李雪峰，付 智，王華牢

(交通運輸部公路科學(xué)研究院橋梁隧道研究中心，北京 100088)

0 引 言

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施不斷向西南地區(qū)發(fā)展，未來在平均海拔4 000 m以上的青藏高原服役的工程結(jié)構(gòu)將越來越多。受季風(fēng)氣候及地理環(huán)境等因素影響，青藏高原地區(qū)形成了高寒且晝夜溫差大的氣候特點，加之其為眾多江河的發(fā)源地，因此在該地區(qū)澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)需具有較高的抗凍融破壞能力[1-2]。研究表明，控制水膠比以減少混凝土內(nèi)可結(jié)冰水含量以及在混凝土中引入細小氣孔以釋放凍脹產(chǎn)生的凍脹壓力或滲透壓力是提升混凝土抗凍性能的主要技術(shù)措施[3-4]。相較于降低水膠比，使混凝土具有合理的氣孔結(jié)構(gòu)是保障混凝土具有優(yōu)良抗凍耐久性能的更佳手段[5]。為此，Power等[6]最早定義漿體任意位置距其最近氣孔的平均距離為氣泡間距系數(shù)，并計算出臨界抗凍間距系數(shù)約為250 μm。此后，大量研究證實雖然Powers提出的臨界抗凍間距系數(shù)偏保守，但其與混凝土的抗凍耐久性間仍呈現(xiàn)良好的相關(guān)關(guān)系[7]。因此，如能提前估算硬化引氣混凝土的氣泡間距系數(shù)，便可預(yù)測其抗凍性能。

現(xiàn)有《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50476—2019)[8](簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)中針對不同凍融環(huán)境規(guī)定了引氣混凝土的最大水膠比、最小膠材用量及最低設(shè)計強度等級，并給出新拌混凝土的最小含氣量及硬化混凝土間距系數(shù)推薦值，以此來指導(dǎo)研究人員進行抗凍混凝土材料的組成設(shè)計。但實際工程中，研究人員尚需解決如下關(guān)鍵問題：首先，《標(biāo)準(zhǔn)》中在對引氣混凝土含氣量及氣泡間距系數(shù)進行規(guī)定時給出的環(huán)境條件是混凝土中度飽水、高度飽水和含鹽環(huán)境，并未區(qū)分微凍、寒冷及嚴(yán)寒三種凍融環(huán)境。顯然，具有同樣水分飽和度的混凝土在不同凍融環(huán)境下所需的含氣量不盡相同。另外，《標(biāo)準(zhǔn)》采用雙控指標(biāo)(混凝土最小含氣量及最大氣泡間距系數(shù))來保證混凝土材料達到要求的抗凍耐久性指數(shù)。但對于不同強度設(shè)計等級的混凝土，其達到相同抗凍耐久性指標(biāo)所需的含氣量(或氣泡間距系數(shù))不盡相同，實際設(shè)計中當(dāng)選取合理的含氣量設(shè)計值。此外，近年來的研究成果[9-12]顯示，高原低氣壓環(huán)境會導(dǎo)致引氣混凝土中氣泡穩(wěn)定性變差，并劣化氣泡間距系數(shù)。以往基于平原地區(qū)得到的含氣量設(shè)計經(jīng)驗是否能適用于高原引氣混凝土設(shè)計值得商榷。一旦抗凍耐久性能不滿足要求，重新設(shè)計勢必耗時耗力(抗凍耐久性指數(shù)在60%以上的混凝土測試需數(shù)月之久)。因此，亟需明確混凝土含氣量與其抗凍耐久性指數(shù)間的關(guān)系以有效指導(dǎo)混凝土材料設(shè)計。最后，由于氣泡的引入會導(dǎo)致混凝土強度的降低，這就使研究人員更傾向于選擇提高混凝土強度(降低水膠比或增加膠材用量)而不是引入足夠氣泡來提高混凝土抗凍耐久性能。一方面，混凝土設(shè)計強度的增加勢必會造成工程建設(shè)成本的增加。另一方面，大量研究已表明高強混凝土并不代表其具有較高的抗凍耐久性能[13-14]。

