從S201工程談混凝土氣泡的問題

高國成，范云崗，吳瓊，候建祝，高前前

（1. 威海市長峰建筑工程有限公司，山東 威海 264200；2. 山東德通路橋建設工程有限公司，山東 威海264200；3. 東莞市創杰新型建材有限公司，廣東 東莞 523000）

1 工程情況

S201 威東線田和至溫泉段工程（環山路）是省級干線公路 S201 威東線的重要路段，也是承擔威海高區、環翠區、經區間交通出行的城市主干道，兼顧公路與市政道路的功能。該項目路線全長 22.7 公里。其中新建段 5.8 公里，完全利用段長 2.6 公里，采用改擴建段 14 多公里，采用雙向六車道一級公路，路基寬27.5m，全路段大橋 3 座和小橋 1 座，涵洞 18 道，隧道3 座，互通立交 5 座，通道 3 座，天橋 2 座，平面交叉2 處。該工程橋板和橫梁均采用 C50 預應力梁場預制和墩柱采用 C40 吊車現澆施工工藝。在施工初期均出現外觀氣泡偏多的現象：有密密麻麻的微小氣泡，有分布均勻的大氣泡，有大氣泡和少量的小氣泡，有局部出現氣泡等。根據氣泡的分布情況，結合工程使用混凝土的材料和配合比、施工工藝等綜合判斷分析找出氣泡產生的主要原因，再有針對性地解決。

2 混凝土氣泡的認識和理解

眾所周知，混凝土是由不同密度的材料通過攪拌后凝結硬化而成的人工石。由于混凝土新材料的利用，尤其是高性能減水劑的發展，使得混凝土變得越發復雜，形成了科學體系。既然是不同密度的材料的“堆積物”，這就決定了氣泡的存在是混凝土的固有屬性，通俗地講就是與生俱來的。這種氣泡除了本身組成材料帶來的氣泡，更多的是組成材料組合在一起，夾雜在其中的空氣成了混凝土中的氣泡。同樣，在混凝土澆筑過程中，即使是混凝土已經均勻拌合在一起，由于在澆筑過程中，混凝土受澆筑結構空間的約束（鋼筋密度、脫模劑品種、模板的平滑度和密封度等），仍然攜帶部分空氣。混凝土組成材料帶來混凝土氣泡，比如水泥中的助磨劑遇水極性變化帶來的氣泡；水泥和減水劑的適應性帶來的氣泡；粗細骨料級配不合理，粗骨料中針片狀顆料含量過多，細集料中的粒徑片狀過多，以及在生產過程中實際使用砂率的變化，此時細粒料填充粗骨料之間的空隙不足，導致骨料不密實，形成產生氣泡的空間填充。膠凝材料的用量和水膠比的大小，也是導致氣泡產生和難以破壞的重要因素，當然最為重要的還是減水劑本身的引氣性和復配的引氣劑品種帶來的氣泡。簡而言之，混凝土氣泡主要由各組成材料本身材質帶來的和攪拌過程中帶入的空氣兩部分組成。可根據氣泡的穩泡時間、直徑大小和均勻性等特點來分析，最終通過施工工藝，在混凝土的外觀上展現出來，這是對混凝土氣泡的一個宏觀認識。而氣泡真正生產的機理是什么，如何消除？需要進行一個剖析。

3 氣泡消除的理論性分析

3.1 消除氣泡的手段

混凝土中消除氣泡的主要手段就是通過增大氣泡的半徑，及減少氣泡的薄膜厚度來提高氣泡在混凝土中的不穩定性。

（1）增加混凝土的表面張力。從能量的角度來說，增加混凝土體系中表面張力，氣泡膜強度降低，不利于氣泡的形成，或者受到外界張力的擠壓氣泡在短時間內就會消除。

（2）降低混凝土的粘度。這種粘度是由于各種材料堆積和化學活性劑在其表面相互作用而產生的。混凝土體系粘度的降低，減少了氣泡的厚度和松弛時間、氣體擴散松弛時間及氣泡的破壞期；氣泡內部液體排除，又使氣體在液膜中的溶解度增加。混凝土粘度的降低，即使在受到外力作用也不能形成一定穩定的氣泡，當然這里面排除減水劑引入的一些穩定封閉的、均勻的氣泡。為了改善混凝土的和易性，額外在減水劑中引入的氣泡都是半徑小且穩定的氣泡，很難破壞。

