引气C40自密实混凝土性能试验研究

侯景鹏，李自舜，史　巍，王　权

(东北电力大学建筑工程学院，吉林　132012)



引气C40自密实混凝土性能试验研究

侯景鹏，李自舜，史巍，王权

(东北电力大学建筑工程学院，吉林132012)

采用固定砂石配比设计方法配制C40自密实混凝土，研究不同聚羧酸引气减水剂掺量下自密实混凝土含气量、工作性能、不同龄期抗压强度、及抗冻融循环性能。结果表明，聚羧酸引气减水剂质量掺量为胶凝材料总量0.5%时，新拌C40自密实混凝土含气量为4.3%，工作性能达到二级自密实混凝土要求的标准，28 d抗压强度56.8 MPa，200次冻融循环后相对动弹性模量降为72.5%。相比0.4%、0.55%、0.65%引气减水剂掺量，0.5%掺量下28 d抗压强度降低较少，抗冻融循环性能最好。研究结果为掺加聚羧酸引气减水剂自密实混凝土的应用和推广提供依据和参考。

引气减水剂; 自密实混凝土; 含气量; 抗压强度; 抗冻性

1　引　言

1988年，日本东京大学Okamura教授最早开发出“不振捣的高耐久性混凝土”，即自密实混凝土。无需振捣，仅依靠自重就能穿过密集钢筋均匀密实成型，以其良好的工作性和广泛的适用性用于各类工程[1]。在自密实混凝土中引入适量空气，可有效改善自密实混凝土耐久性能，尤其是抗冻性显著增强，对于恶劣环境下混凝土建筑物有不可估量的好处。

在自密实混凝土中引入空气依赖引气剂实现，在拌合物中加入适量引气剂，混凝土硬化后内部会形成大量均匀分布的微气泡。依据美国学者鲍尔斯提出的渗透压假说，冻融时内部流体压力会明显减小，因为水分可以流入引气剂在混凝土内部形成的气泡中[2]。

国内外学者在这方面进行很多研究。JGJ55-2011规定不同环境下有抗冻要求的引气混凝土的最小含气量为混凝土总体积的4.5%～6%之间，最大含气量不宜超过7%[3]；黄维蓉、杨德斌等通过试验研究了不同含气量混凝土的抗冻性能及抗氯离子渗透性能，建议高寒地区C50混凝土含气量宜控制在5%～7%[4]。杨钱荣、黄士元等发现在同水胶比条件下，硬化混凝土中含气量每增加1%，抗压强度降低3%～5%[5]。王庆石等认为新拌混凝土含气量约为3.8%～5.6%时，混凝土抗冻性较好[6]。

在混凝土中加入引气剂需对引气剂和减水剂做相容性试验，较麻烦。聚羧酸引气减水剂兼具引气和减水效果，使用方便。试验选用聚羧酸引气减水剂，研究C40自密实混凝土不同引气减水剂掺量下对混凝土含气量、工作性能、力学性能、及抗冻性能的影响。

2　C40自密实混凝土配合比设计

2.1配合比设计方法

固定砂石配比设计方法参数意义明确，设计过程简单，稳定性好。但固定砂石法无法预估混凝土内部初始含气量，需进行改进，过程是：首先计算适配强度，确定单位体积混凝土粗骨料用量；然后预估混凝土体积含气量，按照经验确定为1.5%；接着确定砂浆体积、砂体积及质量，并得到浆体体积；最后确定粉煤灰、水泥用量、及水胶比；减水剂用量按照产品说明书及经验确定。

2.2原材料及配合比

自密实混凝土设计强度等级为C40，工作性能等级为二级。江砂，表观密度2650 kg/m3，细度模数2.6，属二区中砂；吉林亚泰龙潭水泥有限公司生产的P·O 42．5级水泥；吉林市市政采石场生产的5～20 mm连续级配碎石；吉林市某电厂生产的粉煤灰，密度为2300 kg/m3；减水剂采用吉林市宏恩化工公司生产的聚羧酸系引气减水剂，固含量40%以上，减水率30%～40%；普通自来水。配合比见表1。

