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《東北公路》2000年

混凝土含氣量對其力學性能的影響

聶鵬

（遼寧省交通科研所，沈陽110015）

摘要：本文通過實驗的方法測定混凝土拌和物的含氣量，混凝土試件的含氣量和表觀密度，混凝土的強度，通過對比分析，總結了混凝土含氣量對混凝土力學性能的影響。

關鍵詞：強度；彈性模量；含氣量；掃描電鏡

1、前言

混凝土是由水泥、砂、石和水按一定比例配合、拌制成的拌和物，經一定時間硬化而成的人造石材?；炷林猩?、石起骨架作用，稱為骨料。水泥與水形成水泥漿，水泥漿包裹在骨料表面并填充其空隙，在硬化前，水泥漿起潤滑作用，賦予拌和物一定和易性，便于施工。水泥漿硬化后，將骨料膠結成一個堅實的整體?；炷恋募夹g性質受到材料情況(包括水泥、砂、石、外加劑等技術性質)，配合比設計情況以及拌和施工工藝(包括拌和、成型、養護等)的影響。

混凝土強度則主要與原材料的強度、性質，混凝土的致密程度以及界面強度有關。而致密程度與水泥品種、外加劑等影響有關，與水泥混凝土試件的含氣量也有關。而混凝土材料和外加劑以及拌和所產生的氣體所形成的空隙將嚴重影響混凝土的致密程度。本文將就外加劑影響的一些研究成果做一些總結。

2、混凝土空隙形成機理

混凝土摻入一些外加劑會產生一系列化學反應，包括產生氣體，同時混凝土在拌和時會引入一些氣體，從而形成空隙。而大部分外加劑都為表面活性劑，所謂表面活性劑是指這樣的一種物質，溶解于液體并從液體中向界面匯集，作定向排列吸附在界面上，形成單分子吸附膜層，從而顯著地降低溶液的表面能，這樣現象成為表面活性，具有這種表面活性的物質，叫做表面活性劑，由于其表面活性，而具有濕潤浮化、分散、氣泡、潤滑等作用。

表面活性劑分子是由兩部分組成的，一部分是溶解于油難溶于水的親油部分，稱憎水基，它以長鏈烷基為其代表性原子團，另一部分為溶解與水而難溶于油的親水部分，稱親水基，它是以氫氧基、磺基、羥基、羧基等為其代表性原子團，當親水基的親水性大于憎水基的憎水性時，這一表面活性劑就是親水的，反之，則為憎水性的表面活性劑。而加入引氣劑后，引氣劑的成分為松香熱聚物，既是含有憎水基，也含有親水基的兩性分子。當分子溶于水后，分子就定向排列在氣—液界面上，降低了溶液的表面張力，從而使新界面的產生變得更容易。若用機械方法攪動溶液，就會產生氣泡，而氣泡中um級的小氣泡大部分是相當穩定的。為驗證這一結論，我們設計了一組實驗，來研究混凝土振搗時間與含氣量的關系，具體結果如表1所示。

根據實驗表明，同一混凝土振搗45s、60s、75s和90s的混凝土含氣量差別不大。充分振動只是振搗出拌和時夾雜的一些沒有形成穩定結構的大氣泡和有害氣泡，而穩定的小氣孔受振搗時間影響不大，因此，振搗時間一般我們設計為40s-60s，過度振搗不但不會影響小氣孔的存在，而且會造成混凝土產生離析。而這些穩定的氣泡將會影響混凝土的力學性能，包括混凝土的抗壓強度、抗彎強度、抗滲性能等。

3、對比試驗

3.1、原材料技術情況

為使對比實驗的結果準確可靠，原材料的選用均滿足規范要求。其中水泥為525#硅酸鹽水泥，比表面積為3200cm2g，其它技術指標如表2所示:

砂子的細度模數為2.8，粒徑小于5mm的中砂，產地為渾河，石子選用石灰巖，采用二級配，其中5-10mm占40%，10-20mm占60%，產地為小屯。

外加劑為遼寧省交通科研所研制的K1型外加劑；

3.2、配合比設計及混凝土試件制作

為了詳細的說明這一問題，我們做了對比試驗，具有相同可比性的試驗配合比設計混凝土，通過采取加入引氣劑和減水劑等外加劑來調節凝凝土拌和物含氣量，具體配合比見表3，水泥混凝土配合比按照《公路工程水泥混凝土實驗規程》設計，抗壓試件尺寸為15cm×15cm×15cm，彎拉試件尺寸為55cm×15cm×15cm，彈性模量試件為30cm×15cm×15cm，混凝土由30L自動攪拌機攪拌，拌合時間為3min，試件采用振動臺振搗，時間為25s-35s。養生為標準養生，溫度為20±2℃濕度為90%以上。配合比如表3所示。

