道路混凝土掺引气剂的研究_

道路混凝土掺引气剂的研究
   傅智
   (交通部公路科学研究所)
   摘要:  介绍“八五”国家重点科技攻关项目《滑模摊铺水泥混凝土路面修筑成套技术研究》课题中进行的在混凝土中掺用引气剂的研究工作。从引气剂改进混凝土的工作性、力学性质、变形性能、耐久性的实验研究结果得出，道路水泥混凝土应规定采用引气剂。关键词道路水泥混凝土外掺引气剂实验研究
   1前言
   随着我国公路交通事业的发展，我国道路水泥混凝土用量逐年大幅度增长，从1990年到19%年，我国建成的水泥混凝土路面由11373km猛增到56625km，增长了4.98倍，年均增长率30.67%。19%年建成10453km。目前，在建规模每年超过l000okm。仅水泥混凝土路面使用的混凝土至少有2500万砰以上，加上桥面混凝土，总用量估计每年使用3000万时左右。
   这样大的道路混凝土施工规模，加上施工水平参差不齐，必然造成水泥混凝土路面和桥面质量差别很大。质量较差的一些混凝土路面和桥面工程使用了几年就产生了破损，需要进行修复，不仅养护费用大大增加，而且水泥混凝土路面和桥面的修复难度较大。迫切需要从两方面提高工程的质量:一是从施工工艺上保证质量;二是改进路面和桥面混凝土材料性能，使用引气剂即是其中的一项技术。
   在道路混凝土中掺用引气剂并非最新的技术，50年代末期美国的T.C.Powers从研究混凝土抗冻机理提出和使用引气剂以来，在西方各主要发达国家已经发展为一项常规的技术。在美国、加拿大、英国、澳大利亚等国的水泥混凝土路面施工及材料规范中，都规定必须使用引气剂。
   在我国与混凝土有关的科技人员概念中，引气剂只使用在有抗冻性要求的工程上，对所有道路混凝土并不要求均使用引气剂。但是，即使在有抗冻性和抗盐冻要求的工程中，引气剂的使用也并不普遍，致使一些在高寒地区修建的水泥混凝土路面和桥面冻害和盐冻严重，3一5年就全部冻坏，看上去完全成了碎石路面。这需要普及和宣传引气剂增强混凝土抗冻耐久性的知识，使引气剂在有抗冻性和抗盐冻要求的场合，广泛使用起来。
   引气混凝土与一般粗放施工的混凝土不同，其引气剂剂量很小，约1/10000~2/10000，但效益明显，称之为精细的高性能混凝土技术。高性能混凝土并非都是抗压强度很高的混凝土，而是具备耐久性、工作性、各种使用力学性能、适用性、体积稳定性具佳和经济合理的高技术混凝土。其中使用引气剂就是很重要的技术内容。
   大家可以看到，道路混凝土使用引气剂，将显著改善道路混凝土的工作性、抗折强度、变形性能及耐久性等诸多高性能指标，大大地扩展了使用引气剂的概念，有利于提高混凝土的路用品质。因此建议在道路混凝土中大力推行使用引气剂，并在有关施工规范中规定。这有助于从混凝土材料性能上，保障道路混凝土工程的质量。
   2  工作性
   2.1  含气量与引气剂掺量的关系
   研究表明:无论是碎石混凝土还是砾石混凝土，对于某种引气剂和特定的搅拌工艺，引气剂掺量与引气剂之间，都是正比线性关系，见图1。欲得到一定的含气量，必须在特定施工工艺条件下，对打算采用的某种引气剂做实验，得到其掺用剂量与含气量的关系，并将适宜含气量对应的引气剂剂量范围确定下来，才能进行含气量的有效控制。
   2.2  塌落度
   混凝土中加人引气剂，随着含气量的增加，塌落度线性增大，见图2。碎石混凝土有同样的实验结果。引气混凝土塌落度增加的原因有两个:一是引气剂具有减水作用;二是由于引气剂生成微气泡的润滑作用，也使塌落度增大。本实验是折减减水率后的结果。很明显，引气剂改善了新拌混凝土的静图3。当含气量小于3%时，振动粘度系数随着含气量上升而上升;含气量大于3%时，含气量增大，振动粘度系数下降。两者为非线性关系。从防止滑模混凝土塌边来看，希望新拌混凝土有较高的振动粘度系数，从图3可见，砾石混凝土较高的振动粘度系数在含气量2%一6%之间。随着出搅拌机时间的延长，曲线规律并无变化，同时说明，振动粘度系数与时间的关系是线性关系。这一点与塌落度有显著的差异，塌落度随时间是非线性变小的，有明显的塌落度损失。经过一定时间的新拌混凝土能否振实，将取决于振动粘度系数而不是损失后的塌落度。
   振动粘度系数与含气量之所以有上述变化规律，其原因在于:由于掺加引气剂，含气量增加，新拌混凝土内部表面张力增加，拌合物的粘聚性增强，振动粘度系数增加，它有利于防止混凝土在运输、卸料、摊铺过程中发生离析现象。当含气量大于3%时，表面张力仍在上升，但气泡的微珠效益的作用更大，致使振动粘度系数下降。微珠作用有利于新拌混凝土较快地被振捣密实，易密性提高，有利于防止滑模混凝土路面出现麻面现象。

