摘要:试验采用3～4 种水利水电工程常用的引气剂,配制水胶比为0.40、0.45 和0.55 的混凝土,检测高频振捣对混凝土含气量的影响。试验结果表明,混凝土的含气量受高频振捣的影响较大。水胶比相同时,含气量损失率基本上随着高频振捣时间的延长而增加;高频振捣时间相同时,含气量损失率随着水灰比的增加而增加。冻融试验的初步结果表明,水胶比为0.40 时,随着高频振捣时间的延长,抗冻性差异不大,但也受引气剂品种的影响。本文的试验结果对工程施工人员正确认识高频振捣对引气混凝土性能的影响有一定的指导意义。
关键词:高频振捣;引气;含气量损失;抗冻
中图分类号:TV42 文献标识码:A
引气是提高混凝土抗冻性的有效方法。影响引气混凝土含气量的因素很多,如引气剂的种类和掺量、混凝土原材料与配合比、拌合条件、振捣方法与振捣时间以及施工条件等[1 ,2 ] 。在水利水电工程施工中,高频内部振捣对于大体积混凝土,尤其是坍落度较小的塑性混凝土和钢筋布置较密集的混凝土的浇筑和密实成型带来了很多便利。然而,已有的资料表明,高频内部振捣会对引气混凝土的含气量、气泡体系和抗冻耐久性造成不利影响[3 ] ,有的文献中规定,引气混凝土的高频振捣时间不超过20s[4 ] 。有的资料认为,使用高频振动器时,振捣时间一般在20～30s ,且不应少于10s[5 ] 。高频振捣对引气混凝土的含气量和抗冻性的影响究竟有多大,在混凝土施工过程中如何控制混凝土的高频振捣时间以保证混凝土的抗冻耐久性,不同引气剂配制的抗冻混凝土的性能受高频振捣的影响是否存在差异等,这些问题都值得进一步研究。针对上述问题,作者进行了一系列试验,该项试验研究的初步结果如下。
1 试验方案与原材料
1.1 试验方案
本试验采用4 种水利水电工程常用的混凝土引气剂,分别配制水胶比为0.40 、0.45 和0.55 的二级配混凝土,混凝土的配合比如表1 所示。在试验中混凝土的坍落度控制在3～5cm ,引气剂的掺量根据要求的含气量进行调整,出机含气量控制在4.5 %～5.5 %。在拌合完成后测试混凝土的初始含气量和容重,然后将混凝土装入容器中,采用频率为10 000 次/ min 以上的高频振捣棒对混凝土进行振捣,振捣时间分别为15 、30 、45 、60 和90s。高频振捣完毕后,测试含气量和容重,并用30cm 的方孔筛进行湿筛,成型100mm ×100mm ×400mm的棱柱体进行冻融试验。基准混凝土采用振动台振动成型,高频振捣时间记为0s。混凝土冻融试验采用DL/ T 5150-2001 中规定的快速冻融法进行。
1.2 混凝土原材料
试验采用42.5 号中热硅酸盐水泥,符合国家标准GB200-2003 ;粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰,符合国家标准GB/ T 1596-91 ;细骨料采用天然砂,砂的细度模数为2.33 ,饱和面干密度为2.62gPcm3 ,饱和面干吸水率为1.15 %;粗骨料为人工碎石,采用二级配骨料,骨料粒径为小石5～20mm、中石20～40mm ,小石与中石的比例为1∶1 ;试验采用1# 、2 # 、3 # 和4 # 共4 种引气剂,这4 种引气剂均满足DL/ T5100-1999《水工混凝土外加剂技术规范》的要求。减水剂为符合国家标准GB8076-1997《混凝土外加剂》的一等品萘系高效减水剂。
2 混凝土成型工艺原理及气泡的形成与稳定
2.1 混凝土振动密实成型工艺原理
混凝土拌合物的振动成型在搅拌后不久进行,此时水泥的水化反应尚处于初期,生成的凝胶还不多,拌合物内部粗细不匀的固体颗粒堆积在一起,在静止状态下,如加以振动,拌合物开始流动,其原因是[6 ] : (1) 水泥胶体颗粒的触变作用———吸附于胶体粒子表面的弱结合水,当受到外力的干扰(如振动作用、搅拌作用) 时,会发生解吸附而变成自由水,使拌合物呈现塑性性质,即触变作用,使胶体由凝胶转变为溶胶; (2) 微管压力所产生的颗粒间黏结力的破坏———拌合物中存在的大量联通的微小孔隙组成错综复杂的微小通道,在孔隙水和空气的分界面上存在表面张力,使粒子互相靠近,形成一定的结构强度。在振动作用下,颗粒的接触点松开,破坏了微小通道,释放出部分自由水,从而破坏了颗粒间的黏结力,使拌合物易于流动; (3) 颗粒间机械啮合力的破坏———由于拌合物中颗粒粒子的直接接触,其机械啮合力极大,内阻大大加强。在振动的作用下,颗粒的接触点互相松开,从而大大降低了内阻,使拌合物易于流动。
