引气剂对混凝土性能的研究.pdf

第 4 0卷 ， 第 6期 2 0 1 5年 1 2月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 4 0，No 6 De c， 2 0 1 5 引气剂对混凝土性能的研究 张凯 ，王起才 ，王庆石 ，李建新 ，李伟龙。 ， 姚海力 ( 1 兰州交通 大 学 土木 工程 学 院 ，甘 肃 兰 州 7 3 0 0 7 0 ； 2 陕 西 天酬 路桥 建 筑工 程有 限公 司 ，陕 西 咸 阳 7 1 3 1 0 0 ) 摘要 为研究含气量对标养及低温 ( 3 ) 混凝 土强度 及抗 冻耐 久性的影响 ， 通过抗压强度 试验 、 抗 冻耐久 性试 验 ， 测定了低温及标养混凝土 的抗压强度及抗冻耐久性 。试验结果表 明 ： 低温及标准养护 下 ， 混凝土 强度 较标 准养护下降低 ； 含气量越高， 其改善混凝土抗冻耐久性能力越高， 但受强度因素的制约， 含气量存在一个合理范围。 关键词 】低温混凝 土；标养混凝土 ； 含气量 ； 抗压强度 ； 抗 冻耐久性 中图分类号 】U 4 1 4 1 文献标识码A 文章编号1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 6 - 0 0 2 1 - 0 3 A Effe c t s o f Ai r En t r a i n i n g Ag e n t o n t h e Pe r f o r ma n c e o f Co n c r e t e Z HA NG Ka i ，W AN G Qi c a i ， W A NG Qi n g s h i ，L I J i a n x i n ，L I W e i l o n g ， YAO Ha i l i ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，L a n z h o u J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，L a n z h o u ，G a n s u 7 3 0 0 7 0 ，C h i n a ； 2 S h a n x i Ti a n c h o u Ro a d a n d Br i d g e Co ns t r u c t i o n En g i n e e r i n g Co ， L t d，Xi a n y a n g，Sh a n x i 71 31 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t T o s t u d y t h e e f f e c t s o f a i r c o n t e n t o n t h e s t r e n g t h a n d a n t i f r e e z i n g d u r a b i l i t y o f l o w t e m p e r a t u r e c o n c r e t e( 3) ， t h i s t e x t c o n d u c t e d r e s e a r c h o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d a n t i f r e e z i n g d ur a b i l i t y o f l o w a nd n o r ma l - t e mp e r a t u r e c o n c r e t e v i a c o mp r e s s i o n t e s t a n d a n t i - f r e e z i n g d u r a b i l i t y t e s t Re s u l t s o f t h e t r i a l i n d i c a t e d t h a t c o n c r e t e s t r e n g t h u n d e r l o w- t e mp e r a t u r e c ur i n g i s l o we r t h a n t h a t u nd e r s t a n d a r d c u r i n g，a n d t h e a n t i - f r e e z i n g d u r a b i l i t y i s i n d i r e c t p r o p o i o n t o t h e a i r c o n t e n t ，b u t t h e