肖 陽(yáng),張守杰

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

引氣劑對(duì)混凝土抗凍性和抗?jié)B性影響研究

肖 陽(yáng)1,張守杰2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

本文通過(guò)混凝土吸水率、表面氣體滲透系數(shù)、氯離子電通量及快速凍融循環(huán)試驗(yàn),研究了引氣劑對(duì)混凝土的抗?jié)B及抗凍性能的影響，并從混凝土的孔結(jié)構(gòu)及界面過(guò)渡區(qū)進(jìn)行了微觀機(jī)理分析。結(jié)果表明：隨著引氣劑摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度略有下降，混凝土的最終吸水率和氯離子電通量有減小的趨勢(shì)，引氣混凝土抗凍等級(jí)均達(dá)到了DF300。引氣劑可以細(xì)化混凝土的孔結(jié)構(gòu)，降低氣泡間距系數(shù)，有利于改善混凝土的抗凍性和抗?jié)B性。關(guān)鍵詞：混凝土；滲透性；抗凍性；引氣劑；孔結(jié)構(gòu)

引氣劑是寒冷地區(qū)混凝土工程中常用的外加劑之一。它實(shí)際上是一種表面活性劑，活性劑分子一端為親水基，另一端為疏水基[1],可以在混凝土中引入許多微小且分布均勻的氣泡，進(jìn)而改善混凝土的和易性及耐久性能[2-3]。混凝土內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu)與宏觀性能及耐久性能是密切相關(guān)的，吳中偉、布特、Jawed和近藤連一等學(xué)者根據(jù)氣孔孔隙大小及影響，對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分級(jí)[4-6]，他們一致認(rèn)為孔徑在10～100 nm之間的孔隙對(duì)混凝土的耐久性能有利。混凝土中孔隙越多，其抗壓強(qiáng)度會(huì)降低，并受其孔隙的尺寸及分布影響很大[7]，有研究表明相同水膠比條件下，硬化混凝土中含氣量每增加 1%，抗壓強(qiáng)度降低3%～5%[8-9]。Narayanan Neithalath等人認(rèn)為混凝土的孔隙分布對(duì)其滲透性和抗凍性也有著較大的影響，隨著孔的直徑和孔隙率的增大，混凝土的抗?jié)B及抗凍性能均會(huì)變差[10]，H.S.Wong等人發(fā)現(xiàn)引氣增大了氣體對(duì)混凝土滲透的傾向，但與混凝土內(nèi)部濕度關(guān)系很大[11]。周世華等人指出當(dāng)混凝土中總含氣量不超過(guò)6%時(shí)，引氣不但不會(huì)對(duì)混凝土的使用性能造成影響，反而會(huì)增強(qiáng)混凝土的韌性[12]。Kejin Wang等人經(jīng)過(guò)研究得到合理引氣可以明顯改善混凝土的抗水及離子滲透性能[13]。

為了進(jìn)一步明晰引氣劑的作用，本文主要采用了混凝土吸水率的測(cè)定、電通量法、表面氣體滲透儀分別對(duì)混凝土的抗水、氯離子及氣體滲透能力進(jìn)行研究，綜合表征引氣劑對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響，同時(shí)采用了氣泡間距系數(shù)及最可幾孔徑概念對(duì)混凝土的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，旨在從宏觀和微觀兩個(gè)角度上解析引氣劑對(duì)混凝土的抗?jié)B及抗凍性能的影響規(guī)律。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥為天鵝牌P·O 42.5的水泥。粉煤灰為哈爾濱市興熱粉煤灰開(kāi)發(fā)有限公司粉煤灰制品分公司生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰，其活性指數(shù)為80.7%。細(xì)集料采用細(xì)度模數(shù)為2.42的II區(qū)中砂，粗集料采用5～10 mm、10～25 mm混合比例為4∶6的二級(jí)配碎石。萘系高效減水劑摻量范圍為1.0%。引氣劑為黑龍江省水利科學(xué)研究院研制的SB-G混凝土引氣劑。水為哈爾濱市飲用自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土吸水率、表面氣體滲透系數(shù)及氯離子電通量用來(lái)表征混凝土的抗?jié)B性能?；炷廖实臏y(cè)定方法：將混凝土在干燥箱中烘干至恒重，記下其初始質(zhì)量，而后放入水中，每隔一段時(shí)間稱量一次質(zhì)量直至其質(zhì)量不再變化。表面氣體滲透系數(shù)是采用Torrent Permeability Tester進(jìn)行測(cè)定的。采用快速凍融試驗(yàn)方法和氯離子電通量試驗(yàn)方法來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的抗凍性能和抗?jié)B性。采用NELD-BS610硬化混凝土氣泡間距系數(shù)分析儀對(duì)混凝土內(nèi)部的氣泡間距系數(shù)進(jìn)行測(cè)試分析。用AUTOPOREIV9500全自動(dòng)壓汞儀分析混凝土的孔結(jié)構(gòu)。采用Quanta 200F場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)混凝土的界面過(guò)渡區(qū)進(jìn)行觀測(cè)分析。

