冻融循环试验下引气剂在混凝土桥梁中的耐久性研究

牛远清

(广东惠清高速公路有限公司，广东 广州 510960)

混凝土在搅拌过程中引入的气泡较多，导致已完成硬化处理后的混凝土中仍然存在一定量的气泡，其实际含量、理化特征等都会对混凝土的使用性能造成很大的影响。实验室成功配制的低空气含量混凝土在实际的施工过程中，往往难以满足工程建设的各项要求，在不同产地、使用不同原材料等情况下生产的混凝土，即使配合比保持一致，其实际应用效果也会表现出较大的差异。由于不同混凝土具有各异的产地来源、原材料、配合比，因此通常需要在搅拌过程中投入相应的添加剂，致使气泡的产生。当前混凝土性能的影响因素研究仍处于持续发展阶段，未对引气剂的影响进行深入探讨，故为了更好地控制混凝土的性能，有必要对其进行研究。

1 混凝土桥梁耐久性试验材料及方法

1.1 试验原材料

试验水泥应满足下列要求：第一，水泥的强度、硬度等相关指标需与《通用硅酸盐水泥》中的额定标准相一致；第二，水泥在水化反应过程中产热不宜过高，避免混凝土过度热胀冷缩，产生裂缝；第三，试验主要是测试混凝土的抗冻性能，若条件允许的情况下，可以采用抗冻性能更好的普通硅酸盐水泥。本试验使用冀东水泥厂生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥。

在混凝土内加入引气剂能够对其稠度和易性产生一定影响，在结构强度允许的前提条件下，通过添加一定量引气剂的方式可提升混凝土的各项性能，包括其抗冻性、耐久性、抗盐抗腐蚀性等，其常常被用于桥梁混凝土结构当中。引气剂在混凝土中的作用为界面活性作用、起泡作用和稳泡作用，在混凝土搅拌时，引气剂分子吸附在各相界面上，在水泥-水界面上形成憎水基指向水泥颗粒，而在水-气界面上形成憎水基指向水泥空气，降低了整个体系的自由能、界面能、使小气泡非常容易产生，顺利进入体系，其原理如图1所示。

图1 引气剂原理

试验中所采用的引气剂为十二烷基苯磺酸钠，它是一种难以挥发、易溶于水的物质，呈白色或淡黄色，具有稳定的硬水化学性质，常用于工业生产领域中。由于该物质具有低廉的成本、较强的去污力与气泡力、十分成熟的制备工艺，因此其应用范围愈加广泛。在混凝土冻融循环试验中，使用引气剂后应使混凝土的含气量保持在1%～6%，这为相应的试验操作提供了一定的数据支撑。

1.2 混凝土配合比设计

混凝土的设计强度为C30，依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)规范要求，配置强度的计算公式：

,=,+1.645×

(1)

式中：,、,和分别表示混凝土配置强度、立方体抗压强度标准值与强度标准差，MPa。按照C30设计强度，混凝土强度标准差取值范围在C25与C45之间，为5.0 MPa。经过计算得出桥梁混凝土配置强度,=38.225 MPa。混凝土的水胶比计算公式：

(2)

式中：、表示回归系数，当石子种类为碎石时，前者为0.53，后者为0.20；当石子种类为卵石时，前者为0.49，后者为0.13；表示水泥28 d抗压强度的实测值，如果无法进行测量获取，可以按照下式计算：

=,×

(3)

式中：,、分别表示水泥强度等级值和与其对应的富余系数；实验采用C30强度混凝土，对应水泥的强度等级为42.5 MPa。因此，的值按照水泥强度等级富余系数取值规则取1.16，最终计算出=49.3 MPa，水胶比为0.58。本次试验混凝土的坍落度值选取50～70 mm，细集料为中砂，卵石最大粒径为40 mm，按理论计算用水量0的值为170 kg/m。随着减水剂的加入，理论用水量也会随之降低，实际用水量应当减去外加剂的减水量，按照25%的减水率标准，实际用水量为128 kg/m，水泥用量0为220 kg/m。按照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)标准选取冻融地区混凝土的砂率为32%，用质量法计算粗骨料和细骨料的用量，计算公式：