3.2 氣泡相關理論研究綜述

3.2.1 GIBBS-Marangoni 表面彈性效應

氣泡受到外部作用力沖擊，液體部分厚度變薄，表面積增加，活性分子密度減小，表面張力增大。在形成的表面張力梯度作用下，活性分子沿表面擴張并拖帶著相當量的液膜下的溶液，使局部變薄的液膜又恢復到原來的厚度，這種現象叫 Gibbs 彈性。活性分子向著局部變薄的液膜擴散并恢復到原來的表面張力，需要一定的時間，這就是 Marangom 效應。顯然，加入活性分子前后，表面張力變化越大，形成的表面張力落差越大，Gibs Marangoni 效應也就越顯著，氣泡的自修復能力就越大。表面彈性有助于氣泡膜厚度保持均勻。當活性分子溶液濃度較高時，因溶液中的活性分子迅速擴散到表面上，使局部的表面張力梯度變化。

3.2.2 氣泡膜的表面帶電荷

離子型表面活性分子的氣泡膜中，反離子不能中和表面活性分子同側的吸附電荷，而在氣泡膜中形成擴散層。氣泡膜厚度變得近于擴散層厚度時，液膜兩側吸附電荷產生的排斥力阻止氣泡膜變薄，有利于氣泡的穩定性，這樣分離壓可因溶液中濃度的增加而減弱顯著，多價離子影響比較顯著，氣泡膜薄化速率加快，氣泡容易破裂。加入適量低價離子化合物，可使吸附的活性劑分子頭基間斥力降低，因而有利于增強氣泡膜的穩定性。

3.2.3 氣泡膜本身的質量

氣泡質量是氣泡中氣體所占氣泡總體積比例。Minssieux 認為氣泡質量對其穩定性能有決定性作用，這種影響隨著氣泡衰變的主要機理不同而產生差異。以排液為主要衰變機理的氣泡，其穩定性能隨氣泡質量的增加而增加，以氣體擴散為主要衰變機理的氣泡，其氣泡穩定性隨氣泡質量增加而降低。前者，因氣泡質量提高，氣泡直徑變小、液膜變薄，排液速率降低；后者，由于氣泡質量增加，加速了氣體速率擴散，氣泡變得極不穩定。

3.2.4 氣體的溶解度和滲透率對氣泡的影響

研究表明，氣體擴散使氣泡破滅的速度，與氣體在液相中的溶解度和擴散系數之乘積成正比。氣體在液相中溶解度和擴散越大，從小泡向大泡的擴散就越快，從而加速了氣泡的衰變過程。

3.2.5 壓力和氣泡大小分布對氣泡的影響

氣泡在不同壓力作用下穩定性不同。壓力越小，氣泡越不穩定；壓力越大，氣泡穩定性增強。而單位時間內氣泡數量的減小和最初氣泡大小分布頻率相關，氣泡分布越窄、越均勻，氣泡越穩定，因此，欲破壞穩定氣泡，應盡量使氣泡的半徑分布寬一些。

3.2.5 溫度和表面活分子的溶解度

很多情況下，隨溫度的增高使氣泡穩定性下降，在低溫和高溫下氣泡的破壞過程也不同：低溫下，氣泡排液使液膜達到一定厚度時，就呈現亞穩狀態，其衰變機理主要是氣體擴散；在高溫下，氣泡破滅由氣泡柱頂端開始，氣泡體積隨時間延長有規律地減小。其原因是：最上面的液膜上側，總是向上凸的，這種彎曲膜對蒸發作用很敏感，溫度越高蒸發越快，膜變薄到一定厚度，就自行破滅。因此在夏季高溫施工時，氣泡破壞越強。那么混凝土氣泡生產的具體途徑，主要影響因素如何界定，需要有一個認知。

4 混凝土氣泡產生的具體途徑分析

4.1 原材料以及配合比

（1）對于水泥品種和摻加的助磨劑不同，帶給混凝土引氣量也是不同的。試驗表明，其他相同條件下，硅酸鹽水泥所配制混凝土的含氣量大于用火山灰水泥或者粉煤灰所配制的混凝土，而小于用礦渣水泥所配制混凝土。這是因為火山灰、粉煤灰對混凝土引氣吸附作用很強，而礦渣粉顆粒對引氣的吸附作用較弱。而在目前環保的高壓下，原料緊缺，水泥廠摻加劣質摻合料和超規范摻加不但不會降低引氣量，反而增大了含氣量。

