高原地区抗冻引气混凝土含气量设计方法研究

李雪峰，付 智，王华牢

(交通运输部公路科学研究院桥梁隧道研究中心，北京 100088)

0 引 言

随着我国交通基础设施不断向西南地区发展，未来在平均海拔4 000 m以上的青藏高原服役的工程结构将越来越多。受季风气候及地理环境等因素影响，青藏高原地区形成了高寒且昼夜温差大的气候特点，加之其为众多江河的发源地，因此在该地区浇筑的混凝土结构应需具有较高的抗冻融破坏能力[1-2]。研究表明，控制水胶比以减少混凝土内可结冰水含量以及在混凝土中引入细小气孔以释放冻胀产生的冻胀压力或渗透压力是提升混凝土抗冻性能的主要技术措施[3-4]。相较于降低水胶比，使混凝土具有合理的气孔结构是保障混凝土具有优良抗冻耐久性能的更佳手段[5]。为此，Power等[6]最早定义浆体任意位置距其最近气孔的平均距离为气泡间距系数，并计算出临界抗冻间距系数约为250 μm。此后，大量研究证实虽然Powers提出的临界抗冻间距系数偏保守，但其与混凝土的抗冻耐久性间仍呈现良好的相关关系[7]。因此，如能提前估算硬化引气混凝土的气泡间距系数，便可预测其抗冻性能。

现有《混凝土结构耐久性设计标准》(GB/T 50476—2019)[8](简称《标准》)中针对不同冻融环境规定了引气混凝土的最大水胶比、最小胶材用量及最低设计强度等级，并给出新拌混凝土的最小含气量及硬化混凝土间距系数推荐值，以此来指导研究人员进行抗冻混凝土材料的组成设计。但实际工程中，研究人员尚需解决如下关键问题：首先，《标准》中在对引气混凝土含气量及气泡间距系数进行规定时给出的环境条件是混凝土中度饱水、高度饱水和含盐环境，并未区分微冻、寒冷及严寒三种冻融环境。显然，具有同样水分饱和度的混凝土在不同冻融环境下所需的含气量不尽相同。另外，《标准》采用双控指标(混凝土最小含气量及最大气泡间距系数)来保证混凝土材料达到要求的抗冻耐久性指数。但对于不同强度设计等级的混凝土，其达到相同抗冻耐久性指标所需的含气量(或气泡间距系数)不尽相同，实际设计中当选取合理的含气量设计值。此外，近年来的研究成果[9-12]显示，高原低气压环境会导致引气混凝土中气泡稳定性变差，并劣化气泡间距系数。以往基于平原地区得到的含气量设计经验是否能适用于高原引气混凝土设计值得商榷。一旦抗冻耐久性能不满足要求，重新设计势必耗时耗力(抗冻耐久性指数在60%以上的混凝土测试需数月之久)。因此，亟需明确混凝土含气量与其抗冻耐久性指数间的关系以有效指导混凝土材料设计。最后，由于气泡的引入会导致混凝土强度的降低，这就使研究人员更倾向于选择提高混凝土强度(降低水胶比或增加胶材用量)而不是引入足够气泡来提高混凝土抗冻耐久性能。一方面，混凝土设计强度的增加势必会造成工程建设成本的增加。另一方面，大量研究已表明高强混凝土并不代表其具有较高的抗冻耐久性能[13-14]。

为此，本文通过对高原与平原地区引气混凝土进行含气量、气孔间距系数及抗冻耐久性指数测试，同时结合国内外现有相关研究成果，针对不同水胶比(W/B)的引气混凝土，建立混凝土抗冻耐久性指数与材料特征参数(气泡间距系数及含气量)间的函数关系，并最终提出一种基于混凝土抗冻耐久性要求的高原地区抗冻引气混凝土含气量设计方法，该方法的提出旨在为提升高原抗冻混凝土的设计水平提供理论与试验依据。