振动作用实质上是使拌合物的内阻大大降低,释放出部分扩散层水及自由水,从而使拌合物部分或全部液化。在振动液化过程中,固相颗粒由于拌合物结构黏度的下降和重力作用,纷纷趋于最适宜的稳定位置,其中水泥砂浆填实于石子颗粒的空隙中,而水泥净浆则填充于砂子颗粒的空隙中,并由于比密度的不同,使搅拌过程中夹带入拌合物中的大部分空气排出,使原来的堆聚结构大大密实。
2.2混凝土拌合物气泡的形成与稳定
在混凝土中通过掺加引气剂引入气泡可以看作是骨料2水泥2水体系中空气的乳化,或者是在液相中气泡的形成、在固相或液- 固相网络中气泡的稳定。各种引气剂的作用是使所产生的气泡稳定,在搅拌过程中有两种明显的作用[1 ,5 ] 。第一种作用是通过涡流运动(如搅拌液体) 包裹气泡,空气被吸入涡流,然后由于剪切作用破裂成更小的气泡。第二种作用与骨料有关,它起到所谓的三维幕的作用。在搅拌过程中,物料相互之间逐级下落,在粒状物料网状系统中引入和保持气泡,骨料起了不可否认的作用。
新拌混凝土中的气泡本质上是不稳定的。分散的气泡和周围水泥砂浆基体之间的界面存在自由能,而热力学的趋势是使界面自由能降低,因此所有的气泡都有寿命(存在时间) 。气泡的破裂有三个基本的物理机理[1 ,7 ] 。第一种机理为气体扩散,是由于液膜的曲率不同导致气泡内气压不同而引起的。薄膜排水和最终破裂的第二个主要原因是由于毛细流动而引起的气泡聚并会导致相邻气泡间的薄液层的破坏。第三个机理是由于重力导致的流体力学排水,这通常是最快的,而且如果泡沫特别不稳定,则泡沫破裂的这个原因就比其他原因显得重要。
振动捣实对气泡的影响可用第二种机理来解释,即振动捣实迫使气泡相互接触,从而形成较大的气泡。由于重力的作用液体也将从液膜流走,结果液膜将变得越来越薄直到达到临界的厚度,这时候体系不能再承受压力,随即发生破裂。
3 试验结果及讨论
3.1 高频振捣对混凝土含气量的影响
高频振捣对混凝土含气量的影响的试验结果如图1～图6 所示。图中分别对水胶比相同而引气剂不同的混凝土含气量损失率以及引气剂相同而水灰比不同的混凝土含气量损失率进行了比较。
由图1～图6 可以看出,对于初始含气量基本相同的混凝土,其含气量损失率基本上随着高频振捣时间的延长而增加。例如,水胶比0.40 时,振捣时间从15s 增加到90s ,掺1# 引气剂的混凝土含气量损失率从35.7 %增加到52.6 % ,掺2# 引气剂的混凝土含气量损失率从40.4 %增加到52.7 %。这与李文伟等人[8 ] 关于振捣时间及方式对混凝土抗冻性影响的规律基本上是相符的,陈建奎[2 ] 也有相同的结论,即振动时间越长,含气量减少越多。
水胶比不同时,对于初始含气量基本相同的同种引气剂混凝土,其含气量损失率基本上随着水胶比的增加而增加。例如,掺1 # 引气剂的混凝土振15s ,水胶比为0.40 和0.45 时,含气量损失率分别为35.7 %和49.1 %;掺3 # 引气剂的混凝土振15s ,水胶比为0.40 和0.45 时的含气量损失分别为16.3 %和23.9 %。水灰比为0.55 的3 种引气剂混凝土在经历90s 高频振捣后的含气量损失率都达到了50 %～60 %之间。这是由于水灰比增加,混凝土的黏性下降,使气泡在振捣时更易从混凝土内部逸出。
试验结果还表明,高频振捣后引气混凝土含气量的损失率大小还与混凝土的放置时间有关。水灰比为0.40 、掺3# 引气剂的混凝土一次拌合完成,然后直接进行试验,而掺1# 、2 # 和4 # 引气剂的混凝土分两盘拌合,第一盘拌合物在试验之前放置了5～10min。由图1 可以看出,在初始含气量接近时,经15s和30s 的高频振捣,3 # 引气剂混凝土的含气量损失率都小于另外3 种引气剂混凝土的含气量损失率。