（2）摻合料品種和用量對混凝土的含氣量也有很大影響。粉煤灰和硅灰的引氣吸附作用強，替代部分水泥，將減少混凝土的一部分含氣。但是如果采用劣質統灰或者電廠為了脫硫采用氨類物質，殘留其中，在混凝土堿性環境下，發生劇烈氨氣釋放的化學反應，致使混凝土在澆筑后產出“冒泡”。

（3）骨料的級配不良。粗骨料針片狀過多，顆粒棱角過多。對于細骨料，當其中 0.16～0.63mm 粒徑范圍的砂子越多，混凝土含氣量越大，小于 0.16mm、大于 0.63mm 的砂子的比例居多時，混凝土含氣量減小。混凝土料級配不良會造成混凝土孔隙率變大，在攪拌過程中空隙被空氣不斷填充，積成數量很多的小氣泡，不過這些氣泡大多數為大粒徑氣泡，粒徑為 2～20mm。

（4）目前高性能混凝土基本均采用聚羧酸高性能減水劑，而聚羧酸減水劑含有很多極性基團，這些基團引氣量高。尤其是緩釋型聚羧酸引氣量更大。而在實際應用中，為了保坍，基本都要復配一些緩釋型聚羧酸。當然為了調整混凝土的和易性，還要添加一部分引氣劑，這都會給混凝土引入一定量的氣體。對于外觀要求嚴格的混凝土，盡量采用低引氣的聚羧酸減水劑和復配穩定性差的引氣劑。

（5）水膠比大小也是影響混凝土含氣重要因素，在實際生產過程中，水膠比越大，自由水越多，從而使氣泡的形成幾率增大，這也是在實際生產中，水膠比變大、氣泡嚴重增多的原因。而水膠比過小，混凝土粘度過大，引入的氣泡較小、穩定性強，氣泡不易排出。

4.2 混凝土攪拌

混凝土在拌合過程中，隨著攪拌槳葉的不斷攪拌，會不斷卷入大量空氣進入混凝土內部逐漸成為氣泡，這些氣泡大多數半徑較大，在攪拌拌合過程中被減少或者消滅，但同時又有新的空氣被帶入混凝土中形成新的氣泡，此消彼長。隨著攪拌時間的延續，混凝土中的氣泡會趨于穩定狀態，但在混凝土攪拌均勻的前提下，盡量縮短攪拌時間，也會減少混凝土中的含氣量。

4.3 施工工藝

（1）板的選擇。大型預制構件一般都采用鋼模板。鋼模板的剛度和表面的平滑度符合要求，其剛度必須滿足施工要求外，還必須具有彈性。鋼模板的振動附著震動器布置必須合理，防止產生共振和局部共振。在振動器工作時，整個鋼模板才會同時震動，才會有足夠的震動力。鋼板在長期震動荷載下發生疲勞，振動時鋼板受到撕裂式的震動導致有些鋼模板有剛度，但無震動力；或由于模板材質厚度或者設計問題，使得鋼模板板面剛度太大，振動器振動力很難以帶動整個模面的震動，致使混凝土在施工過程中達不到良好的震動效果，從而形成氣泡聚集，很難破壞而出現外表面氣泡缺陷。其二，實踐證明，模板平整度和光滑度高，有利于氣泡的排出，從而減少混凝土表面氣泡。

（2）脫模劑的使用。選擇良好的脫模劑能起到消泡作用。而現實中施工單位為了降低脫模劑成本，往往會選用廢機油等作為脫模劑，這種廢機油對氣泡具有很強的吸附性，混凝土內氣泡與之一接觸便會吸附在模板上而定型在結構物表面，且廢機油增強了氣泡膜的厚度，起到穩泡作用，因此氣泡很難被排除。優質的脫模劑具有較低的粘度，對氣泡不具有吸附性，甚至起到“消泡”作用。目前市場上有很多具有消泡化學成分的脫模劑，使用此類消泡型的脫模劑后，當氣泡與模板表面脫模劑中所含的消泡劑相遇后，立即破滅或由大變小、由小變微，使混凝土墩柱表面極其平滑致密。