     2.4  泌水率
   引气混凝土另一个优点在于控制新拌混凝土泌水和离析，引气碎石混凝土含气量与泌水的实验见图4。随着混凝土含气量增加，泌水率明显呈线性下降。泌水率下降意味着拌合物的流浆离析减少。这将使混合料的匀质性更好。特别是施工中使用较粗的(细度模数较大)砂，引气剂减少泌水的作用就特别突出，它是我们控制粗砂混凝土施工时产生大量泌水的重要手段。引气混凝土的泌水和离析减少，表明它有较大的内聚性，混合料的稳定性大大增强，施工得到的混凝土匀质性将更好。这将有助于改善硬化后的混凝土力学性能、路面板的抗破坏能力以及耐久性。
   总而言之，引气剂可以改善混凝土工作性和流变学性能。而道路混凝土往往要求在低流动性、小塌落度条件下施工，其密实度受工作性优劣的影响比其它大流动性混凝土大。由此出发，提出道路混凝土广泛使用引气剂的要求是必要的，适宜的含气量应根据振动粘度系数的要求控制在2%~6%之间。
   3  力学性能
   3.1  抗折强度

     砾石混凝土抗折强度与含气量的关系见图5。
   实验条件是相同水泥用量和水灰比。引气砾石混凝土抗折强度与含气量之间是二次方关系，抗折强度较高时的含气量大约在3%~6%之间。引气与不引气的砾石混凝土抗折强度相比，抗折强度可提高15%~20%。更多的实验表明:相同水泥用量和水灰比条件下，碎石混凝土引气也得到基本相同的结果，抗折强度较高的含气量在2%~5%，抗折强度可提高10%~15%。
   这个实验结果有无普遍意义?是偶然现象还是材料规律?考察他人的研究结果:中国水利水电科学研究院也做出了相同的实验结果;从国外所做实验可见，在中低抗折强度范围内，有基本相同的实验结论;另外，在振碾混凝土中，引气剂提高抗折强度的效果相当显著。看来，在一般施工的混凝土强度范围内，这个实验结果具有普遍性，是引气混凝土材料的基本规律。
   由于道路混凝土的抗折强度是设计和施工控制中的第一力学指标，它对提高道路混凝土材料质量是极其重要的。因此，在实际工程中，在不提高水泥用量和采用其它措施的条件下，哪怕仅提高抗折强度10%也是难能可贵的，利用这一性能以使道路混凝土不仅满足设计抗折强度的要求，而且满足一定的施工强度保证率。混凝土引气为我们提供了一种经济合理，简便易行的方法。
   3.2  抗压强度
   我们的实验研究表明:引气混凝土抗压强度随着含气量增大，线性下降。国内外的实验都证明了这一点。但是这个实验结果不稳定，在贫混凝土，抗压强度较低时，或水灰比控制不严时，也能做出抗压强度随含气量先提高后下降的结果。抗压强度随含气量变化的曲线结果并不具有普遍意义。
   含气量对混凝土抗折强度的影响为什么与抗压强度不同?引气混凝土的抗折强度为什么可以有较大的提高?由于加载方式不同，在试件中引起的应力状态不同。抗压破坏受压剪应力控制，抗压强度主要受浆体本身的强度控制。而抗折破坏主要受拉应力控制，拉应力对混凝土界面结构和匀质性很敏感，在含气量3%~5%以内时，混凝土工作性改善，离析和泌水减少，引气混凝土均匀性高，抗折强度离散小，抗折强度会提高。更重要的是:在适宜的含气量范围，生成气泡占用或夺取了本来聚集在界面区的水份，使界面结构改善，增强了界面的抗拉能力，抗折强度提高。但是，当含气量过大时，一方面，气泡间距系数过小，使浆体削弱;另一方面，当浆体中气泡过多，会将其中一部分挤到界面区，使气泡在界面区富集，在显微镜下，平面上连成了气泡串，在三维空间上，在集料周围气泡连成了类似蜂窝状结构，界面大大削弱，界面抗拉强度下降，抗折强度也明显下降。
   3.3耐疲劳特性
   在国内外的水泥混凝土路面的设计规范中，都考虑了混凝土路面板的耐疲劳极限。Lee.D.等人的研究表明:水灰比相同的引气混凝土，在极限抗折强度的60%一90%，疲劳荷载加载速率5一7.5Hz时，在混凝土含气量小于10%，引气混凝土的S一N曲线都将落在非引气混凝土的95%置信限以内。
   研究结论是:在常规使用的混凝土含气量范围，含气量对引气混凝土的抗折疲劳特性没有影响。从上述含气量对抗折强度影响的分析中可见，当适量气泡夺取了部分集料界面处的水份后，界面增强，孔结构改善，匀质性提高，抗拉、抗折强度明显提高。可以预料，在抗折强度提高的含气量范围内，不会对引气混凝土的抗折疲劳特性带来负面的影响。
   4变形性能
   4.1抗折弹性模量
   引气剂掺量对引气混凝土抗折弹性模量的影响见图6。随着引气剂掺量的增加，抗折弹性模量下降较快。由于引气剂掺量与混凝土含气量之间存在线性关系，因此，混凝土的抗折弹性模量也将随着其含气量的增加而下降。国外的研究也有相同的结果。