為此，本文通過對高原與平原地區(qū)引氣混凝土進行含氣量、氣孔間距系數(shù)及抗凍耐久性指數(shù)測試，同時結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有相關(guān)研究成果，針對不同水膠比(W/B)的引氣混凝土，建立混凝土抗凍耐久性指數(shù)與材料特征參數(shù)(氣泡間距系數(shù)及含氣量)間的函數(shù)關(guān)系，并最終提出一種基于混凝土抗凍耐久性要求的高原地區(qū)抗凍引氣混凝土含氣量設(shè)計方法，該方法的提出旨在為提升高原抗凍混凝土的設(shè)計水平提供理論與試驗依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗所用水泥及粗細骨料基本性能如表1所示。試驗中選用目前較常見的兩種液體引氣劑，分別為烷基磺酸鹽類(alkyl sulfonate)及皂甙類(saponin)；減水劑為聚羧酸高效減水劑，減水率和含固量分別為30%、20%(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))；水為飲用水。

表1 原材料基本性能Table 1 Material properties

1.2 試驗方法

目前各主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中對不同凍融環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的材料組成提出了相應(yīng)設(shè)計要求，具體如表2所示。對比發(fā)現(xiàn)，不同凍融環(huán)境作用下混凝土的最大水膠比范圍為0.36～0.55，抗凍耐久性指數(shù)(RDF)集中在40%～85%。以表2為依據(jù)，先將最大水膠比劃分為0.25～0.35、0.36～0.45和0.46～0.55三個區(qū)間。隨后，在每個區(qū)間內(nèi)設(shè)計水膠比為0.34、0.40和0.50的混凝土，具體如表3所示，并分別在高原(拉薩，氣壓64 kPa)與平原(北京，氣壓101 kPa)地區(qū)配制含氣量水平為3%、5%和7%的引氣混凝土，試驗中保證新拌混凝土含氣量與設(shè)計含氣量水平間誤差控制在±0.5%以內(nèi)。試驗中分別測試新拌及硬化引氣混凝土的含氣量，引氣混凝土的氣泡間距系數(shù)及抗凍耐久性指數(shù)?；炷料嚓P(guān)性能測試方法按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)[15]、《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG 3420—2020)[16]及《水工混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5150—2017)[17]執(zhí)行。

表2 凍融環(huán)境下混凝土水膠比設(shè)計要求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 結(jié)果與討論

2.1 高原地區(qū)混凝土含氣量變化

《標(biāo)準(zhǔn)》中針對新拌混凝土含氣量給出了設(shè)計值，實際硬化混凝土含氣量與氣泡間距系數(shù)間具有良好的函數(shù)關(guān)系。因此，如何準(zhǔn)確地判斷混凝土硬化后的真實含氣量至關(guān)重要。

表4所示為不同氣壓環(huán)境下引氣混凝土含氣量、氣泡間距系數(shù)及對應(yīng)的抗凍耐久性指數(shù)。限于試驗規(guī)模，為更好地比較不同氣壓環(huán)境下混凝土硬化后含氣量的變化，本文基于國內(nèi)外相關(guān)文獻[20-35]，統(tǒng)計整理了不同水膠比混凝土硬化前后含氣量的變化值，結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明，與新拌混凝土含氣量(Af)相比，硬化混凝土的含氣量(Ah)波動范圍為±1.5%，但就整體而言，硬化混凝土含氣量普遍小于新拌混凝土含氣量，在低氣壓時上述現(xiàn)象更為明顯，這也再一次驗證了高原低氣壓環(huán)境下引氣混凝土中氣泡的穩(wěn)定性較差。另外，不同水膠比混凝土硬化后含氣量的變化程度也不盡相同。

圖1 新拌混凝土與硬化混凝土含氣量關(guān)系Fig.1 Relationship between air content of freshconcrete and hardened concrete

