混凝土气泡特征对混凝土抗冻性及强度的影响

彭永凯

(中铁隧道集团有限公司工程试验中心，河南洛阳 471009)

1 冻融破坏

处于冻—融循环交替环境中的混凝土因孔隙水结冰—融化反复作用而导致的破坏现象。在我国除了三北地区之外，在长江以北、黄河以南的华中、中南区域每年也有负温天气，混凝土建筑物均有可能出现冻融损伤破坏。

2 混凝土冻融破坏过程

1)混凝土孔隙水的冰点由于表面张力作用，其冰点温度低于正常冰点，并且孔隙越小，其冰点越低。混凝土受冻，其孔隙水结冰的顺序是由外及内，由粗孔向细孔逐渐发展。冰首先在混凝土的受冻表面形成，把试件内部密封起来。

2)水结冰时体积膨胀达9%，由于结冰膨胀所造成的静水压迫使水分向内进入饱和度较小的区域。

静水压理论:毛细孔水因结冰膨胀，使过冷水发生迁移产生静水压力P:

式中:η——水的粘性系数;

S——水泥石毛细孔的含水率;

μR——水的结冰速度;

φ(L)——与气孔大小、分布有关的函数;

K——水泥石渗透系数。

3)混凝土渗透性较小时，形成水压梯度，对孔壁产生压力。

4)随着冷却速度的加快、水饱和度的提高、气孔间隔的增大以及渗透性和毛细孔尺寸的减小，水压将会增高。

5)当静水压力超过混凝土的抗拉极限强度时孔壁就会破裂，混凝土受到损害。

6)当粗孔中的水结冰时，细孔中的水处于过冷状态，过冷水的蒸气压比同温度下冰的蒸气压高，将发生细孔隙水向粗孔隙中冰的界面渗透，产生渗透压力。当渗透压力超过混凝土的抗拉极限强度时孔壁就会破裂，混凝土受到损害。

渗透压理论:当粗孔中的水结冰时，细孔中的水处于过冷状态，过冷水的蒸气压比同温度下冰的蒸气压高，将发生细孔隙水向粗孔隙中冰的界面渗透，产生渗透压力ΔP:

式中:R——气体常数(8．314 J/(mol·K));

T——体系绝对温度，K;

V——水的摩尔体积，0．018 L/mol;

PW——细孔水的蒸气压，Pa;

Pi——粗孔内冰的蒸气压，Pa。

7)如果温度回升，冰随之融化，更多的水吸入裂缝中，之后发生冻结，这种反复出现的冻融交替具有累积的作用，使混凝土的裂缝扩张，表面剥落直到完全瓦解。

提高混凝土抗冻性，引气起到十分重要的作用。大量微小气泡起到容纳孔隙水结冰产生的体积膨胀和过冷水迁移的作用，大大缓解由此引起的静水压力。由于毛细现象的存在，融解时气泡中的水又被吸回裂缝中，有效的提高了抗反复冻融破坏能力。

配置高性能抗冻混凝土，关键技术之一是掺加优秀的、相容性好的外加剂，其中最常用的为引气型减水剂。目前市面上部分减水剂生产厂家在生产减水剂过程中未采用先消泡后引气的生产工艺，导致混凝土中引入了大量直径大且不稳定的劣质气泡，造成混凝土含气量经时损失大，混凝土结构物表面气孔较多，不能保证混凝土的抗冻性及抗盐类结晶破坏性能。因此，重要结构用的高含气量的高性能混凝土需要用减水剂和引气剂双掺的方式引气。

一般研究认为，28 d硬化混凝土气泡间距系数不大于300μm时，混凝土具有良好的抗冻性。目前混凝土气泡间距系数的检验主要采用DL/T 5150-2001水工混凝土试验规程中的直线导线法进行。

当混凝土中浆气比P/A＞4．33时，气泡间距系数:

