引氣劑提高道面混凝土抗凍性研究

摘 要：根據(jù)機(jī)場(chǎng)道面水泥混凝土的特點(diǎn)，研究了水泥用量與混凝土含氣量的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明混凝土的含氣量并不隨著水泥的用量增加而增大；引氣劑的加入可以提高混合料的流動(dòng)性，但會(huì)降低混凝土的抗彎拉強(qiáng)度；同時(shí)，可以顯著提高混凝土的抗凍性；根據(jù)西北戈壁灘的氣候特點(diǎn)和機(jī)場(chǎng)道面的使用特點(diǎn)，建立了抗凍性混凝土配合比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合某機(jī)場(chǎng)的氣候特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出道面抗凍性混凝土配合比，并應(yīng)用于道面混凝土的施工中，經(jīng)使用表明較好地解決了該機(jī)場(chǎng)曾發(fā)生過(guò)的道面混凝土的凍融損壞。

關(guān)鍵詞：引氣劑 道面 抗凍性 配合比2 0 （總 2 0 ） 工程質(zhì)量 2008.No.1(B)

　　機(jī)場(chǎng)水泥混凝土的道面結(jié)構(gòu)是屬于大面積的水泥混凝土結(jié)構(gòu)。這種大面積的水泥混凝土受到降雨、溫度以及地下等各種因素的影響，特別是地下水的影響；另外，機(jī)場(chǎng)道面中的停機(jī)坪尺寸大，縱、橫坡度又較小，不利于排水；還有在冬季要采用除冰液對(duì)飛機(jī)進(jìn)行除冰，這些來(lái)自上、下因素的影響、再加上道面水泥混凝土結(jié)構(gòu)的特性及使用上的特殊性，形成了機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面的凍融損壞的特殊性。

　　處在寒冷地區(qū)新建或擴(kuò)建的機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面出現(xiàn)的凍融破壞，主要表現(xiàn)為水泥混凝土道面表面大面積掉皮，局部部位出現(xiàn)孔洞等損壞現(xiàn)象，嚴(yán)重影響道面的使用，使道面過(guò)早地結(jié)束其使用壽命，給使用單位和國(guó)家造成重大經(jīng)濟(jì)損失。提高水泥混凝土材料的抗凍性是提高水泥混凝土道面抗凍性的主要措施。通過(guò)在水泥混凝土中摻加外摻劑來(lái)提高水泥混凝土的強(qiáng)度和減少水泥混凝土的孔隙，并使水泥混凝土的孔隙形成封閉不連通的孔隙，以達(dá)到提高水泥混凝土的抗凍性的目的。使用最廣泛的是在水泥混凝土中摻加引氣劑。

　　引氣劑的加入使水泥混凝土中形成各自封閉的氣泡。這些氣泡能夠阻止水分進(jìn)入到水泥混凝土的內(nèi)部，從而避免由于氣溫的降低引起水泥混凝土中水分的凍結(jié)，造成水泥混凝土的損壞。引氣劑的加入可以提高水泥混凝土的抗凍性，但對(duì)混凝土的其它性能會(huì)產(chǎn)生影響，特別是引起混凝土的抗彎拉強(qiáng)度的降低。針對(duì)道面混凝土的要求，需要研究引氣劑的加入對(duì)混合料的流動(dòng)性、混凝土的抗彎拉強(qiáng)度和混凝土的抗凍性等的影響，并根據(jù)機(jī)場(chǎng)道面所處的氣候環(huán)境和使用情況，建立起道面抗凍性混凝土配合比的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并據(jù)此進(jìn)行抗凍性混凝土配合比設(shè)計(jì)。同時(shí)，本文結(jié)合某機(jī)場(chǎng)道面水泥混凝土工程，進(jìn)行了抗凍性混凝土的配合比設(shè)計(jì)，成功地解決了該道面以往出現(xiàn)的凍融損壞。為道面混凝土的抗凍融損壞探索了一條成功的路子。

1 引氣劑的作用與試驗(yàn)方法

　　引氣劑為表面活性劑，具有長(zhǎng)鏈分子結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物，其一端帶有親水基，另一端為憎水基。在水—?dú)饨缑嫔?，憎水基向空氣一面定向吸附，在水泥—水界面上，水泥或其它水化粒子與親水基相吸附，憎水基背離粒子，形成憎水化吸附層，并力圖靠近空氣表面。當(dāng)引氣劑溶解于水中，分子就定向排列于氣—水表面，則顯著降低溶液的表面張力，減少了氣泡形成所需的能量，便于氣泡形成，使得混合料的拌和過(guò)程中形成大量的氣泡。這些氣泡有定向吸附層，相互排斥且均勻分布。更為重要的是引氣劑的表面活性物質(zhì)可在氣泡表面形成一層彈性膜，這層彈性膜大大降低了氣泡碰撞聚合的可能性，最終可使無(wú)數(shù)均勻分布的微細(xì)氣泡保持穩(wěn)定。在硬化的混凝土中形成微小、穩(wěn)定、封閉的氣泡。這些氣泡阻止了水分的浸入，又為水分的凍脹提供了空間。因此，可以有效地提高混凝土的抗凍性。氣泡的存在會(huì)對(duì)混合料的流動(dòng)性，混凝土的抗彎拉強(qiáng)度等造成影響。

