抗沖磨混凝土氣泡控制試驗研究

摘 要：通過改變振搗位置、振搗時間、調(diào)整減水劑和引氣劑摻量，對混凝土配合比及振搗工藝進行優(yōu)化，并借助試模試件對混凝土振搗工藝進行驗證，提出了有利于解決氣泡問題的振搗參數(shù)及振搗工藝方案，以改善雙江口水電站泄洪系統(tǒng)抗沖磨混凝土中氣泡大、不均勻的現(xiàn)象。結果表明：采用脫模劑的同時采用消泡劑產(chǎn)品復配減水劑使用，可以有效降低大氣泡數(shù)量；在混凝土中增加漿體用量，可使減水劑在骨料之間充分填充，有效降低氣泡產(chǎn)生幾率；對比不同振搗參數(shù)試驗結果發(fā)現(xiàn)，Φ100硬軸式振搗棒排除氣泡效果更好。

關鍵詞：減水劑；引氣劑；抗沖磨混凝土；氣泡；振搗參數(shù)

中圖分類號：TV431" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

0 引 言

水工建筑物在高水頭、大流量挾砂石高速水流的沖刷作用下，混凝土表層會出現(xiàn)不同程度的破壞，進而影響水工建筑的安全運行。因此，混凝土的抗沖磨性能是確保水工建筑物耐久性的關鍵因素之一。張巖等[1]研究表明，在人工砂中，石粉含量約為10%時，混凝土展現(xiàn)出最佳的抗沖耐磨性能，建議將人工砂的石粉含量控制在11%～13%。何克[2]對抗沖磨混凝土配合比進行試驗研究，表明使用HB7-1代替硅粉顯著改善了混凝土的施工性能，加入HDC高性能摻合料可使混凝土強度提高20%。劉忠橋[3]在分析混凝土施工工藝、材料選擇與抗沖磨性能之間關系的基礎上，提出了提高水電站抗沖磨混凝土性能的對策。雷維岳等[4]針對四川某水電站抗沖磨混凝土表面的干縮龜裂問題以及施工難度大的缺點，在抗沖磨混凝土中加入適量的HF外加劑，有效提高了抗沖磨混凝土性能。胡宏峽[5]研究表明在水膠比一定的條件下，摻加聚丙烯纖維、減縮劑或采用不同減水劑品種，對早齡期混凝土的力學性能和抗沖磨性能有不同影響，但對后期各項力學性能和抗沖磨性能影響不大。陳榮等[6]研究表明，不摻硅粉低熱水泥可以有效緩解混凝土易干縮開裂等問題，使抗沖磨混凝土的各項性能都有所改善。代興艷等[7]在混凝土中摻入高性能復合型混凝土改性劑提高其致密度，從而提高混凝土的性能與強度。由于混凝土原材料、配合比、施工工藝等原因，混凝土會產(chǎn)生氣泡。混凝土內(nèi)部的氣泡會形成非承載的空間，氣泡過多或過大，就會減少實心材料的比例，導致混凝土的整體密實程度下降，從而減弱其對沖擊和磨損的抵抗能力，而混凝土表面的氣泡可能在施工過程中形成麻面或孔洞，這些地方通常會成為沖磨的薄弱點，使得混凝土在承受水流沖擊時更容易損壞。王俊等[8]研究了不同養(yǎng)護條件對混凝土氣泡特征參數(shù)的影響，結果表明，相比標準養(yǎng)護，蒸汽養(yǎng)護可以改善硬化混凝土內(nèi)部的氣泡結構，但混凝土表面氣泡質量較差。吳井志等[9]介紹了引氣劑、消泡劑和發(fā)泡劑三種外加劑的應用現(xiàn)狀，概述了外加劑的分類、成分及特性，并探討了外加劑的發(fā)展動向。

雙江口水電站泄洪系統(tǒng)工程位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康市和金川縣。工程泄洪洞室襯砌采用抗沖磨混凝土。然而，在場外生產(chǎn)性試驗中發(fā)現(xiàn)，抗沖磨混凝土中存在大量氣泡。為了解決這一問題，本文通過改變振搗位置、振搗時間，并調(diào)整減水劑和引氣劑的摻量，對混凝土的配合比及振搗工藝進行優(yōu)化，以改善混凝土的抗沖磨性能。

1 試驗概況

將機制砂、水泥、粉煤灰、外加劑分別溶于盛有飽和石灰石水的玻璃杯中進行發(fā)泡試驗，可以發(fā)現(xiàn)，較多機制砂氣泡附在玻璃杯周邊一圈，水泥產(chǎn)生少許氣泡，而粉煤灰未發(fā)現(xiàn)氣泡；外加劑產(chǎn)生的氣泡較大且消失過程緩慢。可知，抗沖磨混凝土中的氣泡主要由外加劑產(chǎn)生。選擇江蘇博特新材料有限公司（A廠家）及石家莊長安育才有限公司（B廠家）生產(chǎn)的減水劑及引氣劑兩種外加劑開展試驗研究。

