引气剂提高道面混凝土抗冻性研究

摘 要：根据机场道面水泥混凝土的特点，研究了水泥用量与混凝土含气量的关系，试验结果表明混凝土的含气量并不随着水泥的用量增加而增大；引气剂的加入可以提高混合料的流动性，但会降低混凝土的抗弯拉强度；同时，可以显著提高混凝土的抗冻性；根据西北戈壁滩的气候特点和机场道面的使用特点，建立了抗冻性混凝土配合比设计标准。结合某机场的气候特点，设计出道面抗冻性混凝土配合比，并应用于道面混凝土的施工中，经使用表明较好地解决了该机场曾发生过的道面混凝土的冻融损坏。

关键词：引气剂 道面 抗冻性 配合比2 0 工程质量 2008.No.1(B)

机场水泥混凝土的道面结构是属于大面积的水泥混凝土结构。这种大面积的水泥混凝土受到降雨、温度以及地下等各种因素的影响，特别是地下水的影响；另外，机场道面中的停机坪尺寸大，纵、横坡度又较小，不利于排水；还有在冬季要采用除冰液对飞机进行除冰，这些来自上、下因素的影响、再加上道面水泥混凝土结构的特性及使用上的特殊性，形成了机场水泥混凝土道面的冻融损坏的特殊性。

处在寒冷地区新建或扩建的机场水泥混凝土道面出现的冻融破坏，主要表现为水泥混凝土道面表面大面积掉皮，局部部位出现孔洞等损坏现象，严重影响道面的使用，使道面过早地结束其使用寿命，给使用单位和国家造成重大经济损失。提高水泥混凝土材料的抗冻性是提高水泥混凝土道面抗冻性的主要措施。通过在水泥混凝土中掺加外掺剂来提高水泥混凝土的强度和减少水泥混凝土的孔隙，并使水泥混凝土的孔隙形成封闭不连通的孔隙，以达到提高水泥混凝土的抗冻性的目的。使用最广泛的是在水泥混凝土中掺加引气剂。

引气剂的加入使水泥混凝土中形成各自封闭的气泡。这些气泡能够阻止水分进入到水泥混凝土的内部，从而避免由于气温的降低引起水泥混凝土中水分的冻结，造成水泥混凝土的损坏。引气剂的加入可以提高水泥混凝土的抗冻性，但对混凝土的其它性能会产生影响，特别是引起混凝土的抗弯拉强度的降低。针对道面混凝土的要求，需要研究引气剂的加入对混合料的流动性、混凝土的抗弯拉强度和混凝土的抗冻性等的影响，并根据机场道面所处的气候环境和使用情况，建立起道面抗冻性混凝土配合比的设计标准，并据此进行抗冻性混凝土配合比设计。同时，本文结合某机场道面水泥混凝土工程，进行了抗冻性混凝土的配合比设计，成功地解决了该道面以往出现的冻融损坏。为道面混凝土的抗冻融损坏探索了一条成功的路子。

1 引气剂的作用与试验方法

引气剂为表面活性剂，具有长链分子结构的有机化合物，其一端带有亲水基，另一端为憎水基。在水—气界面上，憎水基向空气一面定向吸附，在水泥—水界面上，水泥或其它水化粒子与亲水基相吸附，憎水基背离粒子，形成憎水化吸附层，并力图靠近空气表面。当引气剂溶解于水中，分子就定向排列于气—水表面，则显著降低溶液的表面张力，减少了气泡形成所需的能量，便于气泡形成，使得混合料的拌和过程中形成大量的气泡。这些气泡有定向吸附层，相互排斥且均匀分布。更为重要的是引气剂的表面活性物质可在气泡表面形成一层弹性膜，这层弹性膜大大降低了气泡碰撞聚合的可能性，最终可使无数均匀分布的微细气泡保持稳定。在硬化的混凝土中形成微小、稳定、封闭的气泡。这些气泡阻止了水分的浸入，又为水分的冻胀提供了空间。因此，可以有效地提高混凝土的抗冻性。气泡的存在会对混合料的流动性，混凝土的抗弯拉强度等造成影响。

