引氣劑對(duì)水工混凝土性能影響的試驗(yàn)研究

陳 仁 峰， 唐 善 安， 肖 延 亮

(1. 四川省能投攀枝花水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610071；2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

水電是清潔的可再生能源，水電開發(fā)是我國(guó)西部大開發(fā)的重點(diǎn)之一。為了提高可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例，降低因燃煤引起的大氣污染，改善我國(guó)的大氣環(huán)境質(zhì)量，未來10多年我國(guó)仍將繼續(xù)推進(jìn)水電工程建設(shè)。然而，海拔低、開發(fā)條件好的水電項(xiàng)目已經(jīng)陸續(xù)建成或正在建設(shè)，未來水電工程建設(shè)的重點(diǎn)將向高海拔、高寒地區(qū)轉(zhuǎn)移。這些地區(qū)日溫差變化大，初步估計(jì)每年經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)可達(dá)150次以上，勢(shì)必使混凝土遭受極為嚴(yán)重的凍融破壞；其次，這些地區(qū)的日最低氣溫長(zhǎng)期在0 ℃以下，極端氣溫在-35 ℃以下，極度的低溫會(huì)增加混凝土的凍融深度，加劇凍融破壞的程度[1]。長(zhǎng)科院對(duì)西藏的調(diào)查資料顯示[2]：拉薩地區(qū)獻(xiàn)多水電站的引水渠、邊坡混凝土受凍融剝蝕嚴(yán)重，部分混凝土完全崩潰，陽(yáng)面渠道襯砌混凝土的破壞明顯比陰面嚴(yán)重。藏北查龍水電站的溢洪道、泄洪放空洞的過水部位混凝土破損較為嚴(yán)重，隧洞出口處泄槽左側(cè)邊墻的凍融破壞嚴(yán)重。日喀則地區(qū)杰的龍水電站與水接觸部位、水位線以上2 m范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的表面混凝土剝落現(xiàn)象。因此，高寒、高海拔地區(qū)的水電工程開發(fā)尤須重視混凝土的抗凍耐久性問題。

為了提高混凝土的抗凍耐久性，摻引氣劑是我國(guó)水工混凝土普遍采用的方法。而氣泡參數(shù)對(duì)硬化混凝土抗凍融耐久性起著至關(guān)重要的作用[3]。表征硬化混凝土氣泡體系特征的參數(shù)主要有：含氣量、氣泡平均半徑和氣泡間距系數(shù)。研究表明[4]：氣泡間距系數(shù)對(duì)混凝土抗凍性影響很大，氣泡間距系數(shù)越小，混凝土抗凍性越好。PowersT.C.Powers[5]在20世紀(jì)30年代提出的靜水壓理論成功地解釋了引氣劑改善混凝土抗凍性的原因，并提出有抗凍要求的混凝土其氣泡間距系數(shù)不應(yīng)超過250 μm，即氣泡間距準(zhǔn)則。但后續(xù)的研究表明：250 μm的臨界氣泡間距系數(shù)不盡合理。筆者以國(guó)內(nèi)3種常見的引氣劑為介質(zhì)，對(duì)摻引氣劑的混凝土進(jìn)行了性能對(duì)比試驗(yàn)，并分析了氣泡參數(shù)對(duì)混凝土性能的影響情況。

1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB200-2003 《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥》的P.MH42.5水泥；粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料為天然骨料，粗骨料為人工碎石與天然骨料的混合料；符合GB8076-1997《混凝土外加劑》技術(shù)要求的萘系高效緩凝減水劑、引氣劑。

2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)水膠比采用0.5，粉煤灰摻量為30%，含氣量控制在5%左右，研究當(dāng)混凝土含氣量相當(dāng)時(shí)引氣劑品種(氣泡參數(shù))對(duì)混凝土抗凍性能的影響。試驗(yàn)采用的配合比見表1。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 氣泡參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

通過摻加引氣劑在混凝土中引入一定比例的氣泡，已成為確保混凝土抗凍性的重要手段。為此，在確保新拌混凝土的含氣量外，部分國(guó)家已將硬化混凝土的氣泡參數(shù)指標(biāo)(如含氣量、氣泡間距系數(shù)和氣泡平均直徑等)列入了規(guī)范。

表1 不同引氣劑對(duì)混凝土耐久性影響配合比表

本次硬化混凝土氣泡參數(shù)試驗(yàn)采用的RapidAir型硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀是由Concrete Experts International公司研發(fā)的、以人工顯微鏡直線導(dǎo)線法為基礎(chǔ)、融合高倍攝像頭自動(dòng)掃描系統(tǒng)與圖像分析軟件二合一的全自動(dòng)儀?；赗apidAir測(cè)試技術(shù)，測(cè)試不同配合比混凝土的氣泡參數(shù)，分析混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)。使用不同引氣劑的硬化混凝土氣泡參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 使用不同引氣劑的硬化混凝土氣泡參數(shù)測(cè)試結(jié)果表