表1　C40自密实混凝土配合比

保持水胶比不变，改变引气减水剂掺量，分别为胶凝材料总质量的0.4%，0.5%，0.55%，0.65%。

3　含气量及工作性能

3.1含气量测定

聚羧酸引气减水剂对C40自密实混凝土性能的影响主要在于引入的气体含量。

采用CJ-3型含气量测定仪测定新拌混凝土含气量,见图1。将新拌自密实混凝土拌合物均匀装入量钵内，无需振捣即可自密实，用抹刀抹平，使表面无气泡；盖上钵盖，打开排气阀，用注水器从进水阀处加水直到排气阀出水口有水均匀流出为止；关闭进水阀和排气阀，用手泵打气加压，并用微调阀调整，使表压准确到1.0 MPa；再按下压力阀2～3次，读表数值即为体积含气量，不同引气减水剂掺量的新拌自密实混凝土含气量如表2。

表2　新拌自密实混凝土含气量

图1　混凝土含气量测定仪Fig.1　Instrument for measuring concrete air content

图2　自密实混凝土工作性能测试图片(a)坍落度;(b)坍落扩展度Fig.2　Photos of testing workability of self compacting concrete

3.2工作性能

传统坍落度法不足以全面反映自密实混凝土工作性能，采用坍落度、坍落扩展直径及T50时间衡量自密实混凝土工作性能。坍落扩展直径即提起坍落度筒后混凝土停止流动后坍落扩展的直径，用来检查流动性及抗离析性；T50时间是从坍落度筒中流出摊平为50 cm直径的范围的流动时间，主要反映混凝土拌合物的粘聚性。

不同引气减水剂掺量新拌自密实混凝土工作性能如表3，试验图片见图2：

表3　新拌自密实混凝土工作性能

不同引气减水剂掺量下自密实混凝土工作性能均符合性能等级标准，从表3看，随引气减水剂掺量增大，自密实混凝土含气量增加，坍落扩展度增大，T50时间缩短，流动性明显提高。引气减水剂掺量为0.65%时，拌合物稍有泌水、离析现象。综合评定，0.5%、0.55%两组引气减水剂掺量下自密实混凝土工作性能良好，达到二级自密实混凝土标准。建议聚羧酸引气减水剂掺量不宜超过0.55%。

4　自密实混凝土抗压强度

图3　不同含气量不同龄期混凝土抗压强度Fig.3　Compressive strength of concrete with different air content at different age

聚羧酸引气减水剂掺量不同，拌合物含气量不同，硬化后内部形成的孔隙数量有差异，是影响混凝土力学性能的重要因素。

测试0.4%、0.5%、0.55%、0.65%四种引气减水剂掺量下混凝土3 d、7 d、14 d、28 d龄期的抗压强度。边长150 mm的立方体试件，每组3个试件取平均值。含气量对不同龄期自密实混凝土抗压强度的影响见图3。

四种不同含气量下，混凝土抗压强度发展趋势不同，随龄期增长，含气量对抗压强度的影响逐渐加大。以3 d和28 d龄期抗压强度为例，当含气量从2.4%增加至4.3%、5.5%、7.8%时，混凝土3 d抗压强度下降1.2%、4.1%、7.8%，28 d抗压强度下降4.6%、10.9%、17.9%。说明含气量对C40自密实混凝土早期强度影响较小、对后期强度影响大。

用最小二乘原理拟合回归，得到C40自密实混凝土28 d抗压强度与拌合物含气量之间关系：

fcu=-0.0361a2-1.6665a+63.973

(1)

其中：相关系数R2=0.9867，fcu为混凝土28 d抗压强度，a为新拌混凝土含气量。

5　自密实混凝土抗冻性能

将四种不同引气减水剂掺量的C40自密实混凝土制成100 mm×100 mm×400 mm试件，每组3个，放入水中养护至28 d后，按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》，进行快速冻融试验。每次冻融循环时间为4 h，融化时间不少于1 h。每隔25次冻融循环测量试件质量及横向基频，由横向基频计算相对动弹性模量。当试件质量损失率达5%或者相对动弹性模量下降到60%以下时，停止试验。各组试件质量损失率较小，均未达到1.7%；相对动弹性模量随冻融循环次数变化值见表4、关系曲线见图4。

