非引气法提高混凝土抗冻性的效果及机理

陈 歆（哈尔滨工业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨150090）

我国的公路交通事业飞速发展，公路建设开创了崭新的局面。由于水泥混凝土路面具有强度高，稳定性好，造价适当，养护维修费用少，及利于夜间行车等诸多优点被越来越多应用于我国的道路建设中。水泥混凝土能否在设计年限内正常使用，取决于其耐久性能的优劣。在北方地区，混凝土的抗冻能力将直接影响整个路面结构的耐久性，这是关于整个使用寿命期间的问题，它不仅是近年来混凝土材料科学研究的焦点，也是确保混凝土结构工程质量的核心问题。

现在普遍采取掺入引气剂，在混凝土中增加一些均匀细小的孔隙，改善孔结构状态，从而达到提高抗冻性的目的。这种方法确实有效，但这种方法本身在含气量方面存在着不易控制、受温度影响大、分布不均等缺陷；引气剂的掺入虽然是提高混凝土抗冻耐久性最有效的手段，但同时会引起混凝土其它性能降低，如强度、耐磨蚀能力等，而这些性能，正是作为路面材料所必需的，故希望能探究出一种非引气法提高水泥基复合材料抗冻性的途径，解决以上的各种问题。本试验采取膨胀剂与消泡剂复合掺入的方法，以提高水泥基复合材料内部的密实度，减少微裂纹，降低孔隙率。这样，减少水泥基复合材料内部含水的同时提高了其强度，在削弱冻胀应力和增强对冻胀应力的抵抗力两个方面提高其抗冻性。

1 试验概况

1.1 原材料技术指标

1.1.1 水泥

选用哈尔滨水泥厂生产的天鹅牌PO42.5水泥，实测3d 抗折强度4.8MPa，抗压强度21.4MPa，28d 抗 折 强 度7.0MPa，抗 压 强 度48.2MPa。，符合GB 175-1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》的质量要求，能够满足试验的要求。

1.1.2 细骨料

符合GB/T 14684-2001《建筑用砂》的要求，为中砂，级配合格，为中砂，级配合理，细度模数2.6，含泥量1.05%，视密度2.62g/cm3,堆积密度1558g/cm3，各项指标符合标准的规定，能够满足试验要求。

1.1.3 膨胀剂

LJU 型低掺量高效混凝土膨胀剂， 限制膨胀率2-4/万，自应力值0.2-0.8MPa,符合JC476《混凝土膨胀剂》的要求。

1.1.4 消泡剂

低掺混凝土（砂浆）消泡剂

1.2 试验配比及方法

1.2.1 试验配比

采用40mm×40mm ×160mm 胶砂试件，水胶比取0.5。砂浆搅拌锅每锅称水泥450g、砂子1350g、水225g，膨胀剂内掺，消泡剂外掺。

1.2.2 普通混凝土强度试验

按GB 17-85《水泥胶砂强度检验方法》进行试验。

1.2.3 冻融试验采用以下方法：

1) 采用40mm×40mm×160mm 的试件，标准养护至24d 时浸入冻融介质中（除标明的外均为3.5%的NaCl 溶液），至28d 龄期时开始冻融试验。

2)采用快速冻融法，试件完全浸泡在水溶液中。

3)评价指标：单位面积剥落量<1.0kg/m2和相对动弹模量>60%。

2 试验结果及机理分析

2.1 消泡剂在水泥基复合材料中的作用

当体系加入消泡剂后,消泡剂分散于体系的液体中，对气泡弹性膜的形成起抑制作用。对于已经形成的气泡,消泡剂分子与构成气泡膜的表面活性剂的憎水基团结合在泡沫表面快速铺展,形成很薄的双膜层,进一步扩散、渗透,层状入侵,取代原泡膜薄壁。其表面张力低，于是流向产生泡沫的高表面张力的液体，这样低表面张力的消泡剂分子在气液界面间不断扩散、渗透，使其膜壁迅速变薄，泡沫同时又受到周围表面张力大的膜层强力牵引，致使泡沫周围应力失衡，从而破裂。不溶于体系的消泡剂分子再重新进入另一个泡沫膜的表面，如此重复[1]。此外，在改变界面方面，不同消泡剂有着不同的机理，如吸附机理，憎水颗粒进入气液界面后，颗粒表面吸附了泡沫体系的表面活性剂，使液膜局部的表面活性剂被消耗，产生了不稳定性，最终导致液膜的破裂。又如在去润湿机理中，落于气液界面上的憎水颗粒使泡沫溶液自发地从颗粒两侧移走，在液膜中造成一个断裂孔，引发了液膜的破裂。憎水颗粒在去润湿过程中不吸附泡沫体系的表面活性剂，在一瓣液膜上去润湿后不失效，能进入邻近液膜继续润湿[2]。

混凝土和砂浆在搅拌过程中会引入气泡，导致最后密实度下降，导致动弹性模量的损失和强度的下降，而消泡剂则对这种现象有一定的抑制作用，能减少部分因孔隙率而导致的强度损失，提高了对冻融循环中膨胀应力的抵抗能力。试验发现，消泡剂掺量为1.0‰~1.5‰时，对胶砂试件的抗冻性提高效果最好，掺量过少则无法体现，见图1。单从动弹模损失一方面来看，消泡剂在本胶砂试验涉及的几个掺量中，以1.5‰为最佳，若为了兼顾强度，可略微下调。

