高含气量对混凝土抗冻性的影响

孙飞鹏

上海建工材料工程有限公司 上海 200086

在北方地区或南方室内冰雪场等项目中，混凝土的抗冻能力将直接影响混凝土结构的长期性及耐久性，耐久性关系到工程结构的使用寿命。

快冻法基于检验混凝土快速冻融循环次数的原理来反映混凝土的抗冻性能，冻融循环次数越多，混凝土的抗冻性能越高[1-2]。

一般认为混凝土拌和物的含气量在5%～6%时，硬化混凝土的抗冻性达到最佳。

本文通过在C60高强混凝土中掺入不同掺量的引气剂，研究混凝土是否能达到预期的抗冻效果。

为减小快冻法试验的相关误差（含气量作为影响混凝土抗冻性的主要因素之一），前期试验明确了同一配合比的混凝土拌和物，其坍落度大小、加水量多少和含气量大小基本无关，后期的试验就剔除了这些因素，有助于工程技术人员根据相关试验，做出合理推断，以便更好地利用快冻法的检测手段来快速判断硬化混凝土的抗冻性能。

1 试验方法

本次试验从C60混凝土强度等级的配合比研究入手，将来再逐步扩展到C35、C40、C50、C80等其他各强度等级。本次试验混凝土的养护条件为：

1）养护温度分为标准养护 （20 ℃±2 ℃）及水养护（20 ℃±2 ℃）这2种养护方式。

2）养护的相对湿度为≥90%（标准养护）及100%（水养，即湿度为100%）。

3）养护龄期为28 d。

2 试验配比及数据

本次试验的研究目标是混凝土拌和物的高含气量对成形后硬化混凝土抗冻性和抗压强度的影响。混凝土强度设计根据国家标准JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行，试验方法根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，具体如表1、表2所示。

3 试验数据的分析

3.1 含气量为7.2%的混凝土抗冻融试验数据分析

含气量为7.2%的混凝土抗冻融试验数据如图1所示。由图1可知：当混凝土拌和物含气量为7.2%时，随着冻融循环次数的增加，成形混凝土试件的相对动弹性模量呈现直线下滑的趋势，而质量损失率呈缓步上升的趋势。

3.2 含气量为7.8%的混凝土抗冻融试验数据分析

含气量为7.8%的混凝土抗冻融试验数据如图2所示。

表1 C60混凝土配合比设计及抗压强度

表2 硬化混凝土试件抗冻融循环试验数据

图1 含气量为7.2%的P值、 ΔW值变化趋势

图2 含气量为7.8%的P值、 ΔW值变化趋势

由图2可知：当混凝土拌和物的含气量为7.8%时，随着冻融循环次数的增加，成形混凝土试件的相对动弹性模量呈现出缓步下滑的趋势，而质量损失率却呈逐步上升的趋势。

3.3 含气量为9.4%的混凝土抗冻融试验数据分析

含气量为9.4%的混凝土抗冻融试验数据如图3所示。

由图3可知：当混凝土拌和物含气量为9.4%时，随着冻融循环次数的增加，成形混凝土试件的相对动弹性模量呈现先上升再下滑的趋势，而质量损失率却呈逐步上升的趋势。

3.4 含气量为10.2%的混凝土抗冻融试验数据分析

含气量为10.2%的混凝土抗冻融试验数据如图4所示。

由图4可知：当混凝土拌和物含气量为10.2%时，随着冻融循环次数的增加，成形混凝土试件的相对动弹性模量呈现基本平稳的趋势，而质量损失率却呈逐步上升的趋势。

图2 含气量为10.2%的P值、 ΔW值变化趋势

图3 含气量为9.4%的P值、 ΔW值变化趋势

3.5 含气量为14.3%的混凝土抗冻融试验数据分析

含气量为14.3%的混凝土抗冻融试验数据如图5所示。

由图5可知：当混凝土拌和物含气量为14.3%时，随着冻融循环次数的增加，成形混凝土试件的相对动弹性模量呈现稳步下滑的趋势，而质量损失率却呈逐步上升的趋势。

3.6 含气量为18.0%的混凝土抗冻融试验数据分析

含气量为18.0%的混凝土抗冻融试验数据如图6所示。

由图6可知：当混凝土拌和物含气量为18.0%时，随着冻融循环次数的增加，成形混凝土试件的相对动弹性模量呈现下滑的趋势，而质量损失率却呈逐步上升的趋势。

图5 含气量为14.3%的P值、 ΔW值变化趋势

图6 含气量为18.0%的P值、 ΔW值变化趋势

3.7 不同含气量混凝土F200下的相对动弹性模量及质量损失率变化趋势

不同含气量混凝土F200下的相对动弹性模量及质量损失率变化趋势如图7所示。由图7可知：在F200冻融循环条件下，随着混凝土拌和物含气量的增加，成形混凝土试件的相对动弹性模量呈现比较平稳的趋势，含气量为7.8%时，相对动弹性模量最高，但质量损失率却随含气量的上升呈逐步上升的趋势。