表3　相对动弹性模量随冻融次数变化

图4　不同含气量混凝土相对动弹性模量随冻融循环次数变化Fig.4　Dynamic elastic modulus versus freeze-thaw cycles for different air content

含气量为2.4%的混凝土抗冻性最差，冻融循环175次后相对动弹性模量降低至59.2%。其余3种含气量的混凝土均能经受200次冻融循环，但抗冻效果有区别。含气量为4.3%时，混凝土抗冻性最好，200次冻融循环后相对动弹性模量为72.5%；当含气量增加到5.5%和7.8%时，200次冻融循环后相对动弹性模量分别为65.6%和60.6%。说明随含气量增加，C40引气自密实混凝土抗冻性呈现先增强再变弱的趋势。

这是由于加入适量引气剂时混凝土内部形成均匀分布微气泡，冻融时内部流体压力减小，提高了抗冻性；当含气量过高时，内部孔隙相互联通，容易在混凝土内部形成裂缝，反而使抗冻能力减弱[7]。因此，当C40自密实混凝土有抗冻性要求时，推荐拌合物最佳含气量为4.3%～5.5%之间，相应聚羧酸引气减水剂掺量为0.5%～0.55%。

6　结　论

(1)采用固定砂石配比设计方法，掺加聚羧酸引气减水剂，配制C40自密实混凝土，测试坍落度、坍落扩展度、T50时间等工作性能参数，工作性能良好，达到二级自密实混凝土要求的标准;

(2)采用含气量测定仪测试不同聚羧酸引气减水剂掺量的自密实混凝土拌合物的含气量，并测试不同龄期混凝土抗压强度。结果表明，含气量的变化对早期强度影响较小，主要影响混凝土后期强度；当含气量从2.4%增加至4.3%、5.5%、7.8%时，混凝土28 d抗压强度下降4.6%、10.9%、17.9%;

(3)进行不同含气量C40自密实混凝土的快速冻融循环试验。随着含气量增加，C40自密实混凝土抗冻性呈现先增强再变弱的趋势。含气量为4.3%时，抗冻性最好，200次冻融循环后相对动弹性模量为72.5%。

[1]李书进，钱红萍，徐铮澄.纤维自密实混凝土早期收缩及阻裂特性研究[J].硅酸盐通报，2014，33(12)：3140-3144.

[2]胡江.不同掺合料及含气量对寒区混凝土耐久性的影响研究[D].重庆:重庆大学学位论文，2009.

[3]中国建筑科学研究院，JGJ55-2011.普通混凝土配合比设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4]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,(9)：80-82.

[5]杨钱荣，黄士元.引气混凝土的特性研究[J].混凝土，2008,(5)：3-7.

[6]王庆石，王起才，张凯，等.不同含气量混凝土的孔结构及抗冻性分析[J].硅酸盐通报，2015，34(01)：30-35.

[7]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+76.

Properties of Air-entraining C40 Self-compacting Concrete

HOU Jing-peng,LI Zi-shun,SHI Wei,WANG Quan

(School of Civil Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

The C40 self compacting concrete was prepared by fixed sand-stone method.The air content,workability,compressive strength at different ages,and frost resistance of the self-compacting concrete were studied with different content of air-leading water-reducing agent.Results show that when the air-leading water-reducing agent content is 0.5% of binder material,the air content of fresh concrete is 4.3% ,and the workability meets level 2 standard of self compacting concrete,and the 28 d compressive strength reaches 56.8 MPa,and the relative dynamic elastic modulus drops to 72.5% after 200 freeze-thaw cycles. Comparing to 0.4%,0.55%,0.65% content of air-leading water-reducing agent,for self compacting concrete with 0.5% air-leading water-reducing agent,the compressive strength decreased less,and frost resistance significantly enhanced. The research provides bases and

for the application of self compacting concrete with air-leading water-reducing agent.

air-leading water-reducing agent;self compacting concrete;air content;compressive strength;frost resistance

吉林省自然科学基金(20130101049JC)；吉林市科技支撑计划(2013324004)

侯景鹏(1973-)，男，博士，教授.主要从事高性能混凝土与耐久性方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)02-0428-04