1 实 验

1.1 原材料

试验所用水泥及粗细骨料基本性能如表1所示。试验中选用目前较常见的两种液体引气剂，分别为烷基磺酸盐类(alkyl sulfonate)及皂甙类(saponin)；减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率和含固量分别为30%、20%(均为质量分数)；水为饮用水。

表1 原材料基本性能Table 1 Material properties

1.2 试验方法

目前各主要设计标准或规范中对不同冻融环境下混凝土结构的材料组成提出了相应设计要求，具体如表2所示。对比发现，不同冻融环境作用下混凝土的最大水胶比范围为0.36～0.55，抗冻耐久性指数(RDF)集中在40%～85%。以表2为依据，先将最大水胶比划分为0.25～0.35、0.36～0.45和0.46～0.55三个区间。随后，在每个区间内设计水胶比为0.34、0.40和0.50的混凝土，具体如表3所示，并分别在高原(拉萨，气压64 kPa)与平原(北京，气压101 kPa)地区配制含气量水平为3%、5%和7%的引气混凝土，试验中保证新拌混凝土含气量与设计含气量水平间误差控制在±0.5%以内。试验中分别测试新拌及硬化引气混凝土的含气量，引气混凝土的气泡间距系数及抗冻耐久性指数。混凝土相关性能测试方法按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)[15]、《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420—2020)[16]及《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2017)[17]执行。

表2 冻融环境下混凝土水胶比设计要求Table 2 Design requirements for water-binder ratio of concrete in freeze-thaw environment

表3 混凝土配合比Table 3 Proportion of concrete

2 结果与讨论

2.1 高原地区混凝土含气量变化

《标准》中针对新拌混凝土含气量给出了设计值，实际硬化混凝土含气量与气泡间距系数间具有良好的函数关系。因此，如何准确地判断混凝土硬化后的真实含气量至关重要。

表4所示为不同气压环境下引气混凝土含气量、气泡间距系数及对应的抗冻耐久性指数。限于试验规模，为更好地比较不同气压环境下混凝土硬化后含气量的变化，本文基于国内外相关文献[20-35]，统计整理了不同水胶比混凝土硬化前后含气量的变化值，结果如图1所示。结果表明，与新拌混凝土含气量(Af)相比，硬化混凝土的含气量(Ah)波动范围为±1.5%，但就整体而言，硬化混凝土含气量普遍小于新拌混凝土含气量，在低气压时上述现象更为明显，这也再一次验证了高原低气压环境下引气混凝土中气泡的稳定性较差。另外，不同水胶比混凝土硬化后含气量的变化程度也不尽相同。

图1 新拌混凝土与硬化混凝土含气量关系Fig.1 Relationship between air content of freshconcrete and hardened concrete

表4 不同气压环境下引气混凝土含气量及气孔结构系数Table 4 Air content and air void parameters of air-entrained concrete under different atmospheric pressures

为进一步明确不同水胶比混凝土硬化后含气量的变化，图2给出了不同水胶比混凝土硬化后含气量变化的区间分布。结果发现，水胶比为0.25～0.35、0.36～0.45和0.46～0.55的混凝土，硬化后含气量降低的占比分别为60.9%、64.1%和79.5%。这可能与水胶比大导致浆体稠度增大，气泡更易于溢出有关。就总体而言，水胶比为0.25～0.35、0.36～0.45和0.46～0.55的混凝土损失的最大占比区间分别集中在(-1.0,-0.5]，(-0.5,0]和(-1.0,-0.5]，但就高原低气压环境下制备的混凝土而言，含气量的损失区间明显更低。

图2 新拌混凝土与硬化混凝土含气量差值分布Fig.2 Difference distribution between air content of fresh concrete and hardened concrete

基于上述分析，建议当基于新拌混凝土实测含气量预测硬化后混凝土含气量时，对于平原地区，硬化混凝土含气量较新拌混凝土含气量低约0.5%～1.0%，而在高原低压地区，该值约为1.0%～1.5%，且水胶比越大取值越大。

