摘要: 在商品混凝土中掺入适量的引气剂以提高泵送混凝土的和易性。加入引气剂后，除影响混凝土的抗压强度外，对混凝土的其它性能无不良影响。本文通过一些实验数据证明，只要掺入引气剂的含量合适，普通混凝土的抗冻性能均能获得较高。
关键词:含气量,气泡,强度,抗冻性能,核心论文
l 前言
近年来，建筑物对混凝土的耐久性能尤其是抗冻性能要求越来越高。陕西地区混凝土抗冻要求也在D300左右。普通混凝土很难达到这么高的抗冻要求。引气剂的应用无疑是目前国内外混凝土工程普通采用的改善和保证混凝土抗冻融性的最有效技术手段。
自上个世纪30年代美国开始使用引气剂,混凝土外加剂至今已经有70多年的历史了。人们一直探索引气剂对混凝土形成机理的各种影响，包括对混凝土抗冻融性能的探索。通过笔者这几年的实践，认为引气剂掺入后，可以大大改善了混凝土的抗冻融性能。对混凝土的其他性能也产生不同的影响。本文重点阐述引气量对混凝土抗冻融性能的影响。
2 含气量对混凝土抗冻性能的影响
2.1 抗冻机理
混凝土中水泥、石子、砂子内空隙自由水的存在是混凝土产生冻害的原因，孔隙中的自由水反复冻融，对孔隙壁不断产生胀压力，最终使混凝土胀裂。要提高混凝土的抗冻融能力，须使混凝土内部尽可能密实，这就要求混凝土水灰比尽可能小，一般认为，非引气混凝土要达到较高的抗冻能力，水灰比应小于0.30。采用这种方式抗冻，不仅不经济，高水泥用量引起的水化温升更不能令人接受。引气混凝土是通过混凝土中产生的气泡抵抗冻融破坏。引气剂它能在混凝土中引入直径为0.002-0.2mm的均匀微小的球形独立气泡，这些微小封闭气泡互不连通、均匀稳定分布在混凝土中，当孔隙内自出水冻结时，气泡被压缩，可大为减轻冰冻给孔隙带来的胀压力;溶解时这些气泡可恢复原状，出此孔隙内自由水反复冻融也不致对孔壁产生很大的压力。只要引气量合适，普通混凝土也可以获得非常高的抗冻性能。
2.2 含气量对抗冻融能力影响
对于含气量小于3.5%的普通混凝土，其水灰比对抗冻性有显著的影响，水灰比越小，抗冻性越好。但高抗冻要求混凝土单纯依靠降低水灰比很难达到，而且也不经济。水泥的成份、细度或水泥用量与混凝上的抗冻性几乎无关。要得到较高的抗冻能力，混凝土中必须掺入一定的引气剂。在三峡—期工程配合比试验中我们曾对引气混凝土和非引气混凝土的抗冻性能进行过对比。结果见表1。未掺引气剂的混凝土抗冻标号最高仅达D40，掺引气剂混凝上尽管粉煤灰掺量增加，抗冻标号均提高到D100以上。三峡二期大坝混凝土抗冻要求达D300，我们进一步提高混凝土的含气量，使含气量在4.5%～6%的范围内，水胶比0.50、粉煤灰掺量35%、胶凝材料仅180kg/m3(使用中热525#水泥)的混凝土抗冻能力达D300以上。西北工业大学张德思等的研究结果表明，水灰比0.71、含气量在3.5%以上的普通混凝土(普通425#水泥)及水灰比0.84，含气量4.5%以上的粉煤灰混凝土，经过300次冻融循环后，其耐久性系数均在90%以上。这说明如果混凝土中有足够的引气，则水灰比对混凝土的抗冻性影响不大，高水灰比混凝土只要引气量合适仍然可满足高抗冻要求。
1)碾压混凝土类似于常态混凝土，但引气剂的掺量则大为增加。只要含气量足够，尽管粉煤灰掺量较高也可达到令人满意的抗冻效果。笔者曾进行过试验，水胶比为0.592、胶凝材料仅130kg/m3 (采用中热525#水泥)、粉煤从掺量高达60%、含气量为4.6%的碾压混凝土，抗冻标号可达D100以上。从表l中看，未掺引气剂的碾压混凝土尽管胶凝材料高达170kg/m3 (粉煤灰掺量45%)，其抗冻标号仅为D40。前面已经说道，碾压混凝土中引气后，几乎不降强，因此，为保证混凝土的抗冻耐久性，笔者认为碾压混凝土的含气量可控制6%。粉煤灰对混凝土的抗冻性有较大的负面影响，但只要引入足够的含气量，混凝土的抗冻能力完全可以保证。
2.3 适宜含气量和气泡参数
1)对于混凝土拌和物，均存在为防止冻害所必需的最小气泡体积。克利格发现，此体积相当于砂浆体积的9%，适宜气体含量为拌和物砂浆的9±1%，且与混凝土水泥含量或骨料最大粒径无关。当采用整个拌和物的含气量表示时，所需含气量大小则随骨料的最大粒径变化而变化。见表2。这与《水工混凝土施工规范(SDl207-82)》提出的含气量基本—致(见表3)。