a i r c o n t e n t i s i n a r e a s o n a bl e s c o p e r e s t r a i n e d b y s t r e ng t h K e y wo r d s l o w - t e m p e r a t u r e c o n c r e t e ；n o r m a l - t e mp e r a t u r e c o n c r e t e ；a i r c o n t e n t ；c o m p r e s s i v e s t r e n g t h；a n t i f r e e z i n g du r a b i l i t y 1 概述 在 寒 冷地 区 ， 混 凝 土 破坏 的主要 原 因是 抗冻 融 耐久性不足。寒冷地 区的水工、 道路和桥梁等混凝 土建筑结构物常 由于遭受冻融破坏而影响了其正常 运行使用 ， 因此开展对混凝土冻融破坏机理及 如何 改进混凝土性能提高混凝土抗冻耐久性的研究便显 得 尤 为重 要 。 范 沈 抚 对 掺 引气 剂 混 凝 土 的抗 压强度和抗冻耐久性进行了研究 ， 表明掺用引气剂 ， 使混凝土达到足够的含气量要求 ， 可改善混凝 土的 孔结构性质 ， 并明显改善混凝土的抗冻耐久性 ； 杨钱 荣 、 李 家正 等研 究 了 不 同引 气剂 品种 的 引气 混 凝土含气量对混凝土抗 冻性能的影 响。朱蓓荣 等研究 了掺加 s J 一 2引气剂的引气混凝土抗盐冻性 能， 得到引气混凝 土含气 量越高 ， 其抗 盐冻性能越 好 。虽然国内外众多学者在探讨混凝土耐久性有关 问题 ， 且主要对混凝土孔结构与性能方面、 孔结构与 强度 的关 系 研 究 较 多 ， 而 对 于 孔 结 构 与 耐 久 性 的关系研究 尚不充分， 需要不断的讨论 。大量 实践 证明， 含气量是影响混凝土抗冻性的主要因素 ， 因此 在混凝土中使用引气剂是提高混凝土抗冻性能的最 为快捷有效 的途径。然而， 含气量 的增加也导致 了 其强度的降低 因此， 含气量存在一个合理范 围， 既 可 以大大 改善低 温 及 常 温 下混 凝 土 的 抗冻 性 ， 又不 至 于引起 强度 的大 幅降低 。 收稿 日期2 0 1 4 0 6 1 9 基金项 目长江学者和创新团 队发展计 划资 助 ( I R T 1 1 3 9) ； 国家 自然科 学基 金资 助项 目( 5 1 2 6 8 0 3 2 ) ： 铁 道部 科技 研究开 发计划 项 目 ( 2 0 1 0 G 0 1 9一A) 作者简介张凯 ( 1 9 8 8 一) ， 男 ， 山东潍坊人 ， 硕士研究生 ， 主要从事桥梁与隧道方面的研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 公路工程 4 0卷 2 试验 2 1试 验 原 材 料 水泥 采用 甘肃永 登祁 连 山水 泥有 限公 司生产 的 4 2 5级普通硅酸盐水泥， 比表面积为 3 8 7 5 e m g ； 砂子采用庄浪河砂， 中砂 ， 细度模数为 2 6 8 ， 含泥量 1 6 ， 表 观密 度 2 6 6 g c m ， 堆 积 密度 1 5 5 9 k g m ； 矿物掺合料是由硅灰、 粉煤灰按比例配合而成 。 粉煤灰采用兰州热电厂 的 I级粉煤灰 ， 比表面积为 2 8 5 8 c m g ； 矿 粉 为 安 徽 朱 家 桥 水 泥 有 限 公 司 生 产的级磨细矿粉 ， 比表面积为 4 9 2 0 e m g ， 性 能 满 足要求 。所 掺化 学外 加剂 有减水 剂 和引气剂 。减 水 剂为 江苏博 特新 材料 有 限公 司 生产 的 P C AI聚 羧酸高性能减水剂 ， 引气剂为液体 s J 一 2型引气剂。 2 2试 验方案 配合 比 经过反复试配 ， 确定了混凝土最终的配合 比， 见 表 1 。其中 J C系列 为基准混凝 土( 不掺引气剂 ) ； J C 1系列为掺人 1 引气剂混凝土 ； J C 2为掺人 2 引气剂混凝土 ； J C 3为掺入 3 引气剂混凝土。新拌 混凝 土 的塌落度 达 到 1 4 01 8 0 mm。 表 1混凝土配合比 T a bl e 1 T he mi x t u r e r a t i o o f c o n c r e t e 2 3试 验 方 法 2 3 1 含 气量 测试 方法 参照 普通混凝 土拌合物性能试验方法 ( G B T 5 0 0 8 0 2 0 0 2 ) ， 含 气 量采 用 S A N Y O 直读 式 精 密混 凝土含气量测定仪测定。 