3.3、拌和物性能測試

為保證混凝土的可比性，我們對拌和物的工作性、吸水率、含氣量、凝結時間等做了測試，拌和物含氣量的測定采用改良氣壓法測定，利用預先建立的含氣量與壓力表讀值關系曲線確定。測得的含氣量與摻加外加劑一致，摻加的外加劑越多，含氣量越大，具體結果見表4。

3.4、混凝土試件密度實驗

為驗證所測的含氣量，我們對試件的密度進行了測試，具體結果見表5，與表4所測的含氣量相比較，二者的結果基本一致，隨著含氣量的增加，試件密度逐漸減小。由此可見，根據我們預先建立的率定曲線所測的含氣量是準確的。

3.5、掃描電鏡微觀實驗

為了驗證混凝土硬化后試件含氣量和成型情況，我們進行掃描電鏡下的微觀實驗，具體結果見圖1，通過對比2號和7號試件的電鏡照片，分析得出混凝土含氣量的空隙率隨著引氣劑含量的增加而增大，也就是氣孔間距越小，并且水灰比越小，氣孔尺寸越小。摻加引氣劑越大，在保持坍落度一致的條件下，砂率越小并且具有一定的減水作用，這主要是穩定的小氣泡起到了細骨料的作用，提高了混凝土的潤滑性，所以，摻加一定量的引氣劑可以降低水灰比，提高混凝土的工作性。

3.6、力學性能測試

抗壓強度和抗彎拉強度采用萬能實驗機進行測試，彈性模量也是采用引伸儀、千分表在萬能實驗機上測試，具體結果見表6。

結合前面所測得的混凝土含氣量，利用我們所測的抗折強度，通過回歸分析，我們可以得出一個這樣的回歸方程:

S=0.029A2+0.2718A+3.9694(其中S為抗折強度，A為含氣量)

如圖2所示推出最佳含氣量的值為4.6%，也就是說在含氣量為4%與5%之間，混凝土的抗折強度最大，這主要是引氣劑增加了含氣量，而且形成了閉合的不連通的氣泡，而這些下氣泡在混凝土中產生了潤滑作用，而且直徑在um級，只有通過高掃描電鏡才能看到，奪取了水泥漿中的水分，增強了界面。而彎拉強度主要取決于界面，因而當界面強度提高時，將會提高強度。這主要是由于封閉的小氣泡的內部為氣體，所以，小氣泡具有較高的彈性，具有較大的自由變形空間，當界面受力時，骨料接觸產生的應力集中所產生的應變會由于這些小氣泡的存在而得到釋放，防止界面的破壞，盡而提高混凝土的抗彎拉強度。而氣泡間距又不能太小，如果引氣劑的摻量較大時，氣泡的間距太小。就會形成連接界面，降低界面強度。因此，引氣劑太大時，會降低抗彎拉強度。

抗壓強度取決于水泥石的強度，由于氣泡的存在，在一定程度上影響了水泥石的密實度，盡而直接影響混凝土的強度。因此，隨著引氣劑的增多，會降低混凝土的強度。而抗壓彈性模量下降較大，這主要是由于氣泡的存在，使試件彈性增強，變形增大，另一方面強度降低，最終造成了抗壓彈性模量下降較快。

4、結論

(1)根據上面實驗和理論分析，我們可以認為，隨著混凝土含氣量的增加，抗壓強度會一定程度下降，而彎拉強度會在一定的含氣量下提高抗折強度。

(2)本專題只討論了最大石子粒徑為20mm的混凝土強度的含氣量和強度的關系。因此，適宜的引氣劑摻量4%也只適用于最大粒徑為20mm的混凝土，而石子粒徑直接與表面積和空隙率有關，因此，最大粒徑的最佳引氣量是不同的。

(3)由掃描電鏡看出，氣泡尺寸隨著水灰比變化而變化，水灰比小的氣泡較小，水灰比較大的氣泡較大。

(4)雖然引氣劑的使用會提高含氣量造成混凝土強度的降低，但混凝土中均勻分布的封閉的小氣泡會提高混凝土的抗鹽剝蝕性能，而彌補強度損失需要進一步研究的工作，開發既能保證沒有強度損失，卻可以提高混凝土耐久性的外摻劑是十分重要的，筆者僅以此文與有關人員共同商榷。

參考文獻

1、傅智.道路混凝土摻引氣劑的研究.公路，1998(2)

2、廉慧珍、吳中偉.混凝土可發展戰略和高性能膠凝材料.混凝土，1998(6)

3、混凝土外加劑規范(GBJ119-88)

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