原因在于掺1 # 、2 # 和4 # 引气剂的混凝土在放置过程中,一部分气泡逸出,从而使混凝土的含气量损失率增加。因此,在实际施工过程中,应注意控制引气混凝土的运输和放置时间,以确保引气的有效性。
高频振捣45s 及45s 以上时,3 # 引气剂混凝土的含气量损失率与另外3 种引气剂混凝土的含气量损失率差别不大。
另外,经长时间振捣后混凝土的含气量损失率与引气剂品种的相关性不显著,即在水胶比相同、初始含气量接近、掺不同引气剂的混凝土经45s 以上高频振捣,含气量损失率差别不大。混凝土含气量损失率与混凝土的初始含气量有一定的关系,在其它条件相同时,初始含气量较大的混凝土经高频振捣的含气量损失率也较大。
总之,高频振捣对混凝土含气量的影响试验结果说明: (1) 混凝土的含气量损失率基本上随着高频振捣时间的延长而增加; (2) 高频振捣时间相同时,混凝土的含气量损失率基本上随着水胶比的增加而增加; (3) 高频振捣时间相同时,含气量损失率的大小与混凝土的出机含气量有关,出机含气量越大,混凝土的含气量损失率也越大; (4) 混凝土在拌合后如果放置5～10min ,则含气量损失率会增加。
3.2 高频振捣对混凝土抗冻性的影响
试验采用1 # 、2 # 、3 # 和4 # 引气剂,配制水胶比为0.40 的引气混凝土,在高频振捣后成型100mm ×100mm ×400mm 的试件,进行了混凝土的冻融试验。经300 次冻融循环后的混凝土的相对动弹性模量试验结果如图7 所示。
由图7 可以看出,1 # 、2 # 和3 # 引气剂混凝土的含气量损失率虽然随着高频振捣时间的延长而增加,但300 次冻融循环后,相对动弹性模量均在75 %～90 %左右,均可以满足F300 抗冻等级的要求,具有良好的抗冻性能,而且随着高频振捣时间由15s 延长至90s ,并未出现混凝土抗冻性能逐渐下降的趋势,说明水胶比为0.40 的引气混凝土对90s 以内的高频振捣并不敏感。1# 引气剂混凝土经高频振捣的抗冻性略优于其它引气剂混凝土,2# 和3 # 引气剂混凝土的抗冻性相当。4# 引气剂混凝土的抗冻性较差,经90s 高频振捣的混凝土在300 次冻融循环后,相对动弹性模量只有40 % ,只能达到F200 抗冻等级。因此,不同引气剂混凝土的抗冻性受高频振捣的影响不同,这与引气剂的品质有关。
由此可以得出,水胶比为0.40 时,只要采用品质良好的混凝土引气剂(如1# 、2 # 和3 # 引气剂) ,并将新拌混凝土的出机含气量控制在4.5 %～5.5 %、高频振捣时间控制在90s 以内,混凝土的含气量虽然在经历高频振捣后有所损失,混凝土受高频振捣的影响并不明显,仍具有良好的抗冻性能。若引气剂的品质较差(如4 # 引气剂) ,则即使混凝土具有较低的水灰比,高频振捣时间过长,混凝土抗冻性仍可能得不到有力的保证。因此,在工程施工中,应注意引气剂的品质以保证混凝土的抗冻性能。
4 结论
(1) 水胶比相同的混凝土的含气量损失率随高频振捣时间的延长而增加;高频振捣时间相同的混凝土的含气量损失率随水胶比的增大而增加;含气量损失率的大小与混凝土的出机含气量有关,出机含气量越高,混凝土的含气量损失率越大;引气剂不同、水灰比和振捣时间相同时,振捣时间较长的混凝土的含气量损失率差别不显著;混凝土在拌合后的放置时间对含气量损失有较大的影响,放置时间长的混凝土经高频振捣的含气量损失率大; (2) 水胶比为0.40 、采用优质引气剂的混凝土抗冻性对高频振捣时间的长短并不敏感,高频振捣时间增加时混凝土的抗冻性与基准混凝土的抗冻性相比,差异不大,变化规律也不明显。引气剂的品质不同,混凝土抗冻性受高频振捣的影响不同; (3) 为了保证工程混凝土的抗冻性,在施工中应合理确定混凝土的高频振捣时间,避免混凝土在浇注现场停放时间过长,并选择合适的混凝土引气剂; (4) 水胶比为0.45 和0.55 时,高频振捣对混凝土抗冻性能的影响有必要进一步开展试验研究。
参 考 文 献:
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