为了研究引气剂对道面混凝土的影响，进行了室内试验研究。试验材料：水泥为42.5R 硅酸盐水泥；细集料的表观密度为2.66g/cm3，细度模数为3.3，属粗砂；粗集料的表观密度为2.68g/cm3，粒径为5～40mm 的碎石；引气剂采用PJ-2 引气剂，属于松香皂型引气剂。所采用的试验材料均符合国家有关技术标准。

混凝土的流动性用坍落度来表示，混凝土的含气量用气压式含气量测定仪测定。混凝土的抗弯拉强度采用标准小梁试件，试件的成型和养护按机场水泥混凝土的室内试验标准进行。

2 引气型对混凝土性能影响

2.1 水泥用量与混凝土含气量的关系

在道面水泥混凝土中，水泥的用量是混凝土配合比设计的重要内容。选择合理的水泥用量既可以满足施工和强度要求，又可以满足经济上的要求。所以，需要研究混凝土的含气量与水泥用量的关系，以便合理确定水泥用量。为了研究水泥用量与混凝土含气量之间的关系，引气剂按0 . 0 1 2 %的剂量进行配比，砂率为33%，用水量为139kg/m3。

表1 为水泥用量与混凝土含气量之间的关系。从表1 可以看出，混凝土的含气量并不随着水泥的用量增加而增大，当水泥用量达到330kg/m3 时，混凝土的含气量达到最大，为4.60%。说明水泥用量影响气泡的形成和稳定，导致混凝土含气量的改变。这是因为水泥用量的改变影响了混合料中的水泥- 水界面和水气界面的状况，溶液表面张力的降低程度发生了变化，形成气泡的能量也随着水泥用量的改变随之改变，影响了气泡的形成与稳定。水泥用量的改变直接导致水泥浆体中的水泥- 水- 气三相体的组成。当水泥- 水- 气三相体为某一组合时，则溶液中的表面张力降低最大，最易形成气泡，在硬化的混凝土中形成的气泡就最多，即混凝土中的含气量最大。

2.2 含气量对混凝土流动性的影响

为了保证水泥混凝土道面的施工，需要混凝土具有较好的流动性，以利于混合料的摊铺、振捣。引气剂的加入可以改善混合料的流动性。对不同含气量下的混合料的流动进行了室内试验研究，其试验结果见表2 。由表2 可知，随着含气量的增大，混合料的坍落度增加，说明混合料的流动性得到改善。这是因为引气剂的引入会在混凝土中产生大量的气泡，这些气泡如同滚珠一样，起到润滑作用；同时，大量气泡的存在增加了浆体体积、浆体粘度和屈服应力。因此，混合料的和易性、塑性和内聚性得到显著提高，离析和泌水现象显著降低。引气剂的加入可以保证在同样的配比下，提高混凝土的流动性；在同样的坍落度下，减少混合料的拌和用水。水灰比的减少可以提高混凝土的强度。因此，引气剂的加入有利于道面混凝土的施工。

2.3 含气量对混凝土抗弯拉强度的影响

引气剂的加入会在混凝土中形成封闭、稳定的气泡，这些气泡的存在影响了混凝土的密实度，导致混凝土的强度降低。由于混凝土的抗弯拉强度是机场水泥混凝土道面的强度设计指标。因此含气量的变化对混凝土抗弯拉强度的影响进行了室内试验研究，其结果见表3 。试验条件为：水泥用量320kg/m3，水灰比为0.44，砂率为33%。混凝土中引入大量微小气泡后，导致了混凝土抗弯拉强度的降低。当混凝土含气量从0 增加到4.6% 时，7 d 的混凝土的抗弯拉强度比未加引气剂的强度损失了14.6%，28d 损失了11.2%。说明由于引气剂的加入，在混凝土中产生的气泡会导致混凝土抗弯拉强度的降低。因此，要对混凝土的含气量进行适当控制，避免混凝土产生过大的强度损失。混凝土的龄期也会对引气剂、对混凝土抗弯拉强度的损失产生影响。引气剂对混凝土抗弯拉强度的影响主要是在混凝土中存在的微小气泡。这些微小气泡在混凝土凝结后就处于稳定状态，并不随混凝土的龄期增长而发生变化，即混凝土的含气量在混凝土凝结后就保持不变的，而混凝土的强度则随着龄期的增长而增大。由于含气量是不变的，随着混凝土的强度不断地增大，引气剂对混凝土强度造成的损失就会减少。从试验结果来看，龄期对引气剂、对混凝土抗弯拉强度造成损失的影响较小。

