引氣劑對水泥混凝土路面抗凍性的影響

摘要抗凍性是北方季凍地區水泥混凝土路面耐久性的主要指標，本文通過加入引氣劑改善水泥混凝土路面的抗凍耐久性，提高路面的使用年限。

關鍵詞水泥混凝土耐久性抗凍性引氣劑

中圖分類號:TU5文獻標識碼:A

1 引言

北方季凍地區水泥混凝土路面、橋梁等道路工程混凝土結構物普遍面臨著嚴重的凍融破壞問題，主要是由于其自身斷面小，與自然環境接觸面積大，同時遭受行車荷載和惡劣自然環境的雙重作用以及正負溫差的凍脹作用。已有的水泥混凝土路面部分已經破損或毀壞，面臨著翻修或重建問題，正在修筑和將要修筑的工程則需要實施有效的抗凍措施。

以我省為例，營城至白山部分水泥混凝土路面在長年凍融的作用下已經嚴重開裂損壞，甚至有些新的路面在施工結束但還沒有通車的情況下經過短時間低溫作用后也出現裂痕，以至于施工單位不得已進行重新修補，造成了資源、資金的浪費。可見，混凝土的抗凍性對寒冷地區混凝土工程的耐久性十分重要。不僅如此，混凝土的抗凍性還是混凝土耐久性中非常重要的方面，在很長一段時期內，國內外在評價混凝土耐久性時常以混凝土的抗凍性作為主要標準或綜合指標，甚至把抗凍性試驗也叫做耐久性試驗。水泥混凝土路面因抗凍耐久性不足，過早遭受破壞而造成的危害，直接影響路面的安全性和使用性，同時也帶來巨大的經濟損失。因此，本文選擇以混凝土含氣量為主題思路研究含氣量的變化對水泥混凝土路面抗凍耐久性的影響。

2 水泥混凝土凍融破壞的機理

2.1 靜水壓假說

1945年，Powers提出了混凝土受凍破壞的靜水壓假說。該假說認為，在冰凍過程中，混凝土孔隙中的部分孔溶液結冰膨脹，迫使未結冰的孔溶液從結冰區向外遷移。孔溶液在可滲透的水泥漿體結構中移動，必須克服粘滯阻力，因而產生靜水壓，形成破壞應力。當含水量超過某一臨界飽和度時，就會在冰凍過程中

發生這樣的流動。顯然，流動粘滯阻力即靜水壓力隨孔溶液流程長度的增加而增加，因此相應于一個臨界飽和度，存在一個極限流程長度或極限厚度，如果流程長度大于臨界值，則產生的靜水壓力將超過材料的抗拉強度而造成破壞。根據這一假說，拌和時摻入了引氣劑的引氣混凝土硬化后，水泥漿體內分布有不與毛細孔連通的、封閉的氣孔，氣孔提供了為充水的空間，使未凍孔溶液得以就近排入其中，縮短了形成靜水壓力的流程。顯然，氣孔之間的間隔距離應足夠小，使水泥石中任一點至最近的氣孔的距離不超過極限流程長度。

2.2 滲透壓假說

滲透壓假說認為，由于混凝土孔溶液中含有Na+、K+、Ca2+等鹽類，大孔中的部分溶液先結冰后，未凍溶液中鹽的濃度上升，與周圍較小孔隙中的溶液之間形成濃度差。這個濃度差使小孔中的溶液向一部分凍結的大孔遷移。即使是濃度為零的孔溶液，由于冰的飽和蒸氣壓低于同溫下水的飽和蒸氣壓，小孔中的溶液也要向已部分凍結的大孔溶液遷移。可見滲透壓是孔溶液的鹽濃度差和冰水飽和蒸氣壓差共同形成的。當毛細孔水就近遷入未吸水飽和的空氣泡中時，失水的毛細孔壁受到的壓力也會抵消一部分滲透壓，這種毛細孔壓力不僅不使水泥石膨脹，還使其產生收縮。這就是當混凝土的水飽和度小于某個臨界值時，凍結反而引起混凝土收縮的原因。

靜水壓假說與滲透壓假說最大的不同在于未結冰孔溶液遷移的方向。靜水壓假說認為孔溶液離開冰晶體，由大孔向小孔遷移;滲透壓假說則認為孔溶液由小孔移向冰晶體。這兩種假說均為混凝土凍融破壞理論的重要組成部分，至今為大多數學者所接受。

Litvan曾對水泥石的凍害進行了細致的試驗研究，認為小孔中的溶液在孔壁的作用下不會結冰。水泥石受凍時，在蒸汽壓差的作用下，小孔內的溶液向可結冰的區域遷移，如大孔、裂縫等，冰在這些區域聚集、膨脹，在水泥石內部產生內壓力。Litvan的觀點與滲透壓假說有相似之處。

3 水泥混凝土試件的配制

由路面設計要求取0.42、0.44、0.46和0.48四種水灰比進行配制，抗壓強度試件采用100mm€?00mm€?00mm的非標準試件，尺寸換算系數為0.95;抗折強度試件采用100mm€?00mm€?00mm的非標準試件，尺寸換算系數為0.85;劈裂抗拉強度試件采用100mm€?00mm€?00mm的非標準試件，尺寸換算系數為0.85。采用機械攪拌，高頻振搗臺振搗，24小時拆模移至恒溫養護室進行標準養護28天后成型。

4 凍融循環對水泥混凝土性能的影響

凍融試驗依照我國現行交通行業標準《公路工程水泥混凝土試驗規程》(JTJ053-94)規定采用快凍法。每做25次凍融循環對試件檢測一次，以相對動彈性模量、質量損失率和相對耐久性指數來評定混凝土的抗凍融性能。

凍融試驗出現以下三種情況之一者停止試驗:

(1)動容循環至300次;

(2)相對動彈性模量下降至初始值的60%;

(3)質量損失達到5%。

普通混凝土試件凍融循環的結果為:混凝土試件最多經過了125次凍融循環(0.42)，當達到125次凍融循環后，相對動彈模量降低到57.6%，低于破壞標準60%，質量損失率為0.05%;水灰比為0.48的混凝土試件只經過50次凍融循環，相對動彈性模量就下降到了43.5%，低于破壞標準60%，質量損失率為0.1%，混凝土能夠承受的凍融循環次數隨水灰比的增加而減少。

5 引氣劑對混凝土抗凍耐久性指標的影響

引氣混凝土的配置過程與普通混凝土配制過程相同，通過標準凍融試驗，將引氣混凝土進行300次凍融循環，混凝土含氣量在4%～6%之間，所得到的結果為:加入了引氣劑的混凝土試件，在經過300次凍融后相對動彈模量的損失量和質量損失率都較小，沒有達到破壞的標準。

隨著水灰比的升高混凝土的動彈模量損失量逐漸增加，經過300次凍融循環后，引氣混凝土(0.42、0.44、0.46、0.48)的動彈模量分別為原來的90.8%、81.5%、81.3%、76.8%，動彈模量損失量最大的混凝土(0.48)仍然在60%以上，質量損失率在經過300次凍融后，依然是隨著水灰比的增加而增大，最大損失量(0.48)為2.03%，仍然低于破壞標準5%。