引气剂对混凝土抗冻性和抗渗性影响研究

肖 阳,张守杰

(1.哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

引气剂对混凝土抗冻性和抗渗性影响研究

肖 阳1,张守杰2

(1.哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

本文通过混凝土吸水率、表面气体渗透系数、氯离子电通量及快速冻融循环试验,研究了引气剂对混凝土的抗渗及抗冻性能的影响，并从混凝土的孔结构及界面过渡区进行了微观机理分析。结果表明：随着引气剂掺量的增加，混凝土的抗压强度略有下降，混凝土的最终吸水率和氯离子电通量有减小的趋势，引气混凝土抗冻等级均达到了DF300。引气剂可以细化混凝土的孔结构，降低气泡间距系数，有利于改善混凝土的抗冻性和抗渗性。关键词：混凝土；渗透性；抗冻性；引气剂；孔结构

引气剂是寒冷地区混凝土工程中常用的外加剂之一。它实际上是一种表面活性剂，活性剂分子一端为亲水基，另一端为疏水基[1],可以在混凝土中引入许多微小且分布均匀的气泡，进而改善混凝土的和易性及耐久性能[2-3]。混凝土内部气孔结构与宏观性能及耐久性能是密切相关的，吴中伟、布特、Jawed和近藤连一等学者根据气孔孔隙大小及影响，对混凝土孔结构进行了分级[4-6]，他们一致认为孔径在10～100 nm之间的孔隙对混凝土的耐久性能有利。混凝土中孔隙越多，其抗压强度会降低，并受其孔隙的尺寸及分布影响很大[7]，有研究表明相同水胶比条件下，硬化混凝土中含气量每增加 1%，抗压强度降低3%～5%[8-9]。Narayanan Neithalath等人认为混凝土的孔隙分布对其渗透性和抗冻性也有着较大的影响，随着孔的直径和孔隙率的增大，混凝土的抗渗及抗冻性能均会变差[10]，H.S.Wong等人发现引气增大了气体对混凝土渗透的倾向，但与混凝土内部湿度关系很大[11]。周世华等人指出当混凝土中总含气量不超过6%时，引气不但不会对混凝土的使用性能造成影响，反而会增强混凝土的韧性[12]。Kejin Wang等人经过研究得到合理引气可以明显改善混凝土的抗水及离子渗透性能[13]。

为了进一步明晰引气剂的作用，本文主要采用了混凝土吸水率的测定、电通量法、表面气体渗透仪分别对混凝土的抗水、氯离子及气体渗透能力进行研究，综合表征引气剂对混凝土抗渗性能的影响，同时采用了气泡间距系数及最可几孔径概念对混凝土的孔结构进行了分析，旨在从宏观和微观两个角度上解析引气剂对混凝土的抗渗及抗冻性能的影响规律。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥为天鹅牌P·O 42.5的水泥。粉煤灰为哈尔滨市兴热粉煤灰开发有限公司粉煤灰制品分公司生产的I级粉煤灰，其活性指数为80.7%。细集料采用细度模数为2.42的II区中砂，粗集料采用5～10 mm、10～25 mm混合比例为4∶6的二级配碎石。萘系高效减水剂掺量范围为1.0%。引气剂为黑龙江省水利科学研究院研制的SB-G混凝土引气剂。水为哈尔滨市饮用自来水。

1.2 试验方法

混凝土吸水率、表面气体渗透系数及氯离子电通量用来表征混凝土的抗渗性能。混凝土吸水率的测定方法：将混凝土在干燥箱中烘干至恒重，记下其初始质量，而后放入水中，每隔一段时间称量一次质量直至其质量不再变化。表面气体渗透系数是采用Torrent Permeability Tester进行测定的。采用快速冻融试验方法和氯离子电通量试验方法来评价混凝土的抗冻性能和抗渗性。采用NELD-BS610硬化混凝土气泡间距系数分析仪对混凝土内部的气泡间距系数进行测试分析。用AUTOPOREIV9500全自动压汞仪分析混凝土的孔结构。采用Quanta 200F场发射环境扫描电子显微镜对混凝土的界面过渡区进行观测分析。