表4 不同氣壓環(huán)境下引氣混凝土含氣量及氣孔結(jié)構(gòu)系數(shù)Table 4 Air content and air void parameters of air-entrained concrete under different atmospheric pressures

為進一步明確不同水膠比混凝土硬化后含氣量的變化，圖2給出了不同水膠比混凝土硬化后含氣量變化的區(qū)間分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水膠比為0.25～0.35、0.36～0.45和0.46～0.55的混凝土，硬化后含氣量降低的占比分別為60.9%、64.1%和79.5%。這可能與水膠比大導(dǎo)致漿體稠度增大，氣泡更易于溢出有關(guān)。就總體而言，水膠比為0.25～0.35、0.36～0.45和0.46～0.55的混凝土損失的最大占比區(qū)間分別集中在(-1.0,-0.5]，(-0.5,0]和(-1.0,-0.5]，但就高原低氣壓環(huán)境下制備的混凝土而言，含氣量的損失區(qū)間明顯更低。

圖2 新拌混凝土與硬化混凝土含氣量差值分布Fig.2 Difference distribution between air content of fresh concrete and hardened concrete

基于上述分析，建議當(dāng)基于新拌混凝土實測含氣量預(yù)測硬化后混凝土含氣量時，對于平原地區(qū)，硬化混凝土含氣量較新拌混凝土含氣量低約0.5%～1.0%，而在高原低壓地區(qū)，該值約為1.0%～1.5%，且水膠比越大取值越大。

2.2 硬化混凝土含氣量與氣泡間距系數(shù)關(guān)系

引氣混凝土是否具備優(yōu)良的抗凍耐久性能主要取決于其氣孔結(jié)構(gòu)，而文獻[11]中指出氣泡間距系數(shù)與硬化混凝土含氣量間存在式(1)所示的函數(shù)關(guān)系。但需要指出的是，由于不同水膠比會導(dǎo)致漿體氣孔結(jié)構(gòu)變化，因此，對于含氣量幾乎一致的混凝土，其氣泡間距系數(shù)會因水膠比的變化而改變。

(1)

為此，基于本文試驗結(jié)果并整理文獻[36]及前述文獻[20-35]中給出的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，分別針對水膠比為0.25～0.35、0.36～0.45和0.46～0.55的混凝土進行統(tǒng)計回歸分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，混凝土氣泡間距系數(shù)的對數(shù)與硬化混凝土含氣量值之間存在良好的線性關(guān)系。回歸結(jié)果表明，混凝土氣泡間距系數(shù)隨水膠比的增大而增大，即增加相同的含氣量，低水膠比混凝土氣泡間距系數(shù)的減小程度要比高水膠比混凝土的更為明顯，相應(yīng)地對提升混凝土抗凍耐久性也更為有利。另外，統(tǒng)計結(jié)果中也可明顯看出，低氣壓下制備的引氣混凝土，其氣泡間距系數(shù)普遍較高，這在一定程度上說明，如平原與高原地區(qū)分別制備得到相同含氣量的混凝土，高原地區(qū)混凝土的氣泡間距系數(shù)可能偏大，即低氣壓環(huán)境劣化了引氣混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)。如按平原地區(qū)經(jīng)驗值設(shè)計混凝土含氣量，其抗凍耐久性能否達到設(shè)計要求值得商榷。

圖3 硬化混凝土含氣量與氣泡間距系數(shù)關(guān)系(n表示樣本數(shù)量)Fig.3 Relationship between air content and bubble spacing coefficient of hardened concrete (n is the number of samples)

目前針對高原地區(qū)低氣壓對引氣混凝土氣孔結(jié)構(gòu)方面的研究成果有限，本文也僅針對每個水膠比范圍內(nèi)給出6組試驗數(shù)據(jù)。因此，如想完全得到適用于高原地區(qū)的硬化混凝土含氣量與氣泡間距系數(shù)間的關(guān)系，尚需大量研究。鑒于本文在進行回歸分析時已將高原與平原數(shù)據(jù)統(tǒng)一考慮，因此，目前如在高原地區(qū)通過硬化混凝土含氣量預(yù)測混凝土氣泡間距系數(shù)時，可先采用本文所得公式。

