凍融循環試驗下引氣劑在混凝土橋梁中的耐久性研究

牛遠清

(廣東惠清高速公路有限公司，廣東 廣州 510960)

混凝土在攪拌過程中引入的氣泡較多，導致已完成硬化處理后的混凝土中仍然存在一定量的氣泡，其實際含量、理化特征等都會對混凝土的使用性能造成很大的影響。實驗室成功配制的低空氣含量混凝土在實際的施工過程中，往往難以滿足工程建設的各項要求，在不同產地、使用不同原材料等情況下生產的混凝土，即使配合比保持一致，其實際應用效果也會表現出較大的差異。由于不同混凝土具有各異的產地來源、原材料、配合比，因此通常需要在攪拌過程中投入相應的添加劑，致使氣泡的產生。當前混凝土性能的影響因素研究仍處于持續發展階段，未對引氣劑的影響進行深入探討，故為了更好地控制混凝土的性能，有必要對其進行研究。

1 混凝土橋梁耐久性試驗材料及方法

1.1 試驗原材料

試驗水泥應滿足下列要求：第一，水泥的強度、硬度等相關指標需與《通用硅酸鹽水泥》中的額定標準相一致；第二，水泥在水化反應過程中產熱不宜過高，避免混凝土過度熱脹冷縮，產生裂縫；第三，試驗主要是測試混凝土的抗凍性能，若條件允許的情況下，可以采用抗凍性能更好的普通硅酸鹽水泥。本試驗使用冀東水泥廠生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。

在混凝土內加入引氣劑能夠對其稠度和易性產生一定影響，在結構強度允許的前提條件下，通過添加一定量引氣劑的方式可提升混凝土的各項性能，包括其抗凍性、耐久性、抗鹽抗腐蝕性等，其常常被用于橋梁混凝土結構當中。引氣劑在混凝土中的作用為界面活性作用、起泡作用和穩泡作用，在混凝土攪拌時，引氣劑分子吸附在各相界面上，在水泥-水界面上形成憎水基指向水泥顆粒，而在水-氣界面上形成憎水基指向水泥空氣，降低了整個體系的自由能、界面能、使小氣泡非常容易產生，順利進入體系，其原理如圖1所示。

圖1 引氣劑原理

試驗中所采用的引氣劑為十二烷基苯磺酸鈉，它是一種難以揮發、易溶于水的物質，呈白色或淡黃色，具有穩定的硬水化學性質，常用于工業生產領域中。由于該物質具有低廉的成本、較強的去污力與氣泡力、十分成熟的制備工藝，因此其應用范圍愈加廣泛。在混凝土凍融循環試驗中，使用引氣劑后應使混凝土的含氣量保持在1%～6%，這為相應的試驗操作提供了一定的數據支撐。

1.2 混凝土配合比設計

混凝土的設計強度為C30，依據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)規范要求，配置強度的計算公式：

,=,+1.645×

(1)

式中：,、,和分別表示混凝土配置強度、立方體抗壓強度標準值與強度標準差，MPa。按照C30設計強度，混凝土強度標準差取值范圍在C25與C45之間，為5.0 MPa。經過計算得出橋梁混凝土配置強度,=38.225 MPa?；炷恋乃z比計算公式：

(2)

式中：、表示回歸系數，當石子種類為碎石時，前者為0.53，后者為0.20；當石子種類為卵石時，前者為0.49，后者為0.13；表示水泥28 d抗壓強度的實測值，如果無法進行測量獲取，可以按照下式計算：

=,×

(3)

式中：,、分別表示水泥強度等級值和與其對應的富余系數；實驗采用C30強度混凝土，對應水泥的強度等級為42.5 MPa。因此，的值按照水泥強度等級富余系數取值規則取1.16，最終計算出=49.3 MPa，水膠比為0.58。本次試驗混凝土的坍落度值選取50～70 mm，細集料為中砂，卵石最大粒徑為40 mm，按理論計算用水量0的值為170 kg/m。隨著減水劑的加入，理論用水量也會隨之降低，實際用水量應當減去外加劑的減水量，按照25%的減水率標準，實際用水量為128 kg/m，水泥用量0為220 kg/m。按照《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)標準選取凍融地區混凝土的砂率為32%，用質量法計算粗骨料和細骨料的用量，計算公式：