從表2中的結(jié)果可知：使用3種引氣劑混凝土硬化后的含氣量從低到高依次為：E1

3.2 氣泡參數(shù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

抗壓強(qiáng)度是混凝土最重要的力學(xué)參數(shù)之一，這是因?yàn)槿魏位炷翗?gòu)筑物都是用來承受荷載或抵抗各種作用力的。混凝土內(nèi)部孔隙體積率越低，混凝土越密實(shí)，其抗壓強(qiáng)度越高。使用不同引氣劑對(duì)混凝土力學(xué)性能影響的試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同引氣劑對(duì)混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)影響結(jié)果表

從表3的試驗(yàn)結(jié)果可知：采用E1引氣劑的混凝土硬化后含氣量最低，其抗壓強(qiáng)度亦最高；另外，E2引氣劑混凝土硬化后含氣量比采用E3引氣劑混凝土高0.5%，但采用E2引氣劑混凝土的180 d抗壓強(qiáng)度比采用E3引氣劑混凝土僅低1 MPa(3.2%)。硬化混凝土氣泡平均半徑的增大，導(dǎo)致混凝土后期抗壓強(qiáng)度顯著下降。氣泡平均半徑越小，說明硬化混凝土中有害孔越少，無害孔越多，進(jìn)而細(xì)化了混凝土內(nèi)部的氣孔結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的強(qiáng)度。，由于E2引氣劑混凝土硬化氣泡平均半徑比E3引氣劑混凝土低40%，雖然E2引氣劑混凝土含氣量絕對(duì)值比E3高0.5%(相對(duì)值為12%)，但E2引氣劑混凝土的強(qiáng)度比E3引氣劑混凝土降低幅度不大。

3.3 氣泡參數(shù)對(duì)抗凍性能的影響

凍融對(duì)混凝土的破壞是在水轉(zhuǎn)變成冰時(shí)體積膨脹造成的靜水壓力和冰水蒸氣壓力差別所造成的滲透壓力共同作用的結(jié)果。 混凝土的抗凍融性取決于滲透性、漿體水飽和程度、可凍結(jié)水的數(shù)量、冰凍的速率以及漿體中任何一點(diǎn)到達(dá)冰點(diǎn)時(shí)能安全地形成自由表面間的平均最大距離。不同類型的引氣劑對(duì)水工混凝土抗凍耐久性研究試驗(yàn)成果見表4及圖1。

表4 不同引氣劑混凝土抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果表

由試驗(yàn)結(jié)果可知：雖然E1引氣劑混凝土硬化后的含氣量最低(3.36%)，但其混凝土的抗凍耐久性與硬化后含氣量4.62%的E2引氣劑混凝土大致相當(dāng)，且抗凍性略優(yōu)于采用E3引氣劑的混凝土。其主要原因是由于E1引氣劑混凝土的氣泡間隔系數(shù)與E2引氣劑混凝土大致相當(dāng)，比E3引氣劑混凝土的間隔系數(shù)低0.042 mm(23%)；且E1引氣劑混凝土的硬化氣泡平均半徑最小，比E2引氣劑混凝土硬化氣泡平均直徑低7 μm(8%)，比E3引氣劑混凝土硬化氣泡平均直徑低66 μm(44%)，說明雖然E1引氣劑混凝土硬化后的含氣量最低，但其混凝土內(nèi)的氣泡平均半徑最小，氣泡間距系數(shù)更小，單位體積內(nèi)的氣泡個(gè)數(shù)大幅度增加。研究表明：混凝土內(nèi)的微小氣泡對(duì)混凝土的抗凍性能更有利，而大氣泡混凝土對(duì)混凝土抗凍性能的提高作用更小。

圖1 不同引氣劑混凝土相當(dāng)動(dòng)彈模試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)硬化混凝土的含氣量對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有一定影響。對(duì)于采用不同引氣劑的混凝土，其氣泡的平均半徑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響最大，混凝土抗壓強(qiáng)度隨氣泡平均半徑的增大而降低。

(2)氣泡間距系數(shù)、氣泡平均半徑對(duì)引氣劑混凝土抗凍性的影響較大。當(dāng)引氣劑混凝土氣泡間距系數(shù)更小、氣泡平均半徑更小時(shí)，較低的硬化含氣量亦可獲得較優(yōu)的抗凍性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李金玉, 曹建國(guó). 水工混凝土耐久性研究與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社, 2004.

[2] 李家正，石 妍，王迎春. 西藏地區(qū)水利水電工程混凝土建筑物破壞形式與對(duì)策分析[D].第一屆西藏水資源利用暨水利水電技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議交流論文集，西藏林芝，2014，8.

[3] 楊華全，李文偉.水工混凝土研究與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

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[5] NEVILLE A M. Properties of concrete[M].London：Pitman Publishing Ltd.，1995.