2.3 氣泡間距系數(shù)與抗凍耐久性指數(shù)關(guān)系

目前，針對抗凍臨界氣泡間距系數(shù)的研究已有眾多，但爭議較大，不同研究者分別得到能夠使混凝土具有優(yōu)良抗凍耐久性的臨界氣泡間距系數(shù)，但數(shù)值差別較大。究其原因，是由于各自試驗中采取的材料組成，尤其是水膠比存在差異。為此，本節(jié)仍將針對水膠比為0.25～0.35、0.36～0.45和0.46～0.55的混凝土，通過統(tǒng)計分析本文試驗得到的結(jié)果及文獻[20-22,24-27,29,32-36]中給出的相關(guān)數(shù)據(jù)，得到氣泡間距系數(shù)與抗凍耐久性指數(shù)間的關(guān)系，這里需要指出的是，在統(tǒng)計過程中發(fā)現(xiàn)在各水膠比范圍內(nèi)，均會出現(xiàn)一些“異常點”，即氣泡間距系數(shù)相近但抗凍耐久性指數(shù)差別極大，或當(dāng)氣泡間距系數(shù)小于一定值時，混凝土具有極高的抗凍耐久性，上述兩種情形在本次統(tǒng)計中均不予考慮，最終結(jié)果如圖4所示。

圖4 氣泡間距系數(shù)與抗凍耐久性指數(shù)關(guān)系(n表示樣本數(shù)量)Fig.4 Relationship between bubble spacing coefficient and frost resistance durability index (n is the number of samples)

由圖4可知，水膠比不同的混凝土，保證彼此間具有相同抗凍耐久性指數(shù)時所需最小氣泡間距系數(shù)也不盡相同。如當(dāng)RDF=60%時，對于水膠比為0.25～0.35的混凝土，其氣泡間距系數(shù)僅需達到535 μm，而水膠比為0.36～0.45和0.46～0.55的混凝土，該值卻分別需要達到385 μm和356 μm。此外，基于現(xiàn)有高原低氣壓混凝土抗凍耐久性試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然在2.2節(jié)中指出高原低氣壓環(huán)境會劣化引氣混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)，但混凝土氣泡間距系數(shù)與其抗凍耐久性指數(shù)間的關(guān)系，可認為與混凝土是否在平原或高原地區(qū)制備沒有關(guān)聯(lián)，屬于混凝土自身的抗凍屬性。因此，本節(jié)得到的不同水膠比下混凝土氣泡間距系數(shù)與抗凍耐久性指數(shù)之間函數(shù)關(guān)系在高原同樣適用。

3 高原地區(qū)抗凍引氣混凝土含氣量設(shè)計

2.1～2.3節(jié)中分別給出了不同水膠比下新拌混凝土含氣量、硬化混凝土含氣量、氣泡間距系數(shù)及混凝土抗凍耐久性指數(shù)間的關(guān)系。因此，如何確定混凝土的抗凍耐久性設(shè)計等級是進行引氣混凝土含氣量設(shè)計時需首要解決的問題。《標(biāo)準(zhǔn)》針對不同凍融環(huán)境等級給出了RDF的最小設(shè)計值，但并未區(qū)分高原與平原地區(qū)。實際上，高原地區(qū)由于大氣稀薄導(dǎo)致其年正負溫差天數(shù)要遠大于平原地區(qū)，如將飽水狀態(tài)一致的兩個混凝土結(jié)構(gòu)物分別置于最冷月平均氣溫一樣的高原和平原地區(qū)，按照《標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定，二者RDF設(shè)計值也應(yīng)相同。但事實上，高原地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)物年均凍融循環(huán)次數(shù)明顯多于平原。武海榮等[37]在假設(shè)混凝土處于完全飽水狀態(tài)下，研究提出了平原與高原地區(qū)混凝土年均凍融循環(huán)次數(shù)(nact)與最冷月平均氣溫(θ)間的關(guān)系式：

