混凝土含气量对其力学性能的影响

  摘要：本文通过实验的方法测定混凝土拌和物的含气量，混凝土试件的含气量和表观密度，混凝土的强度，通过对比分析，总结了混凝土含气量对混凝土力学性能的影响。

  关键词：强度 弹性模量 含气量 扫描电镜

  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，经一定时间硬化而成的人造石才。混凝土中砂、石起骨架作用，称为骨料。水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙，在硬化前，水泥浆起润滑作用，赋予拌和物一定和易性，便于施工。水泥浆硬化后，将骨料胶结成一个坚实的整体。混凝土的技术性质受到材料情况(包括水泥、砂、石、外加剂等技术性质)，配合比设计情况以及拌和施工工艺(包括拌和、成型、养护等)的影响。

  混凝土强度则主要与原材料的强度、性质，混凝土的致密程度以及界面强度有关。而致密程度与水泥品种、外加剂等影响有关，与水泥混凝土试件的含气量也有关。而混凝土材料和外加剂以及拌和所产生的气体所形成的空隙将严重影响混凝土的致密程度。本文将就外加剂影响的一些研究成果做一些总结。

  2 混凝土空隙形成机理

  混凝土掺入一些外加剂会产生一系列化学反应，包括产生气体，同时混凝土在拌和时会引入一些气体，从而形成空隙。而大部分外加剂都为表面活性剂，所谓表面活性剂是指这样的一种物质，溶解于液体并从液体中向界面汇集，作定向排列吸附在界面上，形成单分子吸附膜层，从而显著地降低溶液的表面能，这样现象成为表面活性，具有这种表面活性的物质，叫做表面活性剂，由于其表面活性，而具有湿润浮化、分散、气泡、润滑等作用。表面活性剂分子是由两部分组成的，一部分是溶解于油难溶于水的亲油部分，称憎水基，它以长链烷基为其代表性原子团，另一部分为溶解与水而难溶于油的亲水部分，称亲水基，它是以氢氧基、磺基、羟基、羧基等为其代表 性原子团，当亲水基的亲水性大于憎水基的憎水性时，这一表面活性剂就是亲水的，反之，则为憎水性的表面活性剂。而加入引气剂后，引气剂的成分为松香热聚物，既是含有憎水基，也含有亲水基的两性分子。当分子溶于水后，分子就定向排列在气—液界面上，降低了溶液的表面张力，从而使新界面的产生变得更容易。若用机械方法搅动溶液，就会产生气泡，而气泡中um级的小气泡大部分是相当稳定的。为验证这一结论，我们设计了一组实验，来研究混凝土振捣时间与含气量的关系，具体结果如表1所示。

      根据实验表明，同一混凝土振捣45s、60s、75s和90s的混凝土含气量差别不大。充分振动只是振捣出拌和时夹杂的一些没有形成稳定结构的大气泡和有害气泡，而稳定的小气孔受振捣时间影响不大，因此，振捣时间一般我们设计为40s-60s，过度振捣不但不会影响小气孔的存在，而且会造成混凝土产生离析。而这些稳定的气泡将会影响混凝土的力学性能，包括混凝土的抗压强度、抗弯强度、抗渗性能等。

  3对比试验

  3.1原材料技术情况

  为使对比实验的结果准确可靠，原材料的选用均满足规范要求。其中水泥为525#硅酸盐水泥，比表面积为3200cm2g，其它技术指标如表2所示:

  砂子的细度模数为2.8，粒径小于5mm的中砂，产地为浑河，石子选用石灰岩，采用二级配，其中5-10mm占40%，10-20mm占60%，产地为小屯。

  外加剂为辽宁省交通科研所研制的K1型外加剂;

  3.2 配合比设计及混凝土试件制作

  为了详细的说明这一问题，我们做了对比试验，具有相同可比性的试验配合比设计混凝土，通过采取加入引气剂和减水剂等外加剂来调节凝凝土拌和物含气量，具体配合比见表3，水泥混凝土配合比按照《公路工程水泥混凝土实验规程》设计，抗压试件尺寸为15cm×15cm×15cm，弯拉试件尺寸为55cm×15cm×15cm，弹性模量试件为30cm×15cm×15cm，混凝土由30L自动搅拌机搅拌，拌合时间为3min，试件采用振动台振捣，时间为25s-35s。养生为标准养生，温度为20±2℃湿度为90%以上。配合比如表3所示。