2.4 含气量对混凝土抗冻性的影响

引气剂在混凝土中引起的气泡直径约为

0 . 0 2 5 m m ～0 . 2 5 m m 。这种微气泡由于气泡彼此隔离，切断了毛细通道，使水分不易渗入到混凝土中，减缓了水分结冰膨胀的作用，提高了混凝土的抗冻性。

表4 为引气剂对混凝土抗冻性的影响。试验条

件：水泥用量330kg/m3，坍落度15mm，含气量为3.85%，水灰比为0.44。从表4 可知，加入引气剂后，混凝土的抗冻性显著提高。基准混凝土，在冻融循环次数达到1 5 0 次后，其相对动弹性模量仅为2 5 . 3 % ；对于加入引气剂的混凝土，其相对动弹性模量高达97.5%；在冻融循环次数达到2 0 0 次后，其相对动弹性模量高达9 7 . 1 % ，说明了相对动弹性模量的损失是很小的。因此，引气剂的加入，可以显著提高混凝土的抗冻性， 这对防止道面混凝土的冻融损坏是十分有利的。

3 抗冻性混凝土配合比设计

我国西北戈壁滩地区，冬天寒冷，年最低气温在－ 3 0 ℃～－ 4 0 ℃之间。在这样寒冷的气候条件下，道面混凝土会出现冻融损坏。在进行道面混凝土配合比设计时，必须考虑混凝土抗冻性的要求，即所谓的抗冻性混凝土配合比设计。为了保证道面混凝土具有抗冻性，根据西北戈壁滩地区的气候特点、机场道面的使用年限和道面平面尺寸大等特点，提出了西北戈壁滩地区道面抗冻性混凝土的配合比设计的要求，如表5 所示。

某机场地处西北戈壁滩地区，年最低气温达－ 35℃。考虑采用引气剂提高混凝土的抗冻性。引气剂采用P J - 2 型引气剂。并按表5 确定的抗冻性混凝土的技术要求进行混凝土配合比设计。混凝土的设计抗弯拉强度为5 . 0 M P a 。考虑到混凝土的变异性和保证率，试验试配强度应高于设计强度，本次试验试配抗弯拉强度高于5.76MPa 。确定出道面抗冻性混凝土配合比如表6所示。该配合比用于该机场道面混凝土的施工，解决了以往在同一机场出现的道面冻融损坏，说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冻性，防止冻融导致混凝土板的损坏。同时，也说明表5 建立的抗冻性混凝土的技术指标可以适用于我国的西北戈壁滩地区机场道面抗冻性的要求。　　

4 结 语

引气剂的加入可以有效地提高道面混凝土的抗冻性，是解决道面混凝土抗冻性的有效措施之一。同时，引气剂的加入可以提高混合料的流动性，减少水灰比，有利于弥补由于引气剂的加入导致混凝土抗弯拉强度的降低。在混凝土中加入引气剂后，在满足现有道面混凝土的设计强度要求的基础上，可以大幅度提高混凝土的抗冻性，满足了西北戈壁滩地区对机场道面抗冻性的要求。经工程实践证明，可以在机场道面混凝土中使用引气剂来提高混凝土的抗冻性，以提高混凝土的抗冻能力，防止道面出现冻融损坏。

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