2 3 2 强 度测试 方 法 根据 J T G E 3 0 -2 0 0 5 公路工程水泥及水泥混凝 土试验规程中混凝 土强度检测方法 ( I S O) 成 型试 件， 并 测定 其 相应 龄期 的抗压 强度 ， 试件 尺 寸 为 1 5 0 IT l m1 5 0 m m 1 5 0 m m， 在 标 准 养 护 室 内及 大 气模拟箱( 3) 内养护 ， 龄期分别为 7 ， 1 4 ， 2 8 d 。 2 3 3抗 冻性 测试 方法 制作 尺 寸 为 1 0 0 mm 1 0 0 mm 4 0 0 mm 的棱 柱体试件 ， 每组 3块试件 ， 采用 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9快 速冻融的试验方法 ， 将在标准养护室及大气模拟箱 ( 3) 内养护 2 4 d的试件 ， 在水中浸泡 4 d ， 再放人 混凝 土 自动冻 融循 环 机 中进 行 快 速 冻融 ， 在 达 到一 定冻融循环次数后 ， 用动 弹仪测动弹模量或横向基 频 。试件 每 隔 2 5次循环 做一 次横 向基频 测量 ， 并 检 查其外部 损伤及质量损失 。以质量损失率不 超过 5 、 相对动弹性模量不低于 6 0 时 ， 混凝 土所能承 受 的最 大冻 融循环 次 数来表 示抗 冻等 级 。 2 4试 验 结果及 分析 2 4 1不 同含气 量下 混凝 土 的抗 压强 度 表 2为不同含气量标准养护及低温养护下混凝 土 各龄期 的抗压 强度 。 由表1 、 表2 可 知 ： 相 同配合 比条件下 ， 引气剂 表 2 标养下和低温下 混凝 土扰压强度 Ta b l e 2 Th e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e u nd e r t h e s t a n d a r d c u r i ng a n d e o n e r e t e a t l o w t e m p e r a t u r e s 编号含 龄 _ J C j c1 J C 3 5 6 掺量越多， 混凝土含气量越高 ， 这说 明控制引气剂掺 量确 实 能够改 变混凝 土 含气 量 ； 引气剂 掺量越 多 ， 混 凝 土抗压 强度越 低 ， 这是 由于在相 同配 比条件 下 ， 含 气量 越 高 ， 其 内部 引入 的均 匀 球 形 气 泡数 量 也 就越 多 ， 这些 气泡 的存在 引起 了水 泥砂 浆强 度 的降低 ， 且 气泡数量越多， 混凝 土强度损失越多。对 于同一含 气量下 ， 在标准养护及低温下的混凝土， 随着龄期的 增长， 抗压强度增大 ； 同龄期混凝土低温下较标准养 护下硬 化后抗 压 强度 降低 ， 这是 由于 在低温 养护 下 ， 水泥水 化速 度减 慢 ， 水 化程 度减 小 ， 导致混 凝土 强度 增长减 缓 。 2 4 2不 同含气 量下混 凝 土 的抗冻性 不同含气量下标准养护及低温下混凝土冻融循 l 6 6 8 7 7 6 硒 ， n 6 6 3 3 6 9 6 2 6 8 舵 嬲 m 7 H 勰 7 孙 7 H 船 7 H 勰 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 张凯 ， 等 ： 引气剂对混凝 土性能 的研 究 2 3 环试 验 结果 如 表 3 、 表 4所示 。根据 表 3 、 表 4可 以 看出： 在标准养护下 ， 含气量为 2 2 的 J C 1抗冻耐 久性较含气量为 0 9 的 J c抗冻耐久性较好 ， 含气 量分别为 3 8 、 5 6 的 J C 2和 J C 3冻融循环次数 明显强于 J c和 J C 1 ， 其抗冻耐久性 明显高 于 J c和 J C 1 。在低温养护下 ， J C 2和 J C 3的冻融循环次数约 为 J c的4倍 ， 其抗冻耐久性也 明显强于 J c和 J C 1 。 在同一含气量下 ， 低 温下混凝土较标准 养护下混凝 土冻融循环次数降低 ， 抗冻耐久性也降低 ， 经 3 0 0次 冻融循环后 ， 低温下 J C 2的动弹性模量为 9 5 1 4 ， 而标准养护下 J C 2的动弹性模量为 9 7 0 9 。实验 结果表明， 含气 量约为 4 一6 时 ， 在标 准养护和 低温养护下 ， 混凝土的抗冻耐久性最好 ， 其动弹性模 量及抗冻强度均 比未掺加 引气 剂的混凝土 明显增 强 。