(4)

0+0+0+0+0=

(5)

式中：0、0和分别表示配合比混凝土的粗骨料用量、细骨料用量和拌合物的假定量，kg/m；其中取值2 400 kg/m。

1.3 桥梁混凝土试验方法

冻融循环的速度分为快、慢2种循环方式；而快速冻融试验机是专门为混凝土抗冻性能测试而设计的。通过控制防冻液的温度来实现混凝土的外部环境冻融温度变化。在此过程中，试验机自动记录混凝土芯和防冻液的温度，通过温度传感器反馈的数据对防冻液温度进行实时调整，以满足试验要求。用动弹性仪测定了混凝土的动弹性模量，动弹性模量是衡量材料各项性能的一个重要参数，一定程度上反映了材料的力学性能。狭义上来说，它代表了材料分子间化学键的强度；广义上讲，它反映了材料对弹性变形的抗力。用共振法测定了材料的动弹性模量，将动弹性仪的输出频率施加在试件上，使其受力振动，并测量其横向基频，动弹性模量可通过公式计算。混凝土冻融试验机内部示意图如图2所示。

图2 混凝土冻融试验机内部示意图

制作桥梁混凝土试件，避免后续试验中渗水对试件的影响，需要加入憎水性脱模剂，制作出长100 mm、宽100 mm和高400 mm的混凝土试件。对试件进行养护，要强调的是，需要提前4 d从养护箱里取出，用温度20.2 ℃的恒温水浸泡。浸泡时试件应当完全被淹没，液面高出试件表面至少2 cm，浸泡4 d，最终完成混凝土28 d试件的制作。在冻融试验过程中，应注意以下几点：第一，冻融循环的时间需要控制在2～4 h，融化时间应大于或等于整个冻融时间的25%；其次，试件的内部温度需要始终保持在-18～5 ℃，误差不超过2 ℃。除此之外，不管是在冻融试验的哪个阶段，试样在-16～3 ℃的时间不应少于相应工序的一半，且试样内外温差不应超过28 ℃；最后，冻融间隔不得超过10 min。冻融试验中用于测量试样质量的设备最大量程为20 kg，灵敏度为5 g，单个试件的质量损失与相对动弹模量计算公式：

(6)

(7)

式中：、和分别表示第次冻融循环后的第个试件的质量损失率、第个试件的初始质量与第次冻融循环后第个试件的质量；、、分别表示第次冻融循环后第试件的相对弹性模量(%)、横向基频(Hz)与试件的初始横向基频(Hz)。一组试件在第次冻融后的平均质量损失率与相对动弹模量的计算公式：

(8)

(9)

式中：表示第次冻融循环后一组试件的平均质量损失率。在式(8)中，3次试验结果，如有任意结果值小于0，那么该结果记为0；若3个值中，中间值与两边值的差值有任意一边超过1%，用两边值平均值取代中间值；若3个值中间值与两边值之差都超过1%，那么选取中间值作为测定值。在式(9)中，测定值的判定差值为15%，那么判定规则与前者相同。

2 冻融作用下桥梁结构混凝土耐久性试验结果分析

2.1 冻融过程中混凝土抗压强度变化

试验采用SJD-60混凝土搅拌机与TOR冻融实验箱，含气量测定仪采用日本LC-615A测定仪，混凝土的养护采用天津市津科试验仪器有限公司生产的YH-90B型标准恒温养护箱。测出混凝土28 d 抗压强度以及在气冻、干-湿冻融循环和饱和冻融3种受冻条件下经过冻融循环的抗压强度，循环次数为125次，测定周期为25次一测，试验结果如图3所示。