   对于道路混凝土这种刚性路面而言，降低材料的刚性，增加其柔韧性，但不降低抗折强度，是我们要追求的路用品质之一。一般情况下，材料越密实，弹性模量越大。掺引气剂既提高了抗折强度，又降低了抗折弹性模量。
   降低抗折弹性模量的好处是当荷载、干湿、温度等引起的翘曲变形一定时，混凝土路面板内产生的弯曲疲劳应力水平低，翘曲循环破坏的机率小，有利于在保持各种因素作用下，路面的完好率。当荷载应力一定时，抗折弹性模量小，弯拉应变大，路面的柔韧性好，有利于降低材料脆性和提高道路的行车舒适性。
   4.2干缩变形

   干缩应变一般占混凝土温度和湿度应变的绝大部分，所以检测混凝土的变形性质，仅指其干缩变形。引气混凝土含气量与干缩变形实验关系见图7。这个实验是在控制混凝土等水泥用量和等塌落度的条件下得出的。可以看到由于引气剂的减水作用，使单位用水量减少，混凝土28d的干缩有一个低谷存在。大约在含气量2%~4%时，干缩明显减小了。6%的含气量与非引气混凝土干缩基本相同，这符合国内外一般实验规律。
   当含气量在4%以内，混凝土的干缩，最主要受单位用水量和水灰比控制，在50%的相对湿度条件下，硬化混凝土干缩产生的原因是由于水份从水泥浆中毛细孔散失，毛细孔水份的表面张力对孔壁所产生的拉力所致。干缩的大小取决于毛细孔水份逸出量的多少和速度。单位用水量大，保留在毛细孔中的水份多，可供散失的水份多，则干缩大，反之，则小。当含气量大于6%，毛细孔水份散失的速度不再决定于单位用水量，而逐渐取决于气泡的间隔厚度，即气泡间距减小，水份散失速度加快，干缩因含气量增加而加大。
   这个实验表明，在控制塌落度和水泥用量相同条件下，由于引气剂的减水作用，在6%含气量范围内，干缩都不会比非引气混凝土大。干缩最小的含气量2%一4%，与抗折强度峰值含气量基本一致，两者都具有同一个最优含气量。由于干缩在混凝土的自然因素变形中占有绝大比重，所以从减小混凝土变形角度，也应提出掺引气剂，控制含气量不大于6%。
   4.3温度变形
   温度变形比千缩变形小一个数量级，而且可以通过温度系数对温度变形进行计算。影响混凝土温度系数的因素除了骨料的种类外，就是含气量。国外的研究表明，含气量增大，混凝土的热扩散系数和热传导系数减小。这对暴露在日照下的水泥混凝土路面结构减小温升应力是有利的。
   在我国现行的水泥混凝土路面设计规范的计算中，考虑了由于温度翘曲应力疲劳对路面使用性能的影响。因此，掺用引气剂使路面棍凝土的热扩散系数及热传导系数变小，在强烈日照条件下，将高热量阻隔在结构以外，无疑将减小温度变形和计算温度疲劳应力，改善了路面结构的耐热性，这对延长水泥混凝土路面的使用寿命是有利的。
   5耐久性
   5.1抗冻性
   混凝土引气剂提高抗冻性是引气剂最初的使用目的，在其含气量适宜时，混凝土的抗冻性会大幅度提高。我们的研究见表1的抗冻性实验结果。非引气混凝土，在相同水泥用量和水灰比条件下，28d抗冻融循环次数仅105次;而使用质量较好的引气剂，含气量4.4%，普通混凝土的抗冻性可达到550次冻融循环，达到超抗冻性混凝土的要求。常规松香皂引气剂，也能达到450次冻融循环。粉煤灰混凝土的抗冻性研究表明，随着粉煤灰掺量增加，达到相同含气量的引气剂用量成倍增加;另外，粉煤灰混凝土在28d以内，虽然粉煤灰效应尚未发挥，强度较低，但只要具有抗冻所要求的含气量，能够达到300次以上的冻融循环次数，粉煤灰混凝土100d以后的实验表明，其抗冻性与不掺的基本持平。
   为满足混凝土抗冻性要求，各国都提出了适宜含气量的推荐值。一般均在3%~6%之间，随着骨料的最大粒径增大，含气量变小。根据混凝土抗冻机理研究得到的最大气泡间距系数应为0.25mm，对应的最小含气量为3%。有实验表明，当混凝土含气量超过6%时，抗冻性不再提高。

   5.2抗盐冻性
   在我国北方冬季下雪天时，路面上要求洒盐除冰，减少车辆的溜滑，降低交通事故。但是，在水泥混凝土路面和桥面上洒盐除冰，会带来严重的盐冻破坏，其破坏速率比淡水冻融快2~3倍，其破坏形式是从表面一层层剥落。盐冻破坏的快速和严重性，主要有几个原因促成:水在毛细孔中结晶，带来巨大的渗透压力;盐溶液在孔隙中结晶，增加了渗透压力;洒盐除冰虽降低了水的冰点，但同时造成了更频繁更多的冻融循环次数和盐类的化学侵蚀。因此，对于预计洒盐除冰的水泥混凝土路面和桥面，必须使用引气剂，并控制含气量在3%~6%。此外，水灰比不大于0.45，单位水泥用量不小于350kmlm³，最少7d天潮湿养护，并要保证路面混凝土有一个月干燥时间，才能参与冻融循环和盐冻循环。
   5.3  抗磨性