1.3 试验配合比

本次试验研究了3种不同含气量的混凝土的抗冻性及抗渗性，混凝土配合比及相关性能如表1所示。

表1 混凝土配合比及其新拌性能

2 试验结果与讨论

2.1 混凝土的抗冻性能

图1 混凝土的抗压强度与引气剂掺量的关系

由图2、图3可知，在经历冻融循环次数相同的情况下，含气量大的混凝土的质量损失率相对较小，其相对动弹性模量相对较大。当冻融循环次数达到300次时，含气量为4.0%的混凝土的质量损失仅为1.41%，其相对动弹性模量仍可达79.97%，其抗冻等级超过了DF300，而未引气混凝土的质量损失已经超过了5%，其抗冻等级仅为DF275。可见适当掺用引气剂能提高混凝土的抗冻性能。

图2 混凝土的质量损失与冻融次数的关系

图3 混凝土的相对动弹性模量与冻融次数的关系

2.2 混凝土的抗渗性能

由图4可知，随着含气量增加，混凝土的最终吸水率有减小的趋势。Y0、Y1、Y1.5的最终吸水率分别为3.30%、3.25%、3.15%；由图5可知，混凝土的6 h电通量与含气量呈反比关系，这与黄维蓉等人的研究结论“当混凝土的含气量<5%时，含气量越大，其电通量越小”相一致[14]，没有引气的混凝土的电通量为1679.44 C，而含气量为4%混凝土的电通量为1492.90 C。由此可见，引气剂的加入可以改善混凝土抗水、氯离子的渗透性能。

图4 混凝土的吸水率随时间变化关系

图5 混凝土的电通量与引气剂掺量的关系

混凝土经历的冻融循环次数越多，其内部损伤累积也越大，所以其表面渗透深度也越大。如图6所示，冻融循环次数相同时，含气量越大的混凝土的表面气体渗透深度也越小；当冻融循环200次时，Y0、Y1、Y1.5的表面气体渗透深度分别为31.8 mm、22.1 mm、20.0 mm。从图7中可以看出，当混凝土未经过冻融循环时，Y0、Y1、Y1.5的表面气体渗透系数十分接近，这表明引气剂对未冻混凝土的表面抗气体渗透能力改善不大，但随着冻融循环次数的增加，引气剂的作用效果逐渐明显。从图8可以看出，经过200次冻融循环后，引气剂掺量为1.5的混凝土的界面及浆体中的裂缝明显比未掺引气剂的少，其界面及浆体仍较连续，而未掺引气剂的界面中已经出现了较大的连通裂缝，所以其表面气体渗透深度较大。

图6 表面气体渗透深度与引气剂掺量的关系

图7 表面气体渗透系数与引气剂掺量的关系

图8 200次冻融循环后混凝土的形貌

图9 气泡间距系数与引气剂掺量的关系

综合上述结果分析来看，含气量有利于改善混凝土的抗渗性能，这与其孔结构及孔径分布密切相关。

2.3 混凝土孔结构分析

混凝土的宏观性能变化与其孔结构存在着密切的联系，从图9中可以看出，引气剂掺量越多的混凝土的气泡间距系数越小，这是因为引气剂在混凝土中引入许多微小且可以分布均匀的气泡，改变了混凝土内部的孔隙结构。Y0、Y1、Y1.5的气泡间距系数分别为395 μm、276 μm、130 μm，结合2.1及2.2中的结果可知，Y1、Y1.5均展现出了良好的抗冻性能，这与黄士元等人的研究结论“抗冻性能良好的混凝土的平均气泡间距系数应<250 μm”[15]吻合。

随着混凝土所受压力的增大，汞可进入混凝土中更小的孔隙。从图10中可以明显看出，引气剂掺量越大的混凝土的累积进汞量越大；未退汞量是指退汞曲线与纵轴交点处的累积进汞量值，从退汞曲线中可以看出，Y0、Y1、Y1.5的未退汞量分别为0.042 mL/g、0.045 mL/g、0.052 mL/g，这表明引气剂掺量越大的混凝土的“墨水瓶”孔隙含量越多。

图10 混凝土累积进汞量与压力的关系

从图11中可以看出，引气混凝土中孔径<1000 nm的孔隙明显比未引气的多，孔径<100 nm时尤为明显。图12为混凝土的孔径分布微分曲线，其峰值处对应的孔径为最可几孔径，即出现几率最大的孔径，从图中可以看出，Y0、Y1、Y1.5的最可几孔径分别为33.63 nm、31.87 nm、26.47 nm，随着引气剂掺量的增加，最可几孔径有减小的趋势。