2.2 硬化混凝土含气量与气泡间距系数关系

引气混凝土是否具备优良的抗冻耐久性能主要取决于其气孔结构，而文献[11]中指出气泡间距系数与硬化混凝土含气量间存在式(1)所示的函数关系。但需要指出的是，由于不同水胶比会导致浆体气孔结构变化，因此，对于含气量几乎一致的混凝土，其气泡间距系数会因水胶比的变化而改变。

(1)

为此，基于本文试验结果并整理文献[36]及前述文献[20-35]中给出的相关试验数据，分别针对水胶比为0.25～0.35、0.36～0.45和0.46～0.55的混凝土进行统计回归分析，结果如图3所示。由图3可知，混凝土气泡间距系数的对数与硬化混凝土含气量值之间存在良好的线性关系。回归结果表明，混凝土气泡间距系数随水胶比的增大而增大，即增加相同的含气量，低水胶比混凝土气泡间距系数的减小程度要比高水胶比混凝土的更为明显，相应地对提升混凝土抗冻耐久性也更为有利。另外，统计结果中也可明显看出，低气压下制备的引气混凝土，其气泡间距系数普遍较高，这在一定程度上说明，如平原与高原地区分别制备得到相同含气量的混凝土，高原地区混凝土的气泡间距系数可能偏大，即低气压环境劣化了引气混凝土的气孔结构。如按平原地区经验值设计混凝土含气量，其抗冻耐久性能否达到设计要求值得商榷。

图3 硬化混凝土含气量与气泡间距系数关系(n表示样本数量)Fig.3 Relationship between air content and bubble spacing coefficient of hardened concrete (n is the number of samples)

目前针对高原地区低气压对引气混凝土气孔结构方面的研究成果有限，本文也仅针对每个水胶比范围内给出6组试验数据。因此，如想完全得到适用于高原地区的硬化混凝土含气量与气泡间距系数间的关系，尚需大量研究。鉴于本文在进行回归分析时已将高原与平原数据统一考虑，因此，目前如在高原地区通过硬化混凝土含气量预测混凝土气泡间距系数时，可先采用本文所得公式。

2.3 气泡间距系数与抗冻耐久性指数关系

目前，针对抗冻临界气泡间距系数的研究已有众多，但争议较大，不同研究者分别得到能够使混凝土具有优良抗冻耐久性的临界气泡间距系数，但数值差别较大。究其原因，是由于各自试验中采取的材料组成，尤其是水胶比存在差异。为此，本节仍将针对水胶比为0.25～0.35、0.36～0.45和0.46～0.55的混凝土，通过统计分析本文试验得到的结果及文献[20-22,24-27,29,32-36]中给出的相关数据，得到气泡间距系数与抗冻耐久性指数间的关系，这里需要指出的是，在统计过程中发现在各水胶比范围内，均会出现一些“异常点”，即气泡间距系数相近但抗冻耐久性指数差别极大，或当气泡间距系数小于一定值时，混凝土具有极高的抗冻耐久性，上述两种情形在本次统计中均不予考虑，最终结果如图4所示。

图4 气泡间距系数与抗冻耐久性指数关系(n表示样本数量)Fig.4 Relationship between bubble spacing coefficient and frost resistance durability index (n is the number of samples)

由图4可知，水胶比不同的混凝土，保证彼此间具有相同抗冻耐久性指数时所需最小气泡间距系数也不尽相同。如当RDF=60%时，对于水胶比为0.25～0.35的混凝土，其气泡间距系数仅需达到535 μm，而水胶比为0.36～0.45和0.46～0.55的混凝土，该值却分别需要达到385 μm和356 μm。此外，基于现有高原低气压混凝土抗冻耐久性试验结果发现，虽然在2.2节中指出高原低气压环境会劣化引气混凝土的气孔结构，但混凝土气泡间距系数与其抗冻耐久性指数间的关系，可认为与混凝土是否在平原或高原地区制备没有关联，属于混凝土自身的抗冻属性。因此，本节得到的不同水胶比下混凝土气泡间距系数与抗冻耐久性指数之间函数关系在高原同样适用。

