高海拔山區(qū)混凝土拌合物含氣量經(jīng)時變化規(guī)律

古 源，馬春鋮，黃文君，賀慶燁，趙 勇，徐文強

（1.云南省建筑科學(xué)研究院有限公司云南省建筑結(jié)構(gòu)與新材料企業(yè)重點實驗室，云南 昆明 650223；2.云南建筑工程質(zhì)量檢驗站有限公司，云南 昆明 650223）

0 引言

云南總的地勢由北向南呈階梯式下降，“香格里拉—麗江”高速公路位于云南滇西北片區(qū)，線路地處橫斷山脈南沿，地形高差達 1 100 m，該項目“香格里拉段”海拔高達 3 300 m。線路沿途氣候環(huán)境惡劣，有效工期短，建設(shè)難度較大。為確保混凝土構(gòu)件的長期耐久性能，項目采用 F 100 抗凍等級混凝土，主要的抗凍混凝土有 C30F100 和 C50F100。相關(guān)研究表明，含氣量是影響混凝土抗凍性的重要因素，向混凝土中引入適量微小、均勻的氣泡［1］能有效改善混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，提高混凝土的工作性能和耐久性。

目前，針對混凝土含氣量國內(nèi)外現(xiàn)有的研究主要分為材料、配合比、拌制工藝以及環(huán)境等方面的影響因素。例如：材料對混凝土含氣量的影響方面，王春明通過單因素對比實驗得出，在其他因素不變的條件下，混凝土含氣量與砂的細度模數(shù)呈反比［2］；混凝土配合比對含氣量的影響方面，李興翠等通過試驗總結(jié)出混凝土含氣量與單位用水量、砂率成正比［3］；拌合工藝對含氣量的影響方面，付昌會等提出了在傳統(tǒng)混凝土攪拌設(shè)備上添加振動源，調(diào)整振動源位置、頻率以及振幅可以顯著提高混凝土的含氣量［4］；環(huán)境對含氣量的影響方面，李雪峰等利用低氣壓試驗箱模擬高原低氣壓環(huán)境，發(fā)現(xiàn)低氣壓環(huán)境能削弱引氣劑的引氣能力以及混凝土的保氣能力［5，6］。

國內(nèi)目前對混凝土含氣量的研究多停留在實驗室階段，而對具體施工環(huán)境中混凝土的含氣量影響因素及其經(jīng)時變化規(guī)律的研究相對較少。本文以“香格里拉—麗江”高速公路為背景，通過對該項目不同海拔高度、溫度、運輸距離和澆筑方式等因素影響下混凝土含氣量的測定，研究高海拔山區(qū)混凝土含氣量經(jīng)時變化規(guī)律。

1 試驗

1.1 試驗設(shè)備

含氣量檢測設(shè)備采用美國 FORNEY 公司生產(chǎn)的LA-0316 直讀式含氣量測定儀進行測定。

1.2 試驗環(huán)境

本項目在海拔大約 3 300、3 100、1 900 m 設(shè)有三個拌合站，分別是冷都站（A）、關(guān)防站（B）和龍蟠站（C），A 站和 B 站位于香格里拉高原氣候帶，C 站位于香格里拉與麗江交接處河谷氣候帶。

鄰近 A 站設(shè)有兩個梁場，分別是四工區(qū)梁場（1#）和五工區(qū)梁場（2#），1#、2# 梁場 T 梁所用 C50F100 混凝土均由 A 站供應(yīng)拌制。

1.3 原材料

粉煤灰采用大理誠康再生資源有限公司 F 類 Ⅱ 級粉煤灰，外加劑采用上海三瑞高分子材料股份有限公司VIVID-500 減水劑，引氣劑同樣采用上海三瑞高分子材料股份有限公司產(chǎn)品，摻量 0.05 %。由于地理原因，3 個拌合站使用的地材水泥和砂石料有所區(qū)別。A站水泥采用昆鋼鴻達 P·O42.5 和滇西紅塔 P·O52.5（C50F100），B 站水泥采用昆鋼鴻達 P·O42.5，C 站水泥采用劍川華新 P·O42.5。砂石料使用情況如表1 混凝土配合比所示。