  3.3 拌和物性能测试 

      为保证混凝土的可比性，我们对拌和物的工作性、吸水率、含气量、凝结时间等做了测试，拌和物含气量的测定采用改良气压法测定，利用预先建立的含气量与压力表读值关系曲线确定。测得的含气量与掺加外加剂一致，掺加的外加剂越多，含气量越大，具体结果见表4。

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  3.4混凝土试件密度实验

  为验证所测的含气量，我们对试件的密度进行了测试，具体结果见表5，与表4所测的含气量相比较，二者的结果基本一致，随着含气量的增加，试件密度逐渐减小。由此可见，根据我们预先建立的率定曲线所测的含气量是准确的。

  3.5扫描电镜微观实验

  为了验证混凝土硬化后试件含气量和成型情况，我们进行扫描电镜下的微观实验，具体结果见图1，通过对比2号和7号试件的电镜照片，分析得出混凝土含气量的空隙率随着引气剂含量的增加而增大，也就是气孔间距越小，并且水灰比越小，气孔尺寸越小。掺加引气剂越大，在保持坍落度一致的条件下，砂率越小并且具有一定的减水作用，这主要是稳定的小气泡起到了细骨料的作用，提高了混凝土的润滑性，所以，掺加一定量的引气剂可以降低水灰比，提高混凝土的工作性。

  3.6 力学性能测试

  抗压强度和抗弯拉强度采用万能实验机进行测试，弹性模量也是采用引伸仪、千分表在万能实验机 上测试，具体结果见表6。

  结合前面所测得的混凝土含气量，利用我们所测的抗折强度，通过回归分析，我们可以得出一个这样的回归方程:

  S=0.029A2+0.2718A+3.9694(其中S为抗折强度，A为含气量)

  如图2所示推出最佳含气量的值为4.6%，也就是说在含气量为4%与5%之间，混凝土的抗折强度最大，这主要是引气剂增加了含气量，而且形成了闭合的不连通的气泡，而这些下气泡在混凝土中产生了润滑作用，而且直径在um级，只有通过高扫描电镜才能看到，夺取了水泥浆中的水分，增强了界面。而弯拉强度主要取决于界面，因而当界面强度提高时，将会提高强度。这主要是由于封闭的小气泡的内部为气体，所以，小气泡具有较高的弹性，具有较大的自由变形空间，当界面受力时，骨料接触产生的应力集中所产生的应变会由于这些小气泡的存在而得到释放，防止界面的破坏，尽而提高混凝土的抗弯拉强度。而气泡间距又不能太小，如果引气剂的掺量较大时，气泡的间距太小。就会形成连接界面，降低界面强度。因此，引气剂太大时，会降低抗弯拉强度。

  抗压强度取决于水泥石的强度，由于气泡的存在，在一定程度上影响了水泥石的密实度，尽而直接影响混凝土的强度。因此，随着引气剂的增多，会降低混凝土的强度。而抗压弹性模量下降较大，这主要是由于气泡的存在，使试件弹性增强，变形增大，另一方面强度降低，最终造成了抗压弹性模量下降较快。

  4 结论

  (1)根据上面实验和理论分析，我们可以认为，随着混凝土含气量的增加，抗压强度会一定程度下降，而弯拉强度会在一定的含气量下提高抗折强度。

  (2)本专题只讨论了最大石子粒径为20mm的混凝土强度的含气量和强度的关系。因此，适宜的引气剂掺量4%也只适用于最大粒径为20mm的混凝土，而石子粒径直接与表面积和空隙率有关，因此，最大粒径的最佳引气量是不同的。

  (3)由扫描电镜看出，气泡尺寸随着水灰比变化而变化，水灰比小的气泡较小，水灰比较大的气泡较大。

  (4)虽然引气剂的使用会提高含气量造成混凝土强度的降低，但混凝土中均匀分布的封闭的小气泡会提高混凝土的抗盐剥蚀性能，而弥补强度损失需要进一步研究的工作，开发既能保证没有强度损失，却可以提高混凝土耐久性的外掺剂是十分重要的，笔者仅以此文与有关人员共同商榷。

  参考文献

  1傅智.道路混凝土掺引气剂的研究.公路，1998(2)

  2廉慧珍、吴中伟.混凝土可发展战略和高性能胶凝材料.混凝土，1998(6)

  3混凝土外加剂规范(GBJ119-88)