1.1 試驗基礎配比

采用C9040混凝土，初始配合比見表1。

2.2 試驗方法

首先，通過水桶試驗進行外觀初步評價，然后調(diào)整外加劑摻量以及采用固定配方外加劑和不同消泡劑組合等尋求最佳組合，再通過調(diào)整外加劑配方，結合不同配合比進一步尋找對氣泡性狀最敏感的外加劑組分。試驗過程中同時對不同振搗工藝參數(shù)進行驗證和確認。

2 試驗結果與討論

2.1 外加劑調(diào)整和消泡試驗

2.1.1 水桶試驗

采用水桶模型進行外觀初步評價，水桶內(nèi)部涂刷脫模劑，脫模劑采用A廠家JK-500，1∶3兌水后涂刷，振動棒直徑為30 mm。通過設置不同振搗時間、不同振點位置，評價混凝土外觀質量。

2.1.2 外加劑摻量調(diào)整和消泡

根據(jù)原材料檢驗結果，將砂率調(diào)整為33%，模型尺寸為60 cm×60 cm×60 cm的立方體（見圖1），分層澆筑，每層高度約30 cm，每邊采用三點振搗，振搗點距模板邊緣約15 cm（見圖2）。模型一個端面與已有混凝土墻相接，另一個端面采用鋼模板，兩個側面采用鋼化玻璃作為模板（見圖1），以便觀察氣泡在振動過程中的演變情況。

透過鋼化玻璃觀察，涂刷脫模劑一面的氣泡在振搗10～ 20 s后基本消失，而涂刷色拉油一面的氣泡消失較慢，約45 s。由脫模后試件外觀情況可知，在無法從側面觀測到氣泡的鋼模板面，整體立面上部出現(xiàn)粘模反砂，且有較多小氣泡，中部較好，有部分水紋線，推測是混凝土過振導致。下部出現(xiàn)較多小氣泡，混凝土外觀總體質量不如水桶試驗結果，結果相差較大，考慮實際施工采用鋼模板，后期外觀試驗全部采用鋼模板進行外加劑摻量調(diào)整。

第一次調(diào)整：將減水劑摻量減少到0.6%，引氣劑摻量減少到0.1‰，結果顯示，混凝土坍落度增加到65 mm，含氣量增加到3.3%，混凝土和易性較好，但從外觀仍能看出較多氣泡。為避免出現(xiàn)過振情況，本次試驗單點振動時間大幅度降低至每個振點約10±5 s，振點位置見圖3，混凝土模型采用鋼模板，尺寸為60 cm×60 cm×30 cm，采用涂刷水性脫模劑工藝。

試驗發(fā)現(xiàn)，混凝土出現(xiàn)較多大于500 μm的大氣泡[10]，未出現(xiàn)反砂現(xiàn)象，表面平整度較好。可知，降低振搗時間可以避免出現(xiàn)混凝土粘模反砂問題，但混凝土表面氣泡數(shù)量增多，不能有效解決混凝土外觀質量問題。

第二次調(diào)整：考慮到混凝土需要保持一定的含氣量，同時必須通過充分的振搗來確保其外觀質量，混凝土的抗振性成為一個需要重點考慮的重要指標。為提高混凝土抗振性，調(diào)整減水劑配方，適當提升混凝土黏稠保水性。模型尺寸仍為60 cm×60 cm×

30 cm，在模板短邊一側粘貼模板布，拆模后發(fā)現(xiàn)脫模劑面出現(xiàn)較多氣泡，但模板布面外觀較好，僅少量微小氣泡。

第三次調(diào)整：考慮前面模型均出現(xiàn)較多大氣泡，因此，在減水劑配方中添加少量PXP-5消泡劑。減水劑摻量為0.62%，模型尺寸為60 cm×60 cm×30 cm，在模型兩個相鄰面粘貼模板布，其它面涂水性脫模劑。試驗模型的兩邊振搗30 s，復振15 s，中間振搗15 s，復振10 s。發(fā)現(xiàn)涂刷脫模劑表面仍然存在氣泡問題，不能滿足工程需求，而模板布面整體質量較好，僅微量微小氣泡但光潔度差。

第四次調(diào)整：對減水劑配方進行調(diào)整，采用新脫模劑JK-600，1∶5兌水稀釋后涂刷，并采用新消泡劑1101產(chǎn)品復配減水劑使用，以利于氣泡在振動過程中溢出。試驗發(fā)現(xiàn)混凝土外觀質量有明顯改善，大氣泡數(shù)量明顯降低，表面存在一定數(shù)量的微小氣泡。

第五次調(diào)整：采用消泡能力較強的PXP-3消泡劑產(chǎn)品，快速降低大氣泡數(shù)量。將減水劑摻量減少到0.55%，將混凝土試驗構件兩邊振搗50±10 s，中間振搗45±10 s，整體復振60 s，構件浮漿約1～2 cm，