表1 混凝土配合比

1.4 配合比

此次研究涉及 A、B、C 站普通 C30 混凝土和 A 站C30F100 和 C50F100 混凝土，配合比信息如表1 所示。

1.5 試驗方法

混凝土含氣量按照 GB/T 50080－2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》的相關(guān)要求進行檢測。通過對現(xiàn)場不同情況下混凝土含氣量數(shù)值的測定，研究含氣量的經(jīng)時變化規(guī)律。

1）分別對 A、B、C 站普通 C30 混凝土出站時靜置0、0.5、1、1.5、2 h 含氣量數(shù)據(jù)的測定，研究海拔高度對混凝土含氣量的影響規(guī)律。

2）通過對 A 站不同環(huán)境溫度下 C30F100 混凝土出站時靜置 0、0.5、1、1.5、2 h 含氣量數(shù)據(jù)的測定，研究不同溫度條件下對混凝土含氣量的影響規(guī)律。

3）分別測定A站出站時和到達1#、2#梁場時的C50F100 混凝土含氣量，研究運輸距離對含氣量的影響規(guī)律。

4）通過對 C30 混凝土在現(xiàn)場泵車料斗口處的泵前混凝土和泵后入模前泵后混凝土含氣量的測定，研究泵送的澆筑方式對混凝土含氣量的影響規(guī)律。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 海拔對混凝土含氣量的影響

根據(jù)表2 中 3 個拌合站不同靜置時間測得的混凝土含氣量平均值，繪出不同海拔混凝土含氣量的經(jīng)時變化規(guī)律如圖1 所示。從圖1 可以看出，雖然相同靜置時間下含氣量測定數(shù)值 C 站＞B 站＞A 站，但由于 3 個拌合站使用的地材不同，配合比也有所不同，考慮原材料和配合比對含氣量測定值的影響，不能得出海拔低的測得的含氣量就越高，海拔高的測得的含氣量就低的結(jié)論。

圖1 不同海拔高度對混凝土含氣量的影響

表2 普通 C30 混凝土不同靜置時間含氣量測定值

但通過分析曲線的走勢和 3 個拌合站混凝土從出站到靜置 2 h 含氣量變化值，可以得出隨著靜置時間的增長，含氣量測定值逐漸變小，且海拔越高混凝土含氣量經(jīng)時損失較大的結(jié)論。

2.2 溫度對混凝土含氣量的影響

通過對不同環(huán)境溫度下（1～5、5～10、10～15、15～20℃）不同批次C30F100混凝土不同靜置時間（0、0.5、1、1.5、2 h）含氣量的測定，根據(jù)同個溫度區(qū)段內(nèi)不同靜置時間混凝土含氣量對應(yīng)的平均值，繪制出不同環(huán)境溫度區(qū)段內(nèi)，混凝土含氣量經(jīng)時變化規(guī)律如圖2 所示。

圖2 不同環(huán)境溫度對混凝土含氣量的影響

可以看出，混凝土在 1～5 ℃ 環(huán)境溫度下靜置 2 h 后，含氣量損失 0.7 %；在 5～10 ℃ 環(huán)境溫度下靜置 2 h 后，含氣量損失 0.8 %；在 10～15 ℃ 環(huán)境溫度下靜置 2 h 后，含氣量損失 1.0 %；在 15～20 ℃ 環(huán)境溫度下靜置 2 h 后，含氣量損失 1.2 %。可以得出環(huán)境溫度越高，混凝土含氣量經(jīng)時損失越大。

2.3 運輸距離對混凝土含氣量的影響

表3 和表4 分別為混凝土從 A 站運輸?shù)?1 #、2 # 梁場含氣量變化規(guī)律。

表3 A 站—1# 梁場混凝土含氣量變化規(guī)律

表4 A 站—2 # 梁場混凝土含氣量變化規(guī)律

表3 含氣量變化值大部分為負值，極少數(shù)為正值，表明大部分混凝土從 A 站運輸?shù)?1# 梁場后，含氣量反而是增大了，與混凝土靜置后測定的含氣量逐漸降低的規(guī)律不同。分析原因應(yīng)該是罐車運輸混凝土過程，給引氣劑充分發(fā)揮引氣能力的時間，加上罐車的攪拌和顛簸晃動的影響，空氣裹挾進入混凝土后會產(chǎn)生溶膠性氣泡，混凝土含氣量隨之升高。