这 主要是 因为混 凝 土孔 隙 中的水在 受冻 结冰 体 积发生膨胀时， 会使未结冰的水 向周围引入 的气孔 中迁移而产生膨胀压力 ， 膨胀压力主要 由水分迁移 时的流动阻力 ( 包括凝胶体 的渗透性及水通路的长 短) 决定 ， 在一定范围内， 同一强度等级混凝土含气 量越高 ， 其气泡间距系数越小， 内部水分在受冻时向 周围气孔中迁移时的阻力就会越小 ， 引入 的气孔就 会起 到 卸压 的作用 ， 因此在 这一 范 围内 ， 同一 强度 等 级混凝土含气量越高 ， 抗冻性越好 ， 抗剥蚀能力也越 强 ， 尤其是冻融次数越高 时， 这种改善效果 也越明 显。由表 2及表 3可知 ， 含气量对抗冻 耐久性水 平 的提高存在一个合理 的范 围， 含气量引入过低对抗 冻耐久性水平提高作用不明显 ， 而引入含气量过高 ， 在提高其抗冻耐久性水平的同时也会造成强度的损 失 。 表 3 标 养下 混凝 土冻 融试验试件 的动弹 性模 量及 质量 损失 T a b l e 3 D y n a mi c e l a s t i c mo d u l u s o f c o n c r e t e f r e e z i n g a n d t h a wi n g t e s t s p e c i me n a n d ma s s l o s s u n d e r t h e s t a n d a r d c u r i n g 表 4低温下 混凝土冻 融试验试件的 动弹性模量及质量 损失 Ta b l e 4 Dy n a mi c e l a s t i c mo d u l u s o f c o nc r e t e f r e e z i ng a n d t h a wi n g t e s t s pe ci me n an d ma s s l o s s a t l o w t e mp e r a t u r e s 注 ：表中 E代表水泥砂浆 的动弹性模量 ， M代表水泥砂浆的质量 损失 。 3 结 论 引气剂掺量越多 ， 混凝土含气量越高 ， 抗压 强度越低 ； 混凝土低温养护下较标准养护硬化后抗 压强 度降低 。 含气量对抗冻耐久性水平 的提高存在一个 合理的范围， 含气量 引入过低对抗冻耐久性水平提 高作用不明显 ， 而引入含气量过高 ， 在提高其抗冻耐 久性 水平 的 同时也 会 造 成 强 度 的损 失 ； 含 气 量 约 为 4 6 时 ， 抗 冻 耐久性 指标最 好 。 参 考 文献 1 吴 中伟 ， 廉惠珍高性能混凝土 M 北京 ：中国铁道 出版社 ， l 9 9 9 ( 下转 第 5 0页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 公路工程 4 0卷 4 结论 本文选取 了涡河大桥一段正交异性钢板 ， 分别 对“ 无铺装” 、 “ 沥青混凝土铺装” 、 “ 钢纤维混凝 土铺 装” 3种模型进行有限元计算 ， 比较 3种模型正交异 性 钢板 的最 大 等效应 力 、 后两 者 铺 装 层 的纵 向最 大 拉应力和横向最大拉应力。并对“ 加入碳纤维网格 筋的钢纤维混凝土铺装” 进行计算， 与“ 钢纤维混凝 土铺装” 计算结果对 比， 得出碳纤维网格筋对铺装 层纵向最大拉应力和横向最大拉应力的影响。主要 得 出以下结 论 ： 当三者都处于最不利荷载工况时， “ 沥青混 凝土铺装 ” 模 型可 以减 少正交异 性钢板 的应力 为 4 1 2 ， “ 钢纤维混凝土铺装” 模型可以减少正交异 性 钢 板 的 应 力 达 到 2 3 9 4 ， 正 交 异 性钢 板 的疲 劳 寿命将增大为 2 2 7 3倍。可见钢纤维混凝土铺装可 以大大提高正交异性钢板的疲劳寿命 ， 有利于缓解 裂 缝 的产生 。 当荷载横向位置为、 纵向位置在两横隔板 跨 中时正交异性钢板位移最大。沥青混凝土铺装对 钢桥面板的位移影 响不大 ， 钢纤维混凝土铺装对钢 桥面板的位移减少 4 6 3 7 ， 显著提高整体结构 的 刚 度 。 “ 沥青混凝土铺装 ” 模型横向的拉应 力大于 纵 向的拉应力， 在荷载横 向为 时为不利荷载 ， 当移 动到两横隔板跨中时横 向拉应力达到最大， 横向拉 应力为控制应力。但“ 钢纤维混凝土铺装” 时， 这个 规律就不适用了， 这时候铺装层纵向拉应力大于横 向拉应力， 纵 向拉应力成为了控制应力 ， 这说 明“ 沥 青 混凝 土铺 装 ” 局 部效 应 比较 明 显 ， “ 钢 纤维 混 凝 土 铺装” 刚度大 、 局部效应 比“ 沥青混凝土铺装 ” 小。 通过对“ 无碳纤维网格筋的钢纤维混凝土铺 装” 和“ 带有碳纤维网格筋 的钢纤维混凝土铺装” 两 种模型的有限元计算 ， 可 以发现碳纤维网格筋对铺 装 面层 纵 向 拉应 力 降 低 2 7 1 4 ， 对 铺 装 层 横 向拉 应力降低 3 8 3 1 。这说明碳纤维网格筋对铺装层 具有约束作用 ， 可以有效地降低铺装层开裂的风险。 