(4)

0+0+0+0+0=

(5)

式中：0、0和分別表示配合比混凝土的粗骨料用量、細骨料用量和拌合物的假定量，kg/m；其中取值2 400 kg/m。

1.3 橋梁混凝土試驗方法

凍融循環的速度分為快、慢2種循環方式；而快速凍融試驗機是專門為混凝土抗凍性能測試而設計的。通過控制防凍液的溫度來實現混凝土的外部環境凍融溫度變化。在此過程中，試驗機自動記錄混凝土芯和防凍液的溫度，通過溫度傳感器反饋的數據對防凍液溫度進行實時調整，以滿足試驗要求。用動彈性儀測定了混凝土的動彈性模量，動彈性模量是衡量材料各項性能的一個重要參數，一定程度上反映了材料的力學性能。狹義上來說，它代表了材料分子間化學鍵的強度；廣義上講，它反映了材料對彈性變形的抗力。用共振法測定了材料的動彈性模量，將動彈性儀的輸出頻率施加在試件上，使其受力振動，并測量其橫向基頻，動彈性模量可通過公式計算?；炷羶鋈谠囼灆C內部示意圖如圖2所示。

圖2 混凝土凍融試驗機內部示意圖

制作橋梁混凝土試件，避免后續試驗中滲水對試件的影響，需要加入憎水性脫模劑，制作出長100 mm、寬100 mm和高400 mm的混凝土試件。對試件進行養護，要強調的是，需要提前4 d從養護箱里取出，用溫度20.2 ℃的恒溫水浸泡。浸泡時試件應當完全被淹沒，液面高出試件表面至少2 cm，浸泡4 d，最終完成混凝土28 d試件的制作。在凍融試驗過程中，應注意以下幾點：第一，凍融循環的時間需要控制在2～4 h，融化時間應大于或等于整個凍融時間的25%；其次，試件的內部溫度需要始終保持在-18～5 ℃，誤差不超過2 ℃。除此之外，不管是在凍融試驗的哪個階段，試樣在-16～3 ℃的時間不應少于相應工序的一半，且試樣內外溫差不應超過28 ℃；最后，凍融間隔不得超過10 min。凍融試驗中用于測量試樣質量的設備最大量程為20 kg，靈敏度為5 g，單個試件的質量損失與相對動彈模量計算公式：

(6)

(7)

式中：、和分別表示第次凍融循環后的第個試件的質量損失率、第個試件的初始質量與第次凍融循環后第個試件的質量；、、分別表示第次凍融循環后第試件的相對彈性模量(%)、橫向基頻(Hz)與試件的初始橫向基頻(Hz)。一組試件在第次凍融后的平均質量損失率與相對動彈模量的計算公式：

(8)

(9)

式中：表示第次凍融循環后一組試件的平均質量損失率。在式(8)中，3次試驗結果，如有任意結果值小于0，那么該結果記為0；若3個值中，中間值與兩邊值的差值有任意一邊超過1%，用兩邊值平均值取代中間值；若3個值中間值與兩邊值之差都超過1%，那么選取中間值作為測定值。在式(9)中，測定值的判定差值為15%，那么判定規則與前者相同。

2 凍融作用下橋梁結構混凝土耐久性試驗結果分析

2.1 凍融過程中混凝土抗壓強度變化

試驗采用SJD-60混凝土攪拌機與TOR凍融實驗箱，含氣量測定儀采用日本LC-615A測定儀，混凝土的養護采用天津市津科試驗儀器有限公司生產的YH-90B型標準恒溫養護箱。測出混凝土28 d 抗壓強度以及在氣凍、干-濕凍融循環和飽和凍融3種受凍條件下經過凍融循環的抗壓強度，循環次數為125次，測定周期為25次一測，試驗結果如圖3所示。