(a)不同受冻条件下冻融循环后强度的变化

由图3(a)可以看出，3种冻融条件下，在冻融循环次数递增的过程中，混凝土抗压强度反而均持续走低，但下降幅度存在一定的差异。气冻条件下的抗压强度下降幅度最小，在三者中趋于较为平稳的状态；饱和冻融条件下的下降幅度居中，当冻融循环次数达到75次以上时表现出较为明显的下降；干-湿冻融条件下抗压强度的走势基本与饱和冻融保持一致，但其下降幅度更大。结合图3(b)分析，其中经过干-湿冻融的混凝土抗压强度下降幅度最大，经过125次循环试验，抗压强度由28 d的48.9 MPa降低到24.3 MPa，整体降低了50.3%。其次我饱和冻融实验组经过125次循环冻融，抗压强度出现明显降低，从初始48.9MPa降低到31.8MPa，整体降低了35.0%。气冻组变化幅度最小，从48.9MPa降低到47.1MPa，下降幅度仅为3.7%。可以说明的是，干-湿冻融对桥梁混凝土的损伤最大，除此之外，混凝土的抗压强度不仅与冻融条件有关，与冻融循环次数也存在密不可分的关系；在75次冻融循环之前，混凝土的抗压强度下降幅度相对较小，当超过75次之后，开始出现大幅下降的趋势，尤其是干-湿冻融循环组，明显大于其他两组。究其原因，由于混凝土是一种多孔材料，在干-湿冻融条件下产生膨胀与收缩，干燥时失水收缩，浸泡时吸水膨胀，导致内部产生内应力，进而对内部结构造成了一定破坏。在气冻环境下，试件中没有多余的自由水，对混凝土内部结构构不成威胁；而饱和冻融由于内部自由水饱和填充，收缩与膨胀程度要低于干-湿冻融试件。

2.2 引气剂掺量混凝土抗冻性能的影响

混凝土中加入引气剂会导致混凝土内部结构产生变化，除了对混凝体的抗冻性能有一定影响之外，对抗压强度也会有一定影响。一般来说，混凝土当中适当的含气量能够在一定程度上提高工程混凝土的耐久性和工作性。测试并分析冻融环境下，向桥梁混凝土中投入不同含量的引气剂时，其含气量、抗压强度、质量产生的变化情况，旨在挖掘出引气剂对混凝土抗冻性能的影响。不同引气剂掺量下混凝土28 d性能影响结果如图4所示，其中A、B、C组的引气剂掺量分别为0.010%、0.025%和0.040%。

(a)引气剂掺量对混凝土28 d抗压强度的影响

从图4(a)可以看出，混凝土28 d的抗压强度随着含气量的增加而降低。通过计算得知，在坍落度不变的前提下，混凝土中含气量增加1%，抗压强度下降2%～3%；若水灰比固定，甚至会出现6%以上的降低。从图4(b)可以看出，在冻融循环试验中，A组抗压强度首先出现了小幅度的增加，然后出现降低的趋势，变化幅度较大，损失较为明显。而B、C组总体来说虽都是平稳下降，但是与初始状态相比较，变化不大；C组3次之前变化幅度不是很明显，之后下降幅度大幅增加，究其原因是由于含气量过大，混凝土内部气泡过多，孔隙率增大，削减了孔隙之间混凝土层的厚度，起反向作用所致。从图4(c)质量损失情况来看，3个组的质量损失率均随着循环次数的增加而降低，其中A、C组的变化趋势较为稳定，B组变化率最低。

3 结语

混凝土抗压强度随冻融循环次数的增加而降低，但降低程度不同。通过实验得知，干-湿冻融后混凝土抗压强度下降幅度最大。125次循环后，抗压强度由28 d的48.9 MPa下降到24.3 MPa，总体下降50.3%；其次，经过125次冻融循环后，饱和冻融试验组的抗压强度明显下降，由最初的48.9 MPa下降到31.8 MPa，总体下降35.0%。气凝胶组变化幅度最小，从48.9 MPa到47.1 MPa，下降幅度仅为3.7%，说明干湿冻融对桥梁混凝土的破坏最大。而随着引气剂掺量的增加，混凝土的抗压强度逐渐降低，同时混凝土的某些性能得到改善，混凝土的抗冻融性能得到提高。一般情况下，当含气量增加1%时，混凝土的抗压强度将降低5%～7%。这显示出混凝土的含气量不能无限制地增加，若过度增加含气量，会在一定程度上导致混凝土的抗冻性与耐久性降低。