混凝土含氣量對其力學(xué)性能的影響

  摘要：本文通過實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度，通過對比分析，總結(jié)了混凝土含氣量對混凝土力學(xué)性能的影響。

  關(guān)鍵詞：強(qiáng)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(jīng)一定時(shí)間硬化而成的人造石才?；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(jié)成一個(gè)堅(jiān)實(shí)的整體?；炷恋募夹g(shù)性質(zhì)受到材料情況(包括水泥、砂、石、外加劑等技術(shù)性質(zhì))，配合比設(shè)計(jì)情況以及拌和施工工藝(包括拌和、成型、養(yǎng)護(hù)等)的影響。

  混凝土強(qiáng)度則主要與原材料的強(qiáng)度、性質(zhì)，混凝土的致密程度以及界面強(qiáng)度有關(guān)。而致密程度與水泥品種、外加劑等影響有關(guān)，與水泥混凝土試件的含氣量也有關(guān)。而混凝土材料和外加劑以及拌和所產(chǎn)生的氣體所形成的空隙將嚴(yán)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(jié)。

  2 混凝土空隙形成機(jī)理

  混凝土摻入一些外加劑會(huì)產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng)，包括產(chǎn)生氣體，同時(shí)混凝土在拌和時(shí)會(huì)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(zhì)，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(xiàn)象成為表面活性，具有這種表面活性的物質(zhì)，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(tuán)，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(tuán)，當(dāng)親水基的親水性大于憎水基的憎水性時(shí)，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(dāng)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(chǎn)生變得更容易。若用機(jī)械方法攪動(dòng)溶液，就會(huì)產(chǎn)生氣泡，而氣泡中um級(jí)的小氣泡大部分是相當(dāng)穩(wěn)定的。為驗(yàn)證這一結(jié)論，我們設(shè)計(jì)了一組實(shí)驗(yàn)，來研究混凝土振搗時(shí)間與含氣量的關(guān)系，具體結(jié)果如表1所示。

      根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(dòng)只是振搗出拌和時(shí)夾雜的一些沒有形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的大氣泡和有害氣泡，而穩(wěn)定的小氣孔受振搗時(shí)間影響不大，因此，振搗時(shí)間一般我們設(shè)計(jì)為40s-60s，過度振搗不但不會(huì)影響小氣孔的存在，而且會(huì)造成混凝土產(chǎn)生離析。而這些穩(wěn)定的氣泡將會(huì)影響混凝土的力學(xué)性能，包括混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗?jié)B性能等。

  3對比試驗(yàn)

  3.1原材料技術(shù)情況

  為使對比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果準(zhǔn)確可靠，原材料的選用均滿足規(guī)范要求。其中水泥為525#硅酸鹽水泥，比表面積為3200cm2g，其它技術(shù)指標(biāo)如表2所示:

  砂子的細(xì)度模數(shù)為2.8，粒徑小于5mm的中砂，產(chǎn)地為渾河，石子選用石灰?guī)r，采用二級(jí)配，其中5-10mm占40%，10-20mm占60%，產(chǎn)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(shè)計(jì)及混凝土試件制作

  為了詳細(xì)的說明這一問題，我們做了對比試驗(yàn)，具有相同可比性的試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)混凝土，通過采取加入引氣劑和減水劑等外加劑來調(diào)節(jié)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(shí)驗(yàn)規(guī)程》設(shè)計(jì)，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(dòng)攪拌機(jī)攪拌，拌合時(shí)間為3min，試件采用振動(dòng)臺(tái)振搗，時(shí)間為25s-35s。養(yǎng)生為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)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(jié)時(shí)間等做了測試，拌和物含氣量的測定采用改良?xì)鈮悍y定，利用預(yù)先建立的含氣量與壓力表讀值關(guān)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(jié)果見表4。

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  3.4混凝土試件密度實(shí)驗(yàn)

  為驗(yàn)證所測的含氣量，我們對試件的密度進(jìn)行了測試，具體結(jié)果見表5，與表4所測的含氣量相比較，二者的結(jié)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(jù)我們預(yù)先建立的率定曲線所測的含氣量是準(zhǔn)確的。

  3.5掃描電鏡微觀實(shí)驗(yàn)

  為了驗(yàn)證混凝土硬化后試件含氣量和成型情況，我們進(jìn)行掃描電鏡下的微觀實(shí)驗(yàn)，具體結(jié)果見圖1，通過對比2號(hào)和7號(hào)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(wěn)定的小氣泡起到了細(xì)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(xué)性能測試

  抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度采用萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，彈性模量也是采用引伸儀、千分表在萬能實(shí)驗(yàn)機(jī) 上測試，具體結(jié)果見表6。

  結(jié)合前面所測得的混凝土含氣量，利用我們所測的抗折強(qiáng)度，通過回歸分析，我們可以得出一個(gè)這樣的回歸方程:

  S=0.029A2+0.2718A+3.9694(其中S為抗折強(qiáng)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(qiáng)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(chǎn)生了潤滑作用，而且直徑在um級(jí)，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(qiáng)了界面。而彎拉強(qiáng)度主要取決于界面，因而當(dāng)界面強(qiáng)度提高時(shí)，將會(huì)提高強(qiáng)度。這主要是由于封閉的小氣泡的內(nèi)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(dāng)界面受力時(shí)，骨料接觸產(chǎn)生的應(yīng)力集中所產(chǎn)生的應(yīng)變會(huì)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(qiáng)度。而氣泡間距又不能太小，如果引氣劑的摻量較大時(shí)，氣泡的間距太小。就會(huì)形成連接界面，降低界面強(qiáng)度。因此，引氣劑太大時(shí)，會(huì)降低抗彎拉強(qiáng)度。

  抗壓強(qiáng)度取決于水泥石的強(qiáng)度，由于氣泡的存在，在一定程度上影響了水泥石的密實(shí)度，盡而直接影響混凝土的強(qiáng)度。因此，隨著引氣劑的增多，會(huì)降低混凝土的強(qiáng)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(qiáng)，變形增大，另一方面強(qiáng)度降低，最終造成了抗壓彈性模量下降較快。

  4 結(jié)論

  (1)根據(jù)上面實(shí)驗(yàn)和理論分析，我們可以認(rèn)為，隨著混凝土含氣量的增加，抗壓強(qiáng)度會(huì)一定程度下降，而彎拉強(qiáng)度會(huì)在一定的含氣量下提高抗折強(qiáng)度。

  (2)本專題只討論了最大石子粒徑為20mm的混凝土強(qiáng)度的含氣量和強(qiáng)度的關(guān)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(guān)，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(huì)提高含氣量造成混凝土強(qiáng)度的降低，但混凝土中均勻分布的封閉的小氣泡會(huì)提高混凝土的抗鹽剝蝕性能，而彌補(bǔ)強(qiáng)度損失需要進(jìn)一步研究的工作，開發(fā)既能保證沒有強(qiáng)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(guān)人員共同商榷。

  參考文獻(xiàn)

  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(fā)展戰(zhàn)略和高性能膠凝材料.混凝土，1998(6)

  3混凝土外加劑規(guī)范(GBJ119-88)