SB-GSB-G型引气剂在寒区水工混凝土中的推广应用

张 恒 ，张守杰，刘兴元

（黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080）

黑龙江省处于高寒高纬度地带，水工混凝土构筑物所处环境复杂，经常受到冲磨、气蚀、碳化、冷冰冻融等影响，往往在很短时间就遭到破坏。许多大型水电工程混凝土建筑物运行20 ～ 30年，甚至更短的时间内就出现了明显的衰变老化，发生各种病害，甚至形成水工建筑物安全运行的潜在威胁，严重影响了水利工程效益的发挥。为了解决这个问题，黑龙江省水利科学研究院从上个世纪就开展了这方面的研究，成功研制出了SB-G型混凝土引气剂产品[1]，能够大幅提高混凝土的抗冻耐久性能，很好的解决了寒区水工混凝土受冻融侵蚀破坏的问题，通过多年在黑龙江省大中小型水利水电工程的应用，取得了显著的经济效益和社会效益[2]。

1 冻融破坏机理与影响因素

混凝土的冻融破坏是一种复杂的物理变化过程。一般认为混凝土毛细孔当中的饱和水与不饱和水，在正负温度变化过程中，固相、液相也随之发生变化，当水分从液相转化为固相时体积增大，对混凝土内部的孔壁形成破坏性的压力，从而损伤混凝土内部的微观结构[3]，通过不断往复的变化最终使得混凝土内部结构破坏，这就是我们常说的混凝土冻融循环的基本原理。目前提出的冻融破坏理论主要有静水压经典理论、渗透压理论、冰棱镜理论、保水度理论等，最被人们认可的还是美国的powers提出的膨胀压理论和静水压理论。

静水压理论认为，当混凝土在受冻条件下，吸附于水泥浆中毛细管孔隙的水结冰，体积增加产生冻胀压力，使孔隙中未冻结的过量水受挤压向未冻结的孔隙运动，产生静水压力，当净水压力超过混凝土的抗拉强度时，就会导致混凝土产生裂缝和剥落。

渗透压理论认为，温度下降时，首先大孔内部的水先结冰，而较小的毛细孔或凝胶孔中的水处于过冷状态，过冷水的饱和蒸汽压比同温度下冰的蒸汽压高，将发生较小毛细孔和凝胶孔中的水分向结冰毛细孔渗透，直至达到平衡，产生渗透压力。当这种压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土会产生裂缝和剥落。

静水压理论认为，在受冻过程中，渗透压力是水分由大孔向小孔迁移产生的，而渗透压力是由小孔的水分向大孔迁移的过程中产生。也有学者认为冰冻对混凝土的破坏是水在转变成冰时体积膨胀造成的静水压力和冰水蒸汽压力差别造成的渗透压共同作用的结果。由上述理论容易得出，如果渗透压理论占主导地位，混凝土破坏主要发生在大孔处。如果静水压理论占主导地位，混凝土的破坏主要发生在小孔处。

Stefan Jacobsen研究了内部裂缝对混凝土中冰形成的影响，发现冻融侵蚀的过程中首先发生在混凝土表面水分的摄入以及可冻水的增加，然后向内部扩展的侵蚀行为，并且较少可冻水的增加导致混凝土严重退化。Vesa Penttala等研究了混凝土在冻融过程中的应力和应变状态，结果发现在水中养护的试样在受冻过程中，无论是引气混凝土还是非引气混凝土，最大拉应力均发生在混凝土表面，其值为2.2 MPa。在融化阶段，最大拉应力发生在环境温度为+5℃的融化阶段的最后，最大拉应力发生在混凝土试块轴向方向的中间位置，引气混凝土养护温度的相对湿度为96%时最大拉应力大于2.5 MPa。混凝土受冻过程中，会使混凝土产生内部裂缝。当有除冰盐存在时，受冻可能导致混凝土表面的剥落。随后，人们着重开始研究改善混凝土的抗冻性能，Eva Vejmelkova等研究了掺入少量矿渣可以改善混凝土抗冻性，但是抗除冰盐的能力有所下降。Han-Young Moon研究了水下含矿物掺合料抗冲蚀混凝土的抗冻性，认为矿物掺合料对水下抗冲刷部分混凝土的抗冻耐久性影响不大，而引气剂的引入可以改善混凝土的抗冻耐久性。

Powers静水压理论认为混凝土的冻融破坏主要发生在0～10℃之间，有学者研究认为在-10℃以下时，普通混凝土冻融破坏是可以忽略的。另外，作者还认为如果用冰的含量来评价混凝土因受冻导致的破坏，在融化过程，会过高估计混凝土的抗冻性，所以研究冻融过程冰的形成对混凝土的抗冻性的影响至关重要。