表4 含氣量變化值全為正值，且含氣量損失率大體在 7.5 %～21 %，說明混凝土從 A 站運輸?shù)?2# 梁場的含氣量均有不同程度減少。考慮運距過長，氣泡在長時間的攪拌作用下，從漿體中逸出，加之含氣量的經(jīng)時損失，含氣量降低明顯。

表3 和表4 得出的結(jié)果，與劉家海等［7］含氣量隨攪拌車攪拌時間延長而增加，與李增軍等［8］遠距離運輸含氣量隨時間延長而降低的研究結(jié)果均有所不同。從表3 和表4 的數(shù)據(jù)上可以看出，在整個混凝土運輸過程中，含氣量呈先增加后減少的趨勢。

分析造成研究結(jié)果不同的原因應(yīng)該是引氣劑在混凝土出站后實際發(fā)揮的引氣能力和含氣量的經(jīng)時損失不同造成的，而運輸過程中在攪拌車的攪拌作用下，一方面增加一部分溶膠性氣泡，另一方面使引氣劑在攪拌作用下能夠很好地發(fā)揮后續(xù)引氣作用。

若引氣劑在運輸過程中增加的含氣量遠遠大于含氣量經(jīng)時損失量，隨著引氣能力的發(fā)揮，混凝土含氣量應(yīng)該呈逐漸增長的趨勢；若引氣劑在運輸過程中增加的含氣量遠遠小于含氣量經(jīng)時損失量，隨著含氣量經(jīng)時損失，混凝土含氣量應(yīng)該呈逐漸減小的趨勢；由于項目地處高海拔地區(qū)，一方面含氣量經(jīng)時損失較大，另一方面受地材質(zhì)量較差和環(huán)境的影響，對引氣劑的引氣能力有抑制作用，含氣量呈先增加后減少的變化趨勢。

2.4 泵送對混凝土含氣量的影響

泵送對混凝土含氣量的影響如表5 所示。

表5 泵送對混凝土含氣量的影響

通過對表5 數(shù)據(jù)分析，混凝土含氣量變化值均為正值，也就是說混凝土在通過泵管的過程中，含氣量有不同程度的損失。

分析原因一方面混凝土泵送時會在泵管部分位置產(chǎn)生低壓環(huán)境，使氣泡從混凝土逸出，造成含氣量降低；另一方面泵送時對混凝土擾動較大，混凝土與泵管管壁的摩擦，也會在一定程度上降低混凝土含氣量。

2.5 混凝土質(zhì)量控制建議

綜上，在高海拔山區(qū)混凝土含氣量經(jīng)時損失較大，在遠距離運輸和泵送的澆筑方式下，含氣量還會有不同程度的損失。

鑒于混凝土含氣量在不同環(huán)境和條件下經(jīng)時變化規(guī)律，混凝土在拌合站拌合時，可適當(dāng)提高出站時含氣量，通過對本項目相關(guān)試驗數(shù)據(jù)分析，建議提高0.5 %～1 % 的出站混凝土含氣量，用于抵消部分含氣量經(jīng)時損失量，保證混凝土在施工過程中有較好的工作性能，確保實體質(zhì)量和結(jié)構(gòu)耐久性。

3 結(jié)論

試驗結(jié)果表明不同的海拔高度、溫度、運距和澆筑方式對混凝土含氣量經(jīng)時變化規(guī)律有著不同程度的影響。

1）隨著海拔的上升，環(huán)境氣壓的降低，氣泡穩(wěn)定性變差，更容易破裂，造成混凝土含氣量經(jīng)時損失越大。

2）環(huán)境溫度越高，環(huán)境氣壓越低，混凝土含氣量經(jīng)時損失越大。

3）不同運距含氣量經(jīng)時變化規(guī)律和引氣劑引氣效果、環(huán)境影響因素下含氣量的損失量、混凝土含氣量本身經(jīng)時損失量有關(guān)，根據(jù)三個因素量值的大小，不同運距含氣量經(jīng)時變化規(guī)律會呈多種變化規(guī)律。

4）混凝土泵送時對混凝土有較大擾動，泵管中形成的低壓環(huán)境和混凝土與泵管的摩擦作用，均會造成含氣量不同程度降低。

5）可適當(dāng)?shù)靥岣叱稣净炷梁瑲饬浚糜诘窒糠汁h(huán)境、運距和澆筑方式等因素造成的含氣量經(jīng)時損失，以保證混凝土工作性能和結(jié)構(gòu)耐久性。Q