   混凝土含气量与磨损率的关系见图8。图中区分了混凝土表面砂浆的磨损和混凝土本身磨损以及总磨损。从混凝土表面磨损来看，含气量对其影响较小，实验结果基本上在实验误差以内。但是，混凝土内部及总磨损却有个转折点，磨损率突然增大的含气量大约在4%左右，与粗集料界面粘接不良，较快脱落有关。从抗磨性来看，只有道路混凝土表面有抗磨要求的砂浆表层，抗磨性基本不受含气量的影响，但表面砂浆一经磨掉或脱落，当含气量较大时，耐磨性能将随着含气量超过4%显著变差。从抗磨性、抗滑性和防止砂浆脱落来看，道路混凝土保持一个最适宜的砂浆厚度是很重要的。总得来讲，引气剂对混凝土抗磨性影响并不大，同国外的研究结论基本相同。
   5.4  抗渗性
   水利科学研究院的研究表明:在相同水灰比条件下，引气混凝土比非引气混凝土的抗渗性要高;在同水泥用量条件下，引气混凝土的抗渗性有显著提高;在相同配合比条件下，含气量增大，抗渗性提高。
   掺引气剂使混凝土单位用水量减少，泌水、沉降率降低，混凝土匀质性提高，大毛细孔减少。同时，气泡切断了毛细管通道，使混凝土抗渗性得到改善。
   提高道路混凝土的抗渗性，从路面表面看，似乎并不重要，但是对于桥面板，是很重要的。由于我国对混凝土桥面板没有抗渗性要求，有不少桥面板渗透严重，从桥下可见到厚厚一层渗滤出来的Ca(OH)2结晶，由于渗透性好，桥面板先发生的是溶蚀性渗漏，孔隙逐渐加大，加上各种其它的冻融，侵蚀破坏接踵而至，耐久性受到较大影响。例如北京西直门立交桥，有的专家认为是碱集料反应破坏，还有专家认为是冻融和盐冻破坏，但根据所做的桥面板下部溶出结晶的分析表明，是由于抗渗性不足，造成的溶出性侵蚀，是所有其它破坏的始作蛹者。
   水泥混凝土路面板的渗透虽没有桥面那样直观，但实际上完全相同。因此，用引气剂改善道路混凝土抗渗性是客观使用所要求的。
   5.5耐腐蚀性及抗碱集料反应
   国外的实验研究表明:引气混凝土由于具备化学侵蚀和反应物释放的孔隙，其耐硫酸盐侵蚀性和耐碱集料反应的性能优于非引气混凝土，道路混凝土引气对于缓解这两种化学反应破坏是有利的。应注意的是:其效果仅仅是数量上的缓解，而没有质的改变。
   6  使用引气剂的经济效益
   引气剂在混凝土中的掺用量很小，一般为1/10000左右，费用很少，但引气混凝土具有显著的技术经济效益。例如，将混凝土含气量控制在4%，将使混凝土总量节省4%，引气剂的费用大约占节省混凝土费用的1/4~1/5，因此道路混凝土使用引气剂，不仅技术上先进，经济上也是合算的。