3 高原地区抗冻引气混凝土含气量设计

2.1～2.3节中分别给出了不同水胶比下新拌混凝土含气量、硬化混凝土含气量、气泡间距系数及混凝土抗冻耐久性指数间的关系。因此，如何确定混凝土的抗冻耐久性设计等级是进行引气混凝土含气量设计时需首要解决的问题。《标准》针对不同冻融环境等级给出了RDF的最小设计值，但并未区分高原与平原地区。实际上，高原地区由于大气稀薄导致其年正负温差天数要远大于平原地区，如将饱水状态一致的两个混凝土结构物分别置于最冷月平均气温一样的高原和平原地区，按照《标准》中的相关规定，二者RDF设计值也应相同。但事实上，高原地区混凝土结构物年均冻融循环次数明显多于平原。武海荣等[37]在假设混凝土处于完全饱水状态下，研究提出了平原与高原地区混凝土年均冻融循环次数(nact)与最冷月平均气温(θ)间的关系式：

(2)

利用上式分别对平原和高原混凝土年均冻融循环次数进行计算，结果表明，当假设混凝土处于高度饱水状态时，高原地区混凝土年发生冻融循环次数比平原地区多30次以上，且多余次数随最冷月平均气温的增大持续增加。因此，在高原地区评估混凝土所处冻融环境并提出材料抗冻耐久性设计等级时，应对《标准》中给出的混凝土抗冻耐久性指数(RDF)最小值进行适度调整。考虑到RDF值仅代表混凝土相对抗冻能力，不能直接用于计算材料使用年限。此处，参照文献[8]中对严寒地区(θ<-8 ℃)高度饱水或含盐环境下，混凝土抗冻耐久性指数(RDF)随设计使用年限增加(30年、50年及100年)时的递增值，建议对高原严寒地区设计使用年限不小于50年，同时长期处于高度饱水或含盐环境下的混凝土结构物，其RDF设计值可增加5%。

综上分析，即可提出一种高原地区抗冻引气混凝土含气量设计方法，具体设计流程如图5所示。该方法以混凝土气泡间距系数为桥梁，针对不同水胶比分别建立了混凝土抗冻耐久性指数与气泡间距系数及混凝土含气量与气泡间距系数间的关系，并充分考虑了高原地区气候环境对混凝土抗冻耐久性能的高要求及其对引气混凝土含气量损失及气孔结构劣化的影响，最终使高原地区抗冻引气混凝土的含气量设计有章可循。

图5 高原地区抗冻引气混凝土含气量设计流程图Fig.5 Flow chart of air content design of frost resistance air-entrained concrete in plateau

4 结 论

(1)高原地区混凝土硬化后的含气量损失较平原地区更大，平原地区损失约0.5%～1.0%，而高原地区为1.0%～1.5%，且混凝土水胶比越大损失值越大。硬化混凝土含气量与混凝土气泡间距系数的对数间存在良好的线性关系。但当硬化混凝土含气量相同时，高原混凝土气泡间距系数要略大于平原混凝土，高原低气压环境可能导致引气混凝土气孔结构劣化。

(2)硬化混凝土气泡间距系数与抗冻耐久性指数间存在良好的线性关系，且不受气压环境影响。混凝土水胶比越小，其所达到相同抗冻耐久性指数时所需最小气泡间距系数越大，对于高耐久性混凝土(RDF=60%)，临界气泡间距系数分别为535 μm(水胶比0.25～0.35)、385 μm(水胶比0.36～0.45)和356 μm(水胶比0.46～0.55)。

(3)以混凝土气泡间距系数为桥梁，通过分别建立气泡间距系数与混凝土含气量及抗冻耐久性指数间的关系，提出一种基于混凝土抗冻耐久性要求的高原地区抗冻引气混凝土含气量设计方法。