高原地區(qū)抗凍引氣混凝土含氣量設(shè)計(jì)方法研究

李雪峰，付 智，王華牢

(交通運(yùn)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(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施不斷向西南地區(qū)發(fā)展，未來(lái)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(lái)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(diǎn)，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(xì)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(jì)算出臨界抗凍間距系數(shù)約為250 μm。此后，大量研究證實(shí)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(cè)其抗凍性能。

現(xiàn)有《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50476—2019)[8](簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)中針對(duì)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(jì)強(qiáng)度等級(jí)，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(lái)指導(dǎo)研究人員進(jìn)行抗凍混凝土材料的組成設(shè)計(jì)。但實(shí)際工程中，研究人員尚需解決如下關(guān)鍵問(wèn)題：首先，《標(biāo)準(zhǔn)》中在對(duì)引氣混凝土含氣量及氣泡間距系數(shù)進(jìn)行規(guī)定時(shí)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(lái)保證混凝土材料達(dá)到要求的抗凍耐久性指數(shù)。但對(duì)于不同強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)的混凝土，其達(dá)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(shí)際設(shè)計(jì)中當(dāng)選取合理的含氣量設(shè)計(jì)值。此外，近年來(lái)的研究成果[9-12]顯示，高原低氣壓環(huán)境會(huì)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(jì)經(jīng)驗(yàn)是否能適用于高原引氣混凝土設(shè)計(jì)值得商榷。一旦抗凍耐久性能不滿足要求，重新設(shè)計(jì)勢(shì)必耗時(shí)耗力(抗凍耐久性指數(shù)在60%以上的混凝土測(cè)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(jì)。最后，由于氣泡的引入會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的降低，這就使研究人員更傾向于選擇提高混凝土強(qiáng)度(降低水膠比或增加膠材用量)而不是引入足夠氣泡來(lái)提高混凝土抗凍耐久性能。一方面，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的增加勢(shì)必會(huì)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(qiáng)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(guò)對(duì)高原與平原地區(qū)引氣混凝土進(jìn)行含氣量、氣孔間距系數(shù)及抗凍耐久性指數(shù)測(cè)試，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有相關(guān)研究成果，針對(duì)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(jì)方法，該方法的提出旨在為提升高原抗凍混凝土的設(shè)計(jì)水平提供理論與試驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥及粗細(xì)骨料基本性能如表1所示。試驗(yàn)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(yàn)方法

目前各主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中對(duì)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(jì)要求，具體如表2所示。對(duì)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(gè)區(qū)間。隨后，在每個(gè)區(qū)間內(nèi)設(shè)計(jì)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(yàn)中保證新拌混凝土含氣量與設(shè)計(jì)含氣量水平間誤差控制在±0.5%以內(nèi)。試驗(yàn)中分別測(cè)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(cè)試方法按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)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(yàn)規(guī)程》(JTG 3420—2020)[16]及《水工混凝土試驗(yàn)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(jì)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(duì)新拌混凝土含氣量給出了設(shè)計(jì)值，實(shí)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(shí)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(duì)應(yīng)的抗凍耐久性指數(shù)。限于試驗(yàn)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(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)[20-35]，統(tǒng)計(jì)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(dòng)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(shí)上述現(xiàn)象更為明顯，這也再一次驗(yàn)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(jìn)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(shí)測(cè)含氣量預(yù)測(cè)硬化后混凝土含氣量時(shí)，對(duì)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(xiàn)[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(huì)導(dǎo)致漿體氣孔結(jié)構(gòu)變化，因此，對(duì)于含氣量幾乎一致的混凝土，其氣泡間距系數(shù)會(huì)因水膠比的變化而改變。

(1)

為此，基于本文試驗(yàn)結(jié)果并整理文獻(xiàn)[36]及前述文獻(xiàn)[20-35]中給出的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別針對(duì)水膠比為0.25～0.35、0.36～0.45和0.46～0.55的混凝土進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(duì)數(shù)與硬化混凝土含氣量值之間存在良好的線性關(guān)系?；貧w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(duì)提升混凝土抗凍耐久性也更為有利。另外，統(tǒng)計(jì)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(shuō)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(yàn)值設(shè)計(jì)混凝土含氣量，其抗凍耐久性能否達(dá)到設(shè)計(jì)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(duì)高原地區(qū)低氣壓對(duì)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(duì)每個(gè)水膠比范圍內(nèi)給出6組試驗(yàn)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(jìn)行回歸分析時(shí)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(guò)硬化混凝土含氣量預(yù)測(cè)混凝土氣泡間距系數(shù)時(shí)，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(duì)抗凍臨界氣泡間距系數(shù)的研究已有眾多，但爭(zhēng)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(yàn)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(duì)水膠比為0.25～0.35、0.36～0.45和0.46～0.55的混凝土，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析本文試驗(yàn)得到的結(jié)果及文獻(xiàn)[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(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在各水膠比范圍內(nèi)，均會(huì)出現(xiàn)一些“異常點(diǎn)”，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(shí)，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(jì)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(shí)所需最小氣泡間距系數(shù)也不盡相同。如當(dāng)RDF=60%時(shí)，對(duì)于水膠比為0.25～0.35的混凝土，其氣泡間距系數(shù)僅需達(dá)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(dá)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(yàn)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(huì)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(rèn)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(jì)

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(jì)等級(jí)是進(jìn)行引氣混凝土含氣量設(shè)計(jì)時(shí)需首要解決的問(wèn)題?！稑?biāo)準(zhǔn)》針對(duì)不同凍融環(huán)境等級(jí)給出了RDF的最小設(shè)計(jì)值，但并未區(qū)分高原與平原地區(qū)。實(shí)際上，高原地區(qū)由于大氣稀薄導(dǎo)致其年正負(fù)溫差天數(shù)要遠(yuǎn)大于平原地區(qū)，如將飽水狀態(tài)一致的兩個(gè)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(jì)值也應(yīng)相同。但事實(shí)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(duì)平原和高原混凝土年均凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，當(dāng)假設(shè)混凝土處于高度飽水狀態(tài)時(shí)，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(píng)估混凝土所處凍融環(huán)境并提出材料抗凍耐久性設(shè)計(jì)等級(jí)時(shí)，應(yīng)對(duì)《標(biāo)準(zhǔn)》中給出的混凝土抗凍耐久性指數(shù)(RDF)最小值進(jìn)行適度調(diào)整?？紤]到RDF值僅代表混凝土相對(duì)抗凍能力，不能直接用于計(jì)算材料使用年限。此處，參照文獻(xiàn)[8]中對(duì)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(jì)使用年限增加(30年、50年及100年)時(shí)的遞增值，建議對(duì)高原嚴(yán)寒地區(qū)設(shè)計(jì)使用年限不小于50年，同時(shí)長(zhǎng)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(jì)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(jì)方法，具體設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)混凝土抗凍耐久性能的高要求及其對(duì)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(jì)有章可循。

圖5 高原地區(qū)抗凍引氣混凝土含氣量設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)，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(dá)到相同抗凍耐久性指數(shù)時(shí)所需最小氣泡間距系數(shù)越大，對(duì)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(guò)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(jì)方法。