综合各方面研究，影响混凝土的抗冻性因素有很多，主要包括：①混凝土的平均气泡间距。②混凝土的水灰比。③外加剂。④混凝土的结构强度。⑤骨料。⑥水泥的品种与用量。⑦混合材。⑧混凝土的冻结温度和降温速度等方面。

2 引气剂的作用原理

水工混凝土抵抗冻融破坏的能力主要取决于混凝土自身的孔隙特征,如果混凝土内部的空隙都是50μm到200μm的密闭孔，总含气量在3%～5%之间则混凝土抗冻性能会大大增加，解决这个问题最直接的办法就是在新拌混凝土当中掺入引气剂，使得混凝土当中引入密闭的小气泡。

引气剂最早是作为提高混凝土抗渗性、抗冻性、抗盐冻剥蚀性而使用的一种外加剂。其主要原理是引气剂引入的小气泡切断毛细管的通路,降低毛细管作用,从而提高混凝土的抗渗性。这些微气孔在冰冻过程中能释放毛细管内的冰晶膨胀压力，从而避免生成破坏压力，减少和防止冻融的破坏[4]。

下面是一组掺入引气剂后混凝土含气量与相对动弹模量关系图

图1 混凝土含气量对相对动弹性模量的影响

由图 1可以看出，含气量对混凝土抗冻耐久性的影响巨大，含气量未达到2%的混凝土冻融次数低于50次，混凝土冻融循环次数是随着含气量的增大而增大，但是含气量达到6%左右混凝土相对动弹性模量的降低幅度与含气量为 5%左右的混凝土基本相同，抗冻性能不再因含气量的增加而增加，说明含气量对抗冻性能的增强作用存在一个饱和点。 在饱和点以下含气量对混凝土抗冻性能的贡献显著，但含气量超过了饱和点，抗冻性能不再随着含气量的增加而增强，这就是为什么规程中要求控制含气量值的根本原因。

3 SB-G型引气剂产品性能

黑龙江省水利科学研究院研发的SB-G型引气剂符合GB8076—2008标准要求，是一种新型有机物引气剂，主要合成材料为丙烯酸环氧脂，性能指标详见表1、表2。该产品引气量稳定，气泡结构好，可与其它外加剂复合使用，水泥适应性强。能显著提高混凝土的抗冻耐久性，改善混凝土的抗渗性和拌合物的和易性，减少拌合物的泌水性。可广泛应用在水工、港工、交通路面、市政、工业与民用建筑等有抗冻要求的混凝土中，也可用在泵送商品混凝土，抗渗、防水混凝土，及作为其它外加剂复配的引气组分。针对于寒冷地区水工混凝土提高抗冻耐久性最有效、最简洁、最省钱的方法就是科学合理的使用引气剂。

表1 匀质性指标

表2 技术性能指标

4 推广应用

目前SB-G型引气剂产品已在龙头桥水库、云峰水电站、哈尔滨市齐齐哈尔市牡丹江市、佳木斯市城市防洪、磨盘山水库、内蒙古扬旗山水库、哈尔滨市沿江截污、双鸭山城市供水、哈尔滨市文昌污水处理厂、佳木斯污水处理厂、哈尔滨热电厂、亚行贷款松花江防洪项目、松辽委嫩右防洪、大顶子山航电枢纽、北引扩建等省内外百余处大中型工程中应用，包括水利水电工程、市政工程、火电工程，哈尔滨市宝宇、鑫博、六和桂源、华格等数十家混凝土搅拌站商品混凝土生产中也进行了生产应用，取得了良好的效果。

5 结论5

寒区水利工程建筑物受冻融破坏影响严重，解决此类问题的办法就是合理的使用高性能引气剂，提高混凝土的抗冻耐久性。通过这样的方式能够大大延长混凝土使用寿命，保证水利工程能够及时承担各种防洪、灌溉、供水等任务，为人民正常的生产生活提供有力的保障。

[1] 李济深,张守杰，李向东. SB—G混凝土引气剂在腰堡灌区工程中的应用[J].黑龙江水利科技，2002，30（2）：83.

[2] 张 恒，张守杰，刘兴元.寒区水工混凝土修补新材料与新工艺的推广应用[J]. 黑龙江水利科技,2008，36（2）：181-182.

[3] 袁金峰. 浅析水工建筑物混凝土的冻融破坏[J].吉林水利，2004（10）：8-9.

[4] 袁金峰. 引气剂与混凝土高性能化[J].混凝土，2005（4）：22-25.