　　為了研究引氣劑對(duì)道面混凝土的影響，進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)材料：水泥為42.5R 硅酸鹽水泥；細(xì)集料的表觀密度為2.66g/cm3，細(xì)度模數(shù)為3.3，屬粗砂；粗集料的表觀密度為2.68g/cm3，粒徑為5～40mm 的碎石；引氣劑采用PJ-2 引氣劑，屬于松香皂型引氣劑。所采用的試驗(yàn)材料均符合國(guó)家有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

　　混凝土的流動(dòng)性用坍落度來(lái)表示，混凝土的含氣量用氣壓式含氣量測(cè)定儀測(cè)定?；炷恋目箯澙瓘?qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)小梁試件（1 5 c m × 1 5 c m ×5 5 c m ），試件的成型和養(yǎng)護(hù)按機(jī)場(chǎng)水泥混凝土的室內(nèi)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 引氣型對(duì)混凝土性能影響

2.1 水泥用量與混凝土含氣量的關(guān)系

　　在道面水泥混凝土中，水泥的用量是混凝土配合比設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。選擇合理的水泥用量既可以滿足施工和強(qiáng)度要求，又可以滿足經(jīng)濟(jì)上的要求。所以，需要研究混凝土的含氣量與水泥用量的關(guān)系，以便合理確定水泥用量。為了研究水泥用量與混凝土含氣量之間的關(guān)系，引氣劑按0 . 0 1 2 %的劑量進(jìn)行配比，砂率為33%，用水量為139kg/m3。

　　表1 為水泥用量與混凝土含氣量之間的關(guān)系。從表1 可以看出，混凝土的含氣量并不隨著水泥的用量增加而增大，當(dāng)水泥用量達(dá)到330kg/m3 時(shí)，混凝土的含氣量達(dá)到最大，為4.60%。說(shuō)明水泥用量影響氣泡的形成和穩(wěn)定，導(dǎo)致混凝土含氣量的改變。這是因?yàn)樗嘤昧康母淖冇绊懥嘶旌狭现械乃? 水界面和水氣界面的狀況，溶液表面張力的降低程度發(fā)生了變化，形成氣泡的能量也隨著水泥用量的改變隨之改變，影響了氣泡的形成與穩(wěn)定。水泥用量的改變直接導(dǎo)致水泥漿體中的水泥- 水- 氣三相體的組成。當(dāng)水泥- 水- 氣三相體為某一組合時(shí)，則溶液中的表面張力降低最大，最易形成氣泡，在硬化的混凝土中形成的氣泡就最多，即混凝土中的含氣量最大。

2.2 含氣量對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響

　　為了保證水泥混凝土道面的施工，需要混凝土具有較好的流動(dòng)性，以利于混合料的攤鋪、振搗。引氣劑的加入可以改善混合料的流動(dòng)性。對(duì)不同含氣量下的混合料的流動(dòng)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2 。由表2 可知，隨著含氣量的增大，混合料的坍落度增加，說(shuō)明混合料的流動(dòng)性得到改善。這是因?yàn)橐龤鈩┑囊霑?huì)在混凝土中產(chǎn)生大量的氣泡，這些氣泡如同滾珠一樣，起到潤(rùn)滑作用；同時(shí)，大量氣泡的存在增加了漿體體積、漿體粘度和屈服應(yīng)力。因此，混合料的和易性、塑性和內(nèi)聚性得到顯著提高，離析和泌水現(xiàn)象顯著降低。引氣劑的加入可以保證在同樣的配比下，提高混凝土的流動(dòng)性；在同樣的坍落度下，減少混合料的拌和用水。水灰比的減少可以提高混凝土的強(qiáng)度。因此，引氣劑的加入有利于道面混凝土的施工。

2.3 含氣量對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響

　　引氣劑的加入會(huì)在混凝土中形成封閉、穩(wěn)定的氣泡，這些氣泡的存在影響了混凝土的密實(shí)度，導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度降低。由于混凝土的抗彎拉強(qiáng)度是機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面的強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)。因此含氣量的變化對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，其結(jié)果見(jiàn)表3 。試驗(yàn)條件為：水泥用量320kg/m3，水灰比為0.44，砂率為33%?；炷林幸氪罅课⑿馀莺螅瑢?dǎo)致了混凝土抗彎拉強(qiáng)度的降低。當(dāng)混凝土含氣量從0 增加到4.6% 時(shí)，7 d 的混凝土的抗彎拉強(qiáng)度比未加引氣劑的強(qiáng)度損失了14.6%，28d 損失了11.2%。說(shuō)明由于引氣劑的加入，在混凝土中產(chǎn)生的氣泡會(huì)導(dǎo)致混凝土抗彎拉強(qiáng)度的降低。因此，要對(duì)混凝土的含氣量進(jìn)行適當(dāng)控制，避免混凝土產(chǎn)生過(guò)大的強(qiáng)度損失?；炷恋凝g期也會(huì)對(duì)引氣劑、對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度的損失產(chǎn)生影響。引氣劑對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響主要是在混凝土中存在的微小氣泡。這些微小氣泡在混凝土凝結(jié)后就處于穩(wěn)定狀態(tài)，并不隨混凝土的齡期增長(zhǎng)而發(fā)生變化，即混凝土的含氣量在混凝土凝結(jié)后就保持不變的，而混凝土的強(qiáng)度則隨著齡期的增長(zhǎng)而增大。由于含氣量是不變的，隨著混凝土的強(qiáng)度不斷地增大，引氣劑對(duì)混凝土強(qiáng)度造成的損失就會(huì)減少。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，齡期對(duì)引氣劑、對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度造成損失的影響較小。