1.3 試驗(yàn)配合比

本次試驗(yàn)研究了3種不同含氣量的混凝土的抗凍性及抗?jié)B性，混凝土配合比及相關(guān)性能如表1所示。

表1 混凝土配合比及其新拌性能

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 混凝土的抗凍性能

圖1 混凝土的抗壓強(qiáng)度與引氣劑摻量的關(guān)系

由圖2、圖3可知，在經(jīng)歷凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，含氣量大的混凝土的質(zhì)量損失率相對(duì)較小，其相對(duì)動(dòng)彈性模量相對(duì)較大。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到300次時(shí)，含氣量為4.0%的混凝土的質(zhì)量損失僅為1.41%，其相對(duì)動(dòng)彈性模量仍可達(dá)79.97%，其抗凍等級(jí)超過(guò)了DF300，而未引氣混凝土的質(zhì)量損失已經(jīng)超過(guò)了5%，其抗凍等級(jí)僅為DF275?？梢?jiàn)適當(dāng)摻用引氣劑能提高混凝土的抗凍性能。

圖2 混凝土的質(zhì)量損失與凍融次數(shù)的關(guān)系

圖3 混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融次數(shù)的關(guān)系

2.2 混凝土的抗?jié)B性能

由圖4可知，隨著含氣量增加，混凝土的最終吸水率有減小的趨勢(shì)。Y0、Y1、Y1.5的最終吸水率分別為3.30%、3.25%、3.15%；由圖5可知，混凝土的6 h電通量與含氣量呈反比關(guān)系，這與黃維蓉等人的研究結(jié)論“當(dāng)混凝土的含氣量<5%時(shí)，含氣量越大，其電通量越小”相一致[14]，沒(méi)有引氣的混凝土的電通量為1679.44 C，而含氣量為4%混凝土的電通量為1492.90 C。由此可見(jiàn)，引氣劑的加入可以改善混凝土抗水、氯離子的滲透性能。

圖4 混凝土的吸水率隨時(shí)間變化關(guān)系

圖5 混凝土的電通量與引氣劑摻量的關(guān)系

混凝土經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)越多，其內(nèi)部損傷累積也越大，所以其表面滲透深度也越大。如圖6所示，凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，含氣量越大的混凝土的表面氣體滲透深度也越?。划?dāng)凍融循環(huán)200次時(shí)，Y0、Y1、Y1.5的表面氣體滲透深度分別為31.8 mm、22.1 mm、20.0 mm。從圖7中可以看出，當(dāng)混凝土未經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)時(shí)，Y0、Y1、Y1.5的表面氣體滲透系數(shù)十分接近，這表明引氣劑對(duì)未凍混凝土的表面抗氣體滲透能力改善不大，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，引氣劑的作用效果逐漸明顯。從圖8可以看出，經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)后，引氣劑摻量為1.5的混凝土的界面及漿體中的裂縫明顯比未摻引氣劑的少，其界面及漿體仍較連續(xù)，而未摻引氣劑的界面中已經(jīng)出現(xiàn)了較大的連通裂縫，所以其表面氣體滲透深度較大。