   7 研究结论及重要建议
   7.1研究结论
   (1)混凝土中掺引气剂，水泥浆显得丰富，改善了工作性，主要表现在塌落度随含气量而增大，流动性和可塑性提高。振动粘度系数随含气量增大为峰值曲线关系，上升表明粘聚性增大，稳定性提高，下降表示流动性和易密性增强。引气剂能够减少泌水和离析，提高了混凝土的匀质性。这些性能对于采用较小塌落度的道路混凝土施工操作带来很大便利，有利于提高混凝土的内在及表观施工质量，改进工作性，适宜的含气量为2%~6%。
   (2)引气剂对混凝土抗折强度的影响与抗压强度不同，含气量增大，抗折强度有峰值存在，而抗压强度直线下降。我们希望在以抗折强度为第一力学指标的道路混凝土中，普遍使用引气剂，利用这一峰值来提高抗折强度，适宜的含气量为3%~5%，抗折强度可提高10%~20%，砾石混凝土增长更大些。引气混凝土当含气量小于10%，对耐疲劳特性没有影响。
   (3)引气混凝土抗折弹性模量较低，刚性较小，柔韧性好。在各种应变作用下，应力值低。在含气量6%以内，干缩较小，并有一低谷，在含气量2%~4%之间，干缩减小1/5。引气混凝土的热扩散及传导系数降低，提高了混凝土的体积稳定性，增强了这种野外结构的耐候性。道路混凝土广泛使用引气剂，有利于延长其使用寿命。控制变形性能所要求的含气量2%~6%。
   (4)掺引气剂对提高抗冻性、抗盐冻性、抗渗性、耐硫酸盐侵蚀及抗碱集料反应性能都是有利的，引气混凝土最显著的优势是大大提高抗冻性和抗盐冻性，对有抗冻性要求的混凝土适宜含气量3%~6%，而满足内部抗磨性要求的含气量不大于4%，可以按有无抗冻性要求分别提出不同的含气量控制标准。
   7.2重要建议
   我们遵循高性能混凝土材料应具备优良的工作性、较高的抗折强度、耐疲劳特性强、优良变形性能和优异耐久性的思路，致力于道路混凝土材料由一般性能向高性能推进。在施工技术上，广泛使用引气剂是由粗放向精细混凝土高新技术的过渡。研究的目的是从材料性能上保证道路混凝土具备优异的路用品质。
   根据上述研究，应在我国水泥混凝土路面施工规范中，明确规定使用引气剂的技术要求。有抗冻性要求地区，控制含气量为3%~6%;无抗冻性要求，含气量为2%~5%。

文章来自：滑模机械网

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