其中，∑l为全导线所切割气泡总长，cm;N为全导线所切割气泡总个数;I为气泡平均弦长。

当混凝土中浆气比P/A＜4．33时:

其中，T为全导线总长;n1为每厘米导线切割的气泡个数。

硬化混凝土中空气含量:

由式(1)～式(3)可以看出，硬化混凝土气泡间距系数主要由∑l，N两指标计算得出。即气泡平均弦长越小，气泡数目越多，则气泡间距系数越小。与硬化混凝土中空气含量、新拌混凝土含气量并无必然关系。

目前主要用的引气剂成分有α-烯烃磺酸钠(AOS)、十二烷基硫酸钠(K12)和三萜皂苷(ST)等，一般认为混凝土的含气量损失速率为AOS＜ST＜AS，混凝土的保坍性AS＜ST＜AOS。

对相同新拌混凝土含气量(5．5±0．5)%(D2，D3冻融破坏环境要求混凝土含气量不小于5．0%)，引气剂品种对混凝土气泡间距系数L影响巨大，优质引气剂气泡间距系数只有150μm，某些劣质引气剂则达528μm，几乎达到甚至不如未消泡的减水剂直接引气的效果，并使混凝土强度下降。

对于同一品种的引气剂，并不是新拌混凝土含气量越大，其气泡间距系数越小。基本上，随含气量增大，气泡间距系数L先减小后增大，含气量过大，气泡间距系数反而增大(含气量越高，大量小气泡因间距过近互相接触形成大气泡的概率越高)，对混凝土强度、抗冻性反而不利。对于优秀引气剂，新拌混凝土含气量达3．8% ～5．8%时抗冻性达到最佳含气量。

三峡开发总公司试验中心研究发现，经高频振捣后，大坝结构和大坝外部硬化混凝土的含气量只有2．3%左右，远低于设计要求的4．5%～5．5%，但平均气泡间距系数依然达到了300μm左右。

混凝土的强度主要受水泥强度、水胶比影响，并受骨料含泥量、外掺料活性、骨料级配、坚固性等影响。在这些因素均排除的情况下，用某BHF引气剂，在不同水胶比含气量与抗压强度关系见表1。

表1 不同水胶比含气量与抗压强度关系

虽然受一些随机因素影响，但大致可得出下列结论:

1)在一定的范围内，强度随含气量的增大而增加。这主要是因为混凝土引气后，水在拌合物中的悬浮状态更加稳定，可以改善骨料泌水、离析等不良现象，进而改善了混凝土强度。

2)达到最佳含气量后，强度随含气量的增大而减小，有研究认为每增加1%，28 d强度下降5%～6%。

3)越小的水胶比，强度受含气量的影响越明显;越大的水胶比，强度受含气量影响越不明显，应与大小水胶比的混凝土本身水化后孔隙较多有关。

上述试验结果证明:适宜的含气量、优质的引气剂可以使混凝土的强度、抗冻性、和易性达到最佳。

3 结语

由于抗冻混凝土龄期为56 d(TB 10424-2010铁路混凝土施工质量验收标准)较长，且抗冻试验周期也很长，一旦不合格重新选定损失巨大。因此，抗冻混凝土的减水剂、引气剂的选择尤其重要，一定要选择含气量低的减水剂，控制在2．5左右为佳，引气剂应多组试件进行气泡间距检测，减小制件误差。如此，则可高概率的配置出满足抗冻要求的混凝土，取得十分显著的时间、经济效益。

［1］杨钱荣，张树青，杨全兵．引气剂对混凝土气泡特征参数的影响［J］．统计大学学报(自然科学版)，2008，36(3):50-51．

［2］魏万征．高速铁路抗冻混凝土含气量与强度的对立与统一技术研究［J］．铁道建筑技术，2011(6):10-11．

［3］LianXiang Du，Kevin J．Follid Mechanisms of Air Entraiment in Concrete［J］．Cement and Concrete Research，2005(35):1463-1471．