2 3 4 5 6 7 8 参考文献 张晓峰 平阴黄河公路大桥钢纤维混凝 土桥 面铺装技术研 究 D 长春 ： 吉林 大学 ， 2 0 0 9 禹雷 桥面铺装层 中钢纤维混凝土应用技术 研究 D 郑州 ： 郑州大学 ， 2 0 0 7 何军拥 ， 姚立宁， 张海波 编织纤维格栅增强混 凝土梁弯 曲韧 性指数的试验研究 J 广州航 海高等专科学校学报 ， 2 0 0 5 ， 1 3 ( 1 ) ： 3 43 6 刘小旭 F R P 一 沥青混凝土钢桥面铺装结构静力特性研究 D 重庆 ： 重庆交通大学 ， 2 0 1 0 细谷悦雄钢桥面的钢纤维水泥混凝土铺装 J 铺装， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 3 6 M Ka g a t a， M Na k a ma r u， e t a 1 SF RC p a v e me n t o n t h e S t e e l Bri d g e D e c k t o I m p r o v e i t s F a t i g u e P e r f o r m a n c e J B ri d g e s a n d F o u n d a - t i o n s ， 2 0 0 4， 3 8 ( 1 0 ) K Ni s h i k a wa P a v e me n t o n Or t h o t rop i e S t e e l De c k wi t h S t e e l F i b e r Re i n f o r c e d C o n c r e t e An o t h e r C o l l a b o r a t i o n b e t w e e n S t e e l a n d C o n c r e t e J B ri d g e s a n d F o u n d a t i o n s ， 2 0 0 5 ， 3 9 ( 8 ) T Ko da ma， e t a 1 A S t u d y o f S F RC P a v e me n t o n t h e S t e e l De c k B ri d g e J B ri d g e s a n d F o u n d a t i o n s 。 2 0 0 6 ， 3 7 ( 1 0 ) G B T 1 4 4 7 2 0 0 5 ， 玻璃纤维增强塑料拉 伸性能试验法 s G B T 1 7 6 8 92 0 0 8 ， 土工合成材料塑料土工格栅 S 】 D I N E N I S O 5 2 7 4， 塑料拉伸性能 的测定 S J G T 3 0 6 41 9 9 9 ， 钢纤维混凝土规 范 S C E C S 1 32 0 0 9， 纤维混凝土试验方法 S ( 上接第 2 3页) 2 范沈抚 掺引气剂混凝土性能的研究 J 混凝 土与水泥制品 ， 1 9 9 1 ( 1 ) ： 1 ll 3 3 杨钱荣 ， 张树青 ， 杨全兵 ， 等引气剂对混凝 土气泡参数的影 响 J 同济大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 3 ) ： 3 7 4 3 7 8 4 李家正 ， 董 芸， 王仲华引气剂 引气特性对 混凝土抗 冻性能影 响研究 c 混凝土外 加剂 及其应用技术 2 0 0 4 5 朱蓓荣 ， 杨全兵 ，吴学礼 ， 等 掺加 S J一 2新 型引气剂 引气混 凝土性能研究 J 建筑材 料学报 ，1 9 9 8 ，1 ( 2 ) ：1 9 21 9 6 6 朱蓓荣 ， 杨全兵 ，吴学礼 ， 等S J一 2新型 引气剂及其 引气混 凝土性能 J 混凝土 ， 2 0 0 1 ( 4 ) ： 2 1 2 4 7 郭剑飞 混凝土孔结 构与 强度关 系理 论研究 D 杭州 ： 浙江 大学 ， 2 0 0 4 8 姚 晓， 许 仲梓 低温下 油井 水泥石 孔结 构与抗 压强 度的 关 系 J 南京工业大学报 ， 2 0 0 4 ( 1 ) ： l一 4 9 张 士萍 ， 邓敏 ， 唐明述混凝土冻融循环破坏研究进展 J 材 料科学 与工程学报 ， 2 0 0 8 ， 2 6 ( 6 ) ： 9 9 0 9 9 4 1 O 张海燕 混凝土 的抗冻融破坏试验研究 J 西北 水资源与水 工程 ， 2 0 0 1 ， 1 2 ( 1 ) ： 4 9 5 2 1 1 重建工混凝土学 M 北京 ：中国建筑工业出版杜 ，1 9 8 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m