3.8 不同含气量混凝土F300下的相对动弹性模量及质量损失率变化趋势

不同含气量混凝土F300下的相对动弹性模量及质量损失率变化趋势如图8所示。由图8可知：在F300冻融循环条件下，随着混凝土拌和物含气量的增加，成形混凝土试件的相对动弹性模量呈现两头低、中间高的态势，含气量为7.8%时，相对动弹性模量最高，但质量损失率却随含气量的上升呈逐步上升的趋势。

3.9 不同含气量混凝土F400下的相对动弹性模量及质量损失率变化趋势

图7 F200不同含气量的P值、 ΔW值比较

图8 F300不同含气量的P值、 ΔW值比较

不同含气量混凝土F400下的相对动弹性模量及质量损失率变化趋势如图9所示。由图9可知：在F400冻融循环条件下，随着混凝土拌和物含气量的增加，成形混凝土试件的相对动弹性模量呈先升后降的趋势，含气量为9.4%时，相对动弹性模量最高，但质量损失率却随含气量的上升呈逐步上升的趋势。

3.10 不同含气量混凝土F500下的相对动弹性模量及质量损失率变化趋势

不同含气量混凝土F500下的相对动弹性模量及质量损失率变化趋势如图10所示。由图10可知：在F500冻融循环条件下，随着混凝土拌和物含气量的增加，成形混凝土试件的相对动弹性模量呈现先升后降的趋势，含气量为9.4%时，相对动弹性模量最高，但质量损失率却随含气量的上升呈逐步上升的趋势。

图9 F400不同含气量的P值、 ΔW值比较

图10 F500不同含气量的P值、 ΔW值比较

3.11 不同含气量混凝土F600下的相对动弹性模量及质量损失率变化趋势

不同含气量混凝土F600下的相对动弹性模量及质量损失率变化趋势如图11所示。由图11可知：在F600冻融循环条件下，随着混凝土拌和物含气量的增加，成形混凝土试件的相对动弹性模量呈现先升后降的趋势，含气量为10.2%时，相对动弹性模量最高，但质量损失率却随含气量的上升呈逐步上升的趋势。

3.12 含气量和强度的关系

混凝土含气量和强度的关系如图12所示。由图12可知：随着混凝土拌和物含气量的增加，成形混凝土试件的7 d及28 d抗压强度基本呈逐步下滑的趋势，混凝土拌和物含气量在9.4%及以上时，硬化混凝土试件的7 d及28 d抗压强度基本接近。

4 试验结论

1）高含气量混凝土（含气量＞6.0%）的抗冻性能，在混凝土拌和物含气量为8%～10%时达到最佳。

图11 F600不同含气量的P值 ΔW值比较

图12 含气量和强度的关系

2）高含气量混凝土（含气量＞6.0%）的抗冻融循环后的混凝土质量损失率，随着混凝土拌和物含气量的增加而增大。

3）高含气量混凝土（含气量＞6.0%）的抗冻融循环试验数据表明，其相对动弹性模量的变化大于其质量损失率的变化。

4）高含气量混凝土（含气量＞6.0%）的7、28 d抗压强度，随着含气量的增加而逐步降低，含气量超过20%时，混凝土抗压强度更是急剧降低。

5）以C60为基准配合比配制的高含气量混凝土（含气量＞6.0%）的抗冻性能，当混凝土拌和物含气量为7.2%～18.0%时，全部能达到F600的抗冻要求。

6）以C60为基准配合比配制的高含气量混凝土（含气量＞6.0%）的抗压强度，当混凝土拌和物含气量达到9.4%及以上时，硬化混凝土试件的7 、28 d抗压强度基本接近。

5 原因分析

高含气量混凝土（含气量＞6.0%）含气量增加，是由于混凝土拌和物中掺入了不同掺量的引气剂。随着引气剂掺量的增大，混凝土拌和物的含气量也会逐步增大。因为引气剂是具有憎水作用的表面活性剂，所以它可以明显降低混凝土拌和水的表面张力，使混凝土内部产生大量稳定的气泡。这些气泡能使混凝土结冰膨胀时的膨胀压得到缓冲或抵消，但高含气量混凝土（含气量＞6.0%）的抗冻性能，或者说其气泡含量达到多少时，对膨胀压的缓冲能力达到最佳，理论上肯定存在一个最佳含气量值。

随着混凝土拌和物含气量的增加，硬化混凝土的抗压强度逐步降低应该不难理解，可能主要是由于混凝土拌和物的密实度不断降低所致，同时也致使抗冻融循环后的质量损失率同步升高。