致相当，且抗冻性略优于采用E3引气剂的混凝土。其主要原因是由于E1引气剂混凝土的气泡间隔系数与E2引气剂混凝土大致相当，比E3引气剂混凝土的间隔系数低0.042 mm(23%)；且E1引气剂混凝土的硬化气泡平均半径最小，比E2引气剂混凝土硬化气泡平均直径低7 μm(8%)，比E3引气剂混凝土硬化气泡平均直径低66 μm(44%)，说明虽然E1引气剂混凝土硬化后的含气量最低，但其混凝土内的气泡平均半径最小，气泡间距系数更小，单位体积内的气泡个数大幅度增加。研究表明：混凝土内的微小气泡对混凝土的抗冻性能更有利，而大气泡混凝土对混凝土抗冻性能的提高作用更小。

图1 不同引气剂混凝土相当动弹模试验结果

4 结 语

(1)硬化混凝土的含气量对混凝土的抗压强度有一定影响。对于采用不同引气剂的混凝土，其气泡的平均半径对混凝土抗压强度的影响最大，混凝土抗压强度随气泡平均半径的增大而降低。

(2)气泡间距系数、气泡平均半径对引气剂混凝土抗冻性的影响较大。当引气剂混凝土气泡间距系数更小、气泡平均半径更小时，较低的硬化含气量亦可获得较优的抗冻性能。

参考文献：

[1] 李金玉, 曹建国. 水工混凝土耐久性研究与应用[M].北京：中国电力出版社, 2004.

[2] 李家正，石 妍，王迎春. 西藏地区水利水电工程混凝土建筑物破坏形式与对策分析[D].第一届西藏水资源利用暨水利水电技术学术会议交流论文集，西藏林芝，2014，8.

[3] 杨华全，李文伟.水工混凝土研究与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

[4] ATTIONBE E K. Mean spacing of air void in hardened concrete [J].ACI Materials Journal，1993，90(2)：174-181.

[5] NEVILLE A M. Properties of concrete[M].London：Pitman Publishing Ltd.，1995.