图11 孔径分布积分曲线

图12 孔径分布微分曲线

因此，引气剂的加入使混凝土中最可几孔径减小，细化了混凝土的孔结构。气泡间距系数降低有利于缓解冻胀压力和水迁移产生的渗透压力，从而改善了混凝土的抗渗及抗冻性能。

3 结 论

(1)当含气量由1.6%增至4.0%，未冻混凝土的抗压强度降低了12.62%，200次冻融循环后，含气量为4.0%的混凝土的抗压强度仍可达48.02 MPa，引气混凝土的抗冻等级可达到DF300。

(2)混凝土未经过冻融时，其表面气体渗透系数受引气剂的影响不大，冻融循环200次后，引气剂掺量大的混凝土的表面气体渗透系数明显较小；随着引气剂掺量的增加，未冻混凝土的氯离子电通量及吸水率逐渐降低，引气剂提高了混凝土的抗渗性能；

(3)引气剂的加入减小了最可几孔径，使混凝土的孔结构细化，气泡间距系数降低，进而提高了混凝土的抗渗及抗冻性能。

[1] XinpingOuyang,Yongxia Guo,Xueqing Qiu.The feasibility of synthetic surfactant as an air entraining agent for the cement matrix[J].Construction and Building Materials，2008(22): 1774-1779.

[2] 单旭辉,朱尔玉,韩玉莲.引气剂对混凝土性能的影响[J].南水北调与水利科技，2004,2(6):47-51.

[3] 代明,柯国军,张春雨.浅谈引气剂在混凝土中的应用[J].工程建设，2007,39(2):22-25.

[4] 申爱琴.水泥与水泥混凝土[M].北京：人民交通出版社，2000.

[5] 吴中伟,张鸿直.膨胀混凝土[M].北京: 中国铁道出版社，1990.

[6] 近藤连一,大门正机.硬化水泥浆的相组成[C]//第六届国际水泥化学会议论文集.第二卷.北京：中国建筑工业出版社，1982.

[7] Omkar Deo,Narayanan Neithalath.Compressive behavior of pervious concretes and a quantification of the influence of random pore structure features[J].Materials Science and Engineering A，2010,7(528): 402-412.

[8] 段平.海水环境下混凝土孔结构演变规律研究[D].武汉：武汉理工大学，2011.

[9] 李淑进,赵铁军,吴科如.混凝土渗透性与微观结构关系的研究[J].混凝土与水泥制品，2004,4(4):6-8.

[10] Narayanan Neithalath,Milani S.Sumanasooriya,Omkar Deo.Characterizing pore volume,sizes,and connectivity in pervious concretes for permeability prediction[J].Materials Characterization,2010(61):802-813.

[11] H.S.Wong,etc.Effect of entrained air voids on the microstructure and mass transport properties of concrete[J].Cement and Concrete Research,2011,6(41):1067-1077.

[12] 周世华,杨华全,董维佳,等.引气剂对混凝土性能的影响研究[J].混凝土,2008(11)：56-57.

[13] Kejin Wang,Gilson Lomboy,Robert Steffes.Investigation into freezing-thawing durability of low permeability concrete with and without air entraining agent[C].National Concrete Pavement Technology Center Institute for Transportation Iowa State University,2009.

[14] 黄维蓉,杨德斌，周建廷.掺合料及引气剂对混凝土性能的影响研究[J].混凝土，2010,27(9):80-82.

[15] 陈联荣,黄士元.混凝土的抗冻性及气泡结构[J].上海建材学院学报,1989:4.

Research on the effects of air-entraining agent on the permeability and frost resistance of concrete

XIAO Yang,ZHANG Shoujie

(1.SchoolofCivilEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;2.HeilongjiangHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China)

t：This paper investigates the influence of air-entraining agent on the impermeability and frost resistance of concrete through the water absorption of concrete,surface gas permeability coefficient,chloride ion electric flux and fast freeze-thaw cycling test,and the pore structure and interfacial transition zone of concrete are also analyzed.The results show that the compressive strength of concrete shows a trend of decline with the increase of air-entraining agent’s dosage.With the increase of air content,the final water absorption rate and chloride ion electric flux of concrete have a tendency to decrease and air-entraining concrete achieves the antifreeze level of DF300.Air-entraining agent can refine the pore structure of concrete,decrease the spacing factor of concrete which is conducive to improve the frost resistance and impermeability of concrete.

concrete; permeability; frost resistance; air entrainment agent; pore structure

肖 阳(1990-),男，硕士，主要从事混凝土耐久性方面的研究。E-mail:xiaoyang_hit@126.com

TU528.042.4

A

2096-0506(2015)01-0038-05