圖6 表面氣體滲透深度與引氣劑摻量的關(guān)系

圖7 表面氣體滲透系數(shù)與引氣劑摻量的關(guān)系

圖8 200次凍融循環(huán)后混凝土的形貌

圖9 氣泡間距系數(shù)與引氣劑摻量的關(guān)系

綜合上述結(jié)果分析來(lái)看，含氣量有利于改善混凝土的抗?jié)B性能，這與其孔結(jié)構(gòu)及孔徑分布密切相關(guān)。

2.3 混凝土孔結(jié)構(gòu)分析

混凝土的宏觀性能變化與其孔結(jié)構(gòu)存在著密切的聯(lián)系，從圖9中可以看出，引氣劑摻量越多的混凝土的氣泡間距系數(shù)越小，這是因?yàn)橐龤鈩┰诨炷林幸朐S多微小且可以分布均勻的氣泡，改變了混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)。Y0、Y1、Y1.5的氣泡間距系數(shù)分別為395 μm、276 μm、130 μm，結(jié)合2.1及2.2中的結(jié)果可知，Y1、Y1.5均展現(xiàn)出了良好的抗凍性能，這與黃士元等人的研究結(jié)論“抗凍性能良好的混凝土的平均氣泡間距系數(shù)應(yīng)<250 μm”[15]吻合。

隨著混凝土所受壓力的增大，汞可進(jìn)入混凝土中更小的孔隙。從圖10中可以明顯看出，引氣劑摻量越大的混凝土的累積進(jìn)汞量越大；未退汞量是指退汞曲線與縱軸交點(diǎn)處的累積進(jìn)汞量值，從退汞曲線中可以看出，Y0、Y1、Y1.5的未退汞量分別為0.042 mL/g、0.045 mL/g、0.052 mL/g，這表明引氣劑摻量越大的混凝土的“墨水瓶”孔隙含量越多。

圖10 混凝土累積進(jìn)汞量與壓力的關(guān)系

從圖11中可以看出，引氣混凝土中孔徑<1000 nm的孔隙明顯比未引氣的多，孔徑<100 nm時(shí)尤為明顯。圖12為混凝土的孔徑分布微分曲線，其峰值處對(duì)應(yīng)的孔徑為最可幾孔徑，即出現(xiàn)幾率最大的孔徑，從圖中可以看出，Y0、Y1、Y1.5的最可幾孔徑分別為33.63 nm、31.87 nm、26.47 nm，隨著引氣劑摻量的增加，最可幾孔徑有減小的趨勢(shì)。

圖11 孔徑分布積分曲線

圖12 孔徑分布微分曲線

因此，引氣劑的加入使混凝土中最可幾孔徑減小，細(xì)化了混凝土的孔結(jié)構(gòu)。氣泡間距系數(shù)降低有利于緩解凍脹壓力和水遷移產(chǎn)生的滲透壓力，從而改善了混凝土的抗?jié)B及抗凍性能。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)含氣量由1.6%增至4.0%，未凍混凝土的抗壓強(qiáng)度降低了12.62%，200次凍融循環(huán)后，含氣量為4.0%的混凝土的抗壓強(qiáng)度仍可達(dá)48.02 MPa，引氣混凝土的抗凍等級(jí)可達(dá)到DF300。

(2)混凝土未經(jīng)過(guò)凍融時(shí)，其表面氣體滲透系數(shù)受引氣劑的影響不大，凍融循環(huán)200次后，引氣劑摻量大的混凝土的表面氣體滲透系數(shù)明顯較小；隨著引氣劑摻量的增加，未凍混凝土的氯離子電通量及吸水率逐漸降低，引氣劑提高了混凝土的抗?jié)B性能；

(3)引氣劑的加入減小了最可幾孔徑，使混凝土的孔結(jié)構(gòu)細(xì)化，氣泡間距系數(shù)降低，進(jìn)而提高了混凝土的抗?jié)B及抗凍性能。

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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 陽(yáng)(1990-),男，碩士，主要從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