結果發(fā)現(xiàn)構件坍落度減少到50 mm，含氣量下降到2.8%，表面存在少量大氣泡問題。

各次外加劑調(diào)整的試驗參數(shù)見表2。可以看出，第四次調(diào)整的減水劑配方結合脫模劑JK-600，使用效果最優(yōu)，因此對該減水劑配方進行混凝土性能驗證試驗（第六次調(diào)整），試驗結果見表3。圖4為混凝土正面外觀和側邊外觀，可以看出，整體均未出現(xiàn)大氣泡，其中一個面小氣泡較多，其他三面均僅有少量小氣泡。

2.2 外加劑配方調(diào)整試驗

按照砂591 kg/m3、小石565 kg/m3、中石691 kg/m3、水129 kg/m3的材料用量進行混凝土試驗。

調(diào)整減水劑、保坍劑、緩凝劑等外加劑的比例，使用B廠家生產(chǎn)的GK-3000減水劑進行配制，并將其用于混凝土試驗，水桶試驗結果見表4。

可知，采用減水劑配方③和④拌制出的混凝土，在振搗作用下，漿體迅速鋪滿桶壁，產(chǎn)生的氣泡少，內(nèi)部存在的小氣泡也快速消除，而且消除混凝土表面氣泡的振搗時間比用減水劑配方②的時間短，用減水劑配方③和④的混凝土消除氣泡的振搗時間分別僅為減水劑配方②的42.8%、22.5%。采用減水劑配方③和④的混凝土硬化后，成型試塊表面基本無明顯氣泡，特別是沒有針眼狀氣泡，說明采用減小劑配方③和④有利于減少混凝土表面氣泡。

觀察混凝土表面的氣孔發(fā)現(xiàn)，氣泡呈現(xiàn)橢圓形，且氣泡內(nèi)部骨料有裸露現(xiàn)象，可能是由于配合比中漿體量不足。因此考慮提高試驗構件漿體用量。采用減水劑配方③進行混凝土試驗研究，配合比見表5，試驗結果見表6。發(fā)現(xiàn)配合比1混凝土試塊表面的氣泡少（見圖5），而配合比2混凝土試塊表面基本沒有明顯氣泡（見圖6）。主要原因是增加漿體用量使減水劑在骨料之間充分填充，降低了氣泡產(chǎn)生的幾率。

2.3 振搗工藝對氣泡的影響試驗

確定外加劑配合比后，采取大試模振搗工藝對試驗構件進行試驗研究，提出初步的振搗工藝方案及振搗參數(shù)。分析在不同振搗棒型號、不同振搗時間、不同振搗位置下混凝土外觀、混凝土性能的變化，具體參數(shù)與試驗結果見表7。可知，Φ100硬軸式振搗棒優(yōu)于Φ80硬軸式振搗棒；Φ100硬軸式振搗棒初振45 s、復振35 s效果優(yōu)于Φ100硬軸式振搗棒初振70 s、復振35 s效果；Φ80硬軸式振搗棒初振50 s、復振40 s效果優(yōu)于Φ80硬軸式振搗棒初振55 s、復振45 s效果。

3 結 論

針對雙江口水電站泄洪系統(tǒng)抗沖磨混凝土中含有大量、不均勻氣泡問題進行了試驗研究。主要結論如下：

（1）在采用新脫模劑JK-600的同時，使用新消泡劑1101產(chǎn)品復配減水劑，可有效排除混凝土表面氣泡，且大氣泡數(shù)量明顯降低，表面僅存在一定數(shù)量的微小氣泡。

（2）當減水劑摻量為0.55%，引氣劑摻量為0.14‰，同時加入PXP-3消泡劑時，混凝土中大氣泡數(shù)量明顯降低，表面存在一定數(shù)量的微小氣泡。

（3）對比不同振搗參數(shù)發(fā)現(xiàn)，Φ100硬軸式振搗棒初振45 s、復振35 s、振搗間距為50 cm時，排除氣泡的效果更好。

參考文獻：

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Experimental Study on Bubble Control of Abrasion-Resistant Concrete

HUANG Yaowen

（China Railway Major Bridge Engineering Bureau Group Fifth Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 610015，China）

Abstract：The mix proportion and vibration technique of the abrasion-resistant concrete for the Shuangjiangkou Hydropower Station’s flood discharge system were optimized by altering the positions and duration of vibration，and adjusting the dosages of water reducing and air-entraining agents. Vibration technique was validated using test mold specimens. Consequently，favorable vibration parameters and techniques were proposed to address the issues of large and uneven air bubbles in the abrasion-resistant concrete. Results indicate that using the demolding agent in conjunction with the composite defoaming agent and water reducer can effectively reduce the number of large air bubbles. Increasing paste content in the concrete mix can reduce air bubble formation by fully filling the spaces between the water reducing agent and the aggregates. Comparative experiments on different vibration parameters revealed that the φ100 hard shaft vibrator is more effective in eliminating air bubbles.

Key words：water reducing agent；air-entrainment agent；anti-impact and wear concrete；bubble；vibration parameters