2.4 含氣量對(duì)混凝土抗凍性的影響

　　引氣劑在混凝土中引起的氣泡直徑約為

0 . 0 2 5 m m ～0 . 2 5 m m 。這種微氣泡由于氣泡彼此隔離，切斷了毛細(xì)通道，使水分不易滲入到混凝土中，減緩了水分結(jié)冰膨脹的作用，提高了混凝土的抗凍性。

　　表4 為引氣劑對(duì)混凝土抗凍性的影響。試驗(yàn)條

件：水泥用量330kg/m3，坍落度15mm，含氣量為3.85%，水灰比為0.44。從表4 可知，加入引氣劑后，混凝土的抗凍性顯著提高?；鶞?zhǔn)混凝土，在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到1 5 0 次后，其相對(duì)動(dòng)彈性模量?jī)H為2 5 . 3 % ；對(duì)于加入引氣劑的混凝土，其相對(duì)動(dòng)彈性模量高達(dá)97.5%；在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到2 0 0 次后，其相對(duì)動(dòng)彈性模量高達(dá)9 7 . 1 % ，說(shuō)明了相對(duì)動(dòng)彈性模量的損失是很小的。因此，引氣劑的加入，可以顯著提高混凝土的抗凍性， 這對(duì)防止道面混凝土的凍融損壞是十分有利的。

3 抗凍性混凝土配合比設(shè)計(jì)

　　我國(guó)西北戈壁灘地區(qū)，冬天寒冷，年最低氣溫在－ 3 0 ℃～－ 4 0 ℃之間。在這樣寒冷的氣候條件下，道面混凝土?xí)霈F(xiàn)凍融損壞。在進(jìn)行道面混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮混凝土抗凍性的要求，即所謂的抗凍性混凝土配合比設(shè)計(jì)。為了保證道面混凝土具有抗凍性，根據(jù)西北戈壁灘地區(qū)的氣候特點(diǎn)、機(jī)場(chǎng)道面的使用年限（一般為3 0 年）和道面平面尺寸大等特點(diǎn)，提出了西北戈壁灘地區(qū)道面抗凍性混凝土的配合比設(shè)計(jì)的要求，如表5 所示。

　　某機(jī)場(chǎng)地處西北戈壁灘地區(qū)，年最低氣溫達(dá)－ 35℃?？紤]采用引氣劑提高混凝土的抗凍性。引氣劑采用P J - 2 型引氣劑。并按表5 確定的抗凍性混凝土的技術(shù)要求進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)。混凝土的設(shè)計(jì)抗彎拉強(qiáng)度為5 . 0 M P a 。考慮到混凝土的變異性和保證率（保證率為8 5 % ），試驗(yàn)試配強(qiáng)度應(yīng)高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，本次試驗(yàn)試配抗彎拉強(qiáng)度高于5.76MPa 。確定出道面抗凍性混凝土配合比如表6所示。該配合比用于該機(jī)場(chǎng)道面混凝土的施工，解決了以往在同一機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)的道面凍融損壞，說(shuō)明本文所提出的混凝土配合比可以有效地提高混凝土的抗凍性，防止凍融導(dǎo)致混凝土板的損壞。同時(shí)，也說(shuō)明表5 建立的抗凍性混凝土的技術(shù)指標(biāo)可以適用于我國(guó)的西北戈壁灘地區(qū)機(jī)場(chǎng)道面抗凍性的要求。　　

4 結(jié) 語(yǔ)

　　引氣劑的加入可以有效地提高道面混凝土的抗凍性，是解決道面混凝土抗凍性的有效措施之一。同時(shí)，引氣劑的加入可以提高混合料的流動(dòng)性，減少水灰比，有利于彌補(bǔ)由于引氣劑的加入導(dǎo)致混凝土抗彎拉強(qiáng)度的降低。在混凝土中加入引氣劑后，在滿足現(xiàn)有道面混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，可以大幅度提高混凝土的抗凍性，滿足了西北戈壁灘地區(qū)對(duì)機(jī)場(chǎng)道面抗凍性的要求。經(jīng)工程實(shí)踐證明，可以在機(jī)場(chǎng)道面混凝土中使用引氣劑來(lái)提高混凝土的抗凍性，以提高混凝土的抗凍能力，防止道面出現(xiàn)凍融損壞。

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