(a)不同受凍條件下凍融循環后強度的變化

由圖3(a)可以看出，3種凍融條件下，在凍融循環次數遞增的過程中，混凝土抗壓強度反而均持續走低，但下降幅度存在一定的差異。氣凍條件下的抗壓強度下降幅度最小，在三者中趨于較為平穩的狀態；飽和凍融條件下的下降幅度居中，當凍融循環次數達到75次以上時表現出較為明顯的下降；干-濕凍融條件下抗壓強度的走勢基本與飽和凍融保持一致，但其下降幅度更大。結合圖3(b)分析，其中經過干-濕凍融的混凝土抗壓強度下降幅度最大，經過125次循環試驗，抗壓強度由28 d的48.9 MPa降低到24.3 MPa，整體降低了50.3%。其次我飽和凍融實驗組經過125次循環凍融，抗壓強度出現明顯降低，從初始48.9MPa降低到31.8MPa，整體降低了35.0%。氣凍組變化幅度最小，從48.9MPa降低到47.1MPa，下降幅度僅為3.7%。可以說明的是，干-濕凍融對橋梁混凝土的損傷最大，除此之外，混凝土的抗壓強度不僅與凍融條件有關，與凍融循環次數也存在密不可分的關系；在75次凍融循環之前，混凝土的抗壓強度下降幅度相對較小，當超過75次之后，開始出現大幅下降的趨勢，尤其是干-濕凍融循環組，明顯大于其他兩組。究其原因，由于混凝土是一種多孔材料，在干-濕凍融條件下產生膨脹與收縮，干燥時失水收縮，浸泡時吸水膨脹，導致內部產生內應力，進而對內部結構造成了一定破壞。在氣凍環境下，試件中沒有多余的自由水，對混凝土內部結構構不成威脅；而飽和凍融由于內部自由水飽和填充，收縮與膨脹程度要低于干-濕凍融試件。

2.2 引氣劑摻量混凝土抗凍性能的影響

混凝土中加入引氣劑會導致混凝土內部結構產生變化，除了對混凝體的抗凍性能有一定影響之外，對抗壓強度也會有一定影響。一般來說，混凝土當中適當的含氣量能夠在一定程度上提高工程混凝土的耐久性和工作性。測試并分析凍融環境下，向橋梁混凝土中投入不同含量的引氣劑時，其含氣量、抗壓強度、質量產生的變化情況，旨在挖掘出引氣劑對混凝土抗凍性能的影響。不同引氣劑摻量下混凝土28 d性能影響結果如圖4所示，其中A、B、C組的引氣劑摻量分別為0.010%、0.025%和0.040%。

(a)引氣劑摻量對混凝土28 d抗壓強度的影響

從圖4(a)可以看出，混凝土28 d的抗壓強度隨著含氣量的增加而降低。通過計算得知，在坍落度不變的前提下，混凝土中含氣量增加1%，抗壓強度下降2%～3%；若水灰比固定，甚至會出現6%以上的降低。從圖4(b)可以看出，在凍融循環試驗中，A組抗壓強度首先出現了小幅度的增加，然后出現降低的趨勢，變化幅度較大，損失較為明顯。而B、C組總體來說雖都是平穩下降，但是與初始狀態相比較，變化不大；C組3次之前變化幅度不是很明顯，之后下降幅度大幅增加，究其原因是由于含氣量過大，混凝土內部氣泡過多，孔隙率增大，削減了孔隙之間混凝土層的厚度，起反向作用所致。從圖4(c)質量損失情況來看，3個組的質量損失率均隨著循環次數的增加而降低，其中A、C組的變化趨勢較為穩定，B組變化率最低。

3 結語

混凝土抗壓強度隨凍融循環次數的增加而降低，但降低程度不同。通過實驗得知，干-濕凍融后混凝土抗壓強度下降幅度最大。125次循環后，抗壓強度由28 d的48.9 MPa下降到24.3 MPa，總體下降50.3%；其次，經過125次凍融循環后，飽和凍融試驗組的抗壓強度明顯下降，由最初的48.9 MPa下降到31.8 MPa，總體下降35.0%。氣凝膠組變化幅度最小，從48.9 MPa到47.1 MPa，下降幅度僅為3.7%，說明干濕凍融對橋梁混凝土的破壞最大。而隨著引氣劑摻量的增加，混凝土的抗壓強度逐漸降低，同時混凝土的某些性能得到改善，混凝土的抗凍融性能得到提高。一般情況下，當含氣量增加1%時，混凝土的抗壓強度將降低5%～7%。這顯示出混凝土的含氣量不能無限制地增加，若過度增加含氣量，會在一定程度上導致混凝土的抗凍性與耐久性降低。