2)含气量要对混凝土的抗冻性起作用。所引的气泡必须微小、互不相连、能稳定均匀地分布在混凝土中。气泡的尺寸通常介于0.05～1.27mm之间。气泡过大，则容易逸出，不易稳定存在，对抗冻融反而不利。气泡间距是影响混凝土抗冻能力的关键因素。对于同一强度等级的混凝土，其耐久性系数随气泡的间距增大而显著降低。美国混凝土协会认为，为充分防止冻害，气泡间距应为0.25mm，德国则要求为0.20mm。西北工业大学张德思等通过试验认为，对于耐久性系数为90%的混凝土，相对于不同的强度等级，其气泡间距可在0.33～05mm之间变化，见图l，并对气泡间距临界指数提出建议值，见表3。表3的建议值是否具有普遍性，尚有待论证。
3)只要混凝土引气量足够。水灰比对混凝土的抗冻性影响很小，但水灰比却是影响气泡尺寸和间距的重要因素。通过对不同水灰比引气混凝土气泡尺寸研究，发现混凝土气泡尺寸随水灰比降低而减小，随水灰比增大而增大，见图2。水灰比对气泡间距的影响也类似，见图3。从图3可见，在混凝土引气量相近的情况下，水灰比越大，气泡的间距越大，表现为混凝土抗冻性能越差。因此，大水灰比混凝土要达到与小水灰比混凝土相近的抗冻能力，其引气量应相应增加。
4)气泡尺寸和气泡间距最终都反映到含气量上。当含气量 一定时，气泡尺寸越小，气泡数量越多，则气泡间距值越小。当气泡尺寸不变时，则含气量越大，气泡间距值越小，抗冻性能越好。因此对混凝土抗冻融能力控制最终还是对含气量的控制。
2.4 影响混凝土含气量因素
1)水泥、粉煤灰、砂石料、减水剂、水灰比等对引气量大小均有影响。一般粉煤灰掺量越高，水灰比越大，引气剂掺量需增大，碾压混凝土比常态混凝土引气剂掺量大。
2)对含气量的损失问题，我们关心的是在室内试验含气量可以满足抗冻要求，经过运输和入仓振捣后含气量必然有所损失(三峡工地我们测得经过2km的运输后，含气量约下降1%左右)，那么入仓后的混凝土抗冻能力是否还能保证?在室内测试的含气量中一般均有一部分属不稳定的大气泡，同济大学朱蓓蓉等认为引气合理的混凝土(即室内抗冻试验满足要求)在运输和振捣过程中的损失通常是由于这些大气泡的逸出所致，气泡的间距系数影响很小。试验表明在;50s振动时间内，混凝土的气泡间距系数变化极小，运输对气泡间距系数的影响也很小(泵送除外)。由于气泡间距是影响混凝土抗冻融能力的最直接因素(间距系数其实间接反映为混凝土的含气量)，据此是否可以这样认为，只要混凝土机口取样抗冻要求能满足，则经运输入仓后的混凝土含气量测试值尽管很小，其抗冻融能力是应该可以保证的。这样我们只需关心机口的混凝土含气量就行了。
3 引气剂对混凝土强度的影响
1)混凝土中掺入引气剂后，引入大量均匀、稳定而封闭的微小气泡，在混凝土中起类似滚珠的作用。使混凝土的流动性大为改善，提高了混凝土的和易性，减少泌水和分离。由于和易性改善，可以降低混凝土的单位用水量，在水泥用量不变的情况。可以弥补部分由于引气而致的强度损失。
2)对于碾压混凝土，笔者在三峡进行过对比，尽管引气后用水量降低很少，混凝土强度却几乎没有损失。推测可能是碾压混凝土内部本身不密实，引入的气泡大部分只是填充混凝土内部的孔隙，因而对混凝土强度几乎没有影响。
研究发现混凝土中含气量增加对断裂模量影响很小，对抗折强度几乎没有影响，这对强调抗折强度的道路混凝土的抗冻融非常有利。
抗压强度是控制混凝土抗冲磨能力的最重要因素，混凝上抗冲磨能力随抗压强度的增加而增加，引气混凝土的抗冲磨能力与相同强度的素混凝土抗冲磨能力是一样的。
3)混凝土中引气后总孔隙率虽然增加，但抗渗强度末见降低，似有提高的趋势。可能是这些不连通的封闭气泡阻隔了水的通道，延缓了水的浸入。
4 结束语
引气剂掺入混凝土中后，除影响抗压强度外，对其他性能无不良影响，使混凝土的抗冻融耐久性大为改善。对于引气混凝土，水灰比、水泥品种、粉煤灰等都不成为决定性因素，只要引气合适，大水灰比混凝土、粉煤灰混凝土、碾压混凝土等均能获得较好的抗冻性能。由于水工大坝混凝土要求的强度等级一般不高，混凝土受到最大水灰比的限制，抗压强度一般均有富余，因此应提倡在这些混凝土中掺加引气剂，对混凝土的抗冻融、抗渗透等耐久性能将很有好处。如何在混凝土中引入气泡尺寸较小、间距指数也较小的稳定气泡，将是我们的研究方向。
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