图1 消泡剂掺量对抗冻性的影响

同时，孔隙率下降也使得渗入的水量减少，故降低了总膨胀应力。但在强度检测方面，由于其掺量很少（多掺也无明显效果），无法对所提高的强度与掺量之间检测出进一步的相关性。

其次，模板表面粗糙或粘附水泥浆渣等杂物未清理于净，拆模时混凝土表面被粘坏；模板未浇水湿润或湿润不够，构件表面混凝土的水分被吸去；模板拼缝不严，局部漏浆；模扳隔离剂涂刷不匀，或局部漏刷或失效；混凝土振捣不实，气泡未排出，停在模板表面都会在混凝土或砂浆试件表面形成麻点甚至麻面，在冻融循环过程中会加大剥蚀量，而消泡剂的掺入对麻面有很好的处理效果[3]，故尽管试件尺寸小，麻点不会太多且对试件整体的影响不会太大，但整个冻融循环过程中剥蚀量呈现的规律性不明显，不如相对动弹模损失，可见这方面确实起了一定的作用。

另外，消泡剂的掺入降低了水泥颗粒之间的引力，可能会导致强度的下降。详情见表1。

表1 强度试验结果

2.2 膨胀剂在水泥基复合材料中的作用

在水泥-膨胀剂体系中，加水后体系即开始水化，不久就伴随钙矾石的形成提高了强度。钙矾石是一种强度较高的结晶，在早期形成可以作为胶凝材料的强度骨架，C-S-H 凝胶填充于钙矾石骨架之间，结合成为紧密的水泥结构。随着混凝土膨胀剂掺量的增加，水化后形成钙矾石结晶体相应增多形成致密的骨架。膨胀剂所产生的膨胀物质除用于混凝土的补偿收缩外，还可用于水泥石结构致密化[4]。因此许多人认为掺膨胀剂取代等量水泥理论上对混凝土强度不会产生明显的不利影响，甚至早期强度较未掺者有所提高。而对于后期强度常常受延迟性钙矾石反应是否发生及发生程度而影响，在养护条件好（避免过高温度，早期水中养护）的情况下，不会对后期强度造成损失[5]。但本试验与大量工程与实验一样，发现在掺量控制不当的时候会对强度发展不利。尽管不少人将这归结于内外温差、养护条件以及膨胀剂的质量[6]，笔者通过本试验，与一些工程研究人员一致认为除此之外，膨胀剂作用机理也有一定影响[7]，到后期结构已经形成，而膨胀剂还在继续生成膨胀物质的话，则可能会使得结构体内部产生膨胀应力，造成内部破损，产生微裂缝进而导致强度下降。见表1、表2。

表2 各配比与素胶砂的相对动弹性模量

由于钙矾石生成所产生的膨胀能一方面使其自身产生膨胀，另一方面，这种膨胀能推动胶体朝着毛细孔产生粘性流动，二者都会有利于水泥浆体致密化，因此抗冻性能应有所改善。掺量过大时，所造成内部的疏松和破损同样会致使抗冻性的降低。实验发现，膨胀剂在4%时体现出抗冻性最佳，见图2。

图2 膨胀剂掺量对抗冻性的影响

此外，实验中发现这种内部结构的因素造成的降低在剥蚀量上的体现不如在相对动弹性模量损失明显。

3 结语

1）消泡剂的消泡机理为取代原液膜并致使气泡膜应力失衡，其掺入能提高水泥基复合材料的密实度，从而提高其强度和抗冻性。但过量的掺入并不会增加效果，甚至可能降低水泥颗粒间的引力，造成强度下降。以本试验为例，试验中胶砂试件的消泡剂掺量以1.0‰~1.5‰为佳。

2）膨胀剂的作用机理为产生膨胀性物质以填充钙矾石骨架，其掺入同样也起到提高水泥基复合材料密实度的效果，提高强度和抗冻性，但掺量过大会造成后期膨胀性产物对已成结构的破坏，对强度不利，更大则会促使大量内部微裂纹的产生，导致抗冻性下降。以本试验为例，试验中胶砂试件的膨胀剂掺量为4%~5%为佳。

3）以膨胀剂与消泡剂复合的非引气法有着提高水泥基复合材料抗冻性的作用且能对强度有一定的帮助。但需控制好配合比，否则会降低效果甚至起反效果。

[1]李想 有机硅消泡剂的消泡机理及应用[J]，化学工程师，2009,(01).47-48；

[2]徐江伟 消泡剂的复合及消泡机理的探讨[J]，中国甜菜制糖业，2002(04).31-33；

[3]吴春华 混凝土表面蜂窝麻面成因及其防治措施[J]，林业科技情报，2009,(1).56-57；

[4]黄少文 低碱低掺混凝土膨胀剂的试验研究[J]，南昌大学学报（工科版），2005,(3).44-47；

[5]黄明诚 浅谈混凝土膨胀剂 中国建筑材料科技[J]，2007,(3).15-16；

[6]黄明诚 浅谈混凝土膨胀剂 中国建筑材料科技[J]，2007,(3).15-16；

[7]黎韬 膨胀剂应用中一些常见问题的探讨 广东建材[J]，2011,(3).31-33。