（3）通過振動脈沖液化砂漿，降低粗集料之間的內摩擦力，為氣泡的排出提供最根本的環境條件。且振搗還會促使氣泡位移并不斷地聚合，從而形成更大體積的氣泡，間接為氣泡的排出提供了動力。影響振搗排氣效果的兩個主要因素是振搗有效半徑及振搗時間。振搗有效半徑主要就是對振搗的作用范圍，振搗作用范圍的大小主要跟振搗設備的性能及混凝土的特性密切相關。此外，在對鋼筋混凝土振搗時，其振動能量容易被鋼筋吸收。對小邊墻進行振搗排氣時，通常是在鋼筋模板之間進行的，振搗設備的振幅和頻率能直接對振搗半徑大小造成影響。根據相關研究表明，振搗的最佳頻率在200Hz 時所取得的作用半徑范圍最廣。不同的頻率，也能加大振幅從而增大作用半徑。振搗排氣能分為三個階段：第一階段，延長振搗時間會讓大氣泡數量迅速少至第一個谷值。在第一階段會排出大量的不穩定氣泡，大氣泡數與混凝土含氣量快速減少，直至不穩定氣泡完全排出為止，這時候的混凝土內的大氣泡數量極少量，為谷值。第二階段，大氣泡數量會逐漸上升直達峰值，緊接著半徑數量級較低而不穩定氣泡逐漸再次被排出。第二階段介穩氣泡會吸收足夠的能量，產生位移，從而將小部分氣泡排出混凝土，大部分則仍是相互聚合，產生新的不穩定大氣泡，這時就會增加混凝土中的大氣泡數量，導致介穩氣泡的匯聚和排出速度較下降。從該段開始，混凝土中的大氣泡基本是介穩氣泡聚合形成，且氣泡孔徑數量級很小。第三階段，延長振動時間會讓大氣泡數量逐漸減少，大氣泡量接近為零，但是延長振動時間也會讓氣泡的孔徑逐漸減小。此階段介穩氣泡的數量會減少，聚合形成的大氣泡數量也會減少。因此，該階段混凝土中大氣泡數量會逐漸減少，但是其含氣量的穩定性會更好。

而在實際的混凝土中氣泡生產的原因比較復雜，往往不予重視，等外觀氣泡過多才想到去解決，但為時已晚。要通過外觀的氣泡的分布情況，合理判斷，去診斷影響外觀的主因和次因，逐條解決。

4.4 混凝土外觀氣泡缺陷出現的診斷

很多情況下，在實驗室的條件下，經過反復試驗做出滿意的實驗結果，但是到了實際生產中，因為放大效應和實際原材料的變化，甚至施工等條件的影響導致澆筑完的梁板和柱出現表面氣泡過多。輕則整改，重則工程暫停施工。通常情況下，都是出現了表面氣泡缺陷問題時，開始查找原因。為了更快捷地找到氣泡缺陷的問題，可采用“倒推法”予以解決，即通過觀察梁板柱氣泡的半徑、比列和數量多少等來判斷導致氣泡的主因，然后通過調整這個因素而達到解決問題的目的。

根據實踐經驗：（1）一般梁板出現大面積的大氣泡眼、少量的小氣泡眼，基本可斷定是施工中振動工藝不規范造成的。氣泡的破壞先從大泡眼開始，當振動不足以破壞大泡眼，便產生此類現象。可通過大功率的震動設備加大振動力度等手段予以調整。當然這樣也不排除由于減水劑的品種和復配引氣劑的品種問題而引起此類問題，可以與外加劑廠家溝通或者通過實驗室去驗證。（2）梁板出現大面積的針眼狀微小氣泡眼，反而大氣泡眼極少，基本斷定減水劑的引氣量過多或者引氣的質量過穩定（引氣質量的好主要看引氣的氣泡小、穩泡時間長、泡的均勻性好）造成的。當然這也不排除水膠比過小或者混凝土過粘稠的因素。為了更快捷解決問題，要抓住主要矛盾去解決，以減少施工損失。當然這是通過觀察問題點作為基礎推斷。再同時結合“望聞問切”的方法倒推模擬施工場景來找到主因和次因，采用逐個排除法解決。

5 總結

氣泡的成因是復雜的，往往不是單一原因引起的，在分析這些問題不要“只見樹木不見森林”，做到既要單一解決也要顧全綜合因素，具體問題具體分析。