(2)

利用上式分別對平原和高原混凝土年均凍融循環(huán)次數(shù)進行計算，結(jié)果表明，當(dāng)假設(shè)混凝土處于高度飽水狀態(tài)時，高原地區(qū)混凝土年發(fā)生凍融循環(huán)次數(shù)比平原地區(qū)多30次以上，且多余次數(shù)隨最冷月平均氣溫的增大持續(xù)增加。因此，在高原地區(qū)評估混凝土所處凍融環(huán)境并提出材料抗凍耐久性設(shè)計等級時，應(yīng)對《標(biāo)準(zhǔn)》中給出的混凝土抗凍耐久性指數(shù)(RDF)最小值進行適度調(diào)整。考慮到RDF值僅代表混凝土相對抗凍能力，不能直接用于計算材料使用年限。此處，參照文獻[8]中對嚴(yán)寒地區(qū)(θ<-8 ℃)高度飽水或含鹽環(huán)境下，混凝土抗凍耐久性指數(shù)(RDF)隨設(shè)計使用年限增加(30年、50年及100年)時的遞增值，建議對高原嚴(yán)寒地區(qū)設(shè)計使用年限不小于50年，同時長期處于高度飽水或含鹽環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)物，其RDF設(shè)計值可增加5%。

綜上分析，即可提出一種高原地區(qū)抗凍引氣混凝土含氣量設(shè)計方法，具體設(shè)計流程如圖5所示。該方法以混凝土氣泡間距系數(shù)為橋梁，針對不同水膠比分別建立了混凝土抗凍耐久性指數(shù)與氣泡間距系數(shù)及混凝土含氣量與氣泡間距系數(shù)間的關(guān)系，并充分考慮了高原地區(qū)氣候環(huán)境對混凝土抗凍耐久性能的高要求及其對引氣混凝土含氣量損失及氣孔結(jié)構(gòu)劣化的影響，最終使高原地區(qū)抗凍引氣混凝土的含氣量設(shè)計有章可循。

圖5 高原地區(qū)抗凍引氣混凝土含氣量設(shè)計流程圖Fig.5 Flow chart of air content design of frost resistance air-entrained concrete in plateau

4 結(jié) 論

(1)高原地區(qū)混凝土硬化后的含氣量損失較平原地區(qū)更大，平原地區(qū)損失約0.5%～1.0%，而高原地區(qū)為1.0%～1.5%，且混凝土水膠比越大損失值越大。硬化混凝土含氣量與混凝土氣泡間距系數(shù)的對數(shù)間存在良好的線性關(guān)系。但當(dāng)硬化混凝土含氣量相同時，高原混凝土氣泡間距系數(shù)要略大于平原混凝土，高原低氣壓環(huán)境可能導(dǎo)致引氣混凝土氣孔結(jié)構(gòu)劣化。

(2)硬化混凝土氣泡間距系數(shù)與抗凍耐久性指數(shù)間存在良好的線性關(guān)系，且不受氣壓環(huán)境影響?；炷了z比越小，其所達到相同抗凍耐久性指數(shù)時所需最小氣泡間距系數(shù)越大，對于高耐久性混凝土(RDF=60%)，臨界氣泡間距系數(shù)分別為535 μm(水膠比0.25～0.35)、385 μm(水膠比0.36～0.45)和356 μm(水膠比0.46～0.55)。

(3)以混凝土氣泡間距系數(shù)為橋梁，通過分別建立氣泡間距系數(shù)與混凝土含氣量及抗凍耐久性指數(shù)間的關(guān)系，提出一種基于混凝土抗凍耐久性要求的高原地區(qū)抗凍引氣混凝土含氣量設(shè)計方法。