引气剂对寒冷地区混凝土设施探究
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摘要：寒冷地区混凝土设施较容易因为长期处于冻融环境下而产生抗冻融破坏和压溃破坏。文章对当前冻融环境下混凝土设施解决抗冻融破坏和压溃破坏的常用方法进行总结，认为在混凝土中加入掺合料以及引气剂，能够有效提升冻融环境下混凝土的耐久性能。文章对学者相关研究进行总结，对掺合料颗粒大小、种类、以及引气剂等指标对冻融环境下混凝土的具体性能影响进行综述。旨在探究寒冷地区增强混凝土设施抗压强度和抗冻融性能的方法，对提高我国北方寒冷地区混凝土设施耐久性能具有较强的借鉴价值。
关键词：冻融环境；掺合料；引气剂；抗冻融破坏；压溃破坏
工程建设通常都会面临各种复杂多变的自然环境以及地质条件，如高温、高寒、高海拔等。对于混凝土设施或结构而言，“冻融”通常是影响自身长期稳定工作状态的重要负面因素之一，混凝土结构在长期处于冻融环境下，很容易产生抗冻融破坏和压溃破坏，继而出现细小裂纹或断裂并最终影响到整个混凝土结构的骨料与水泥粘结部分。随着混凝土结构冻融循环次数的增加，结构中出现的裂纹或断裂现象将会越来越严重，最终导致整体性能劣化[1]。因此，通过何种方式能够有效缓解或摒除冻融环境混凝土结构的这一劣化现象，成为当前材料领域、建筑工程领域的研究重点。在传统的混凝土材料研究中，多数学者将研究重点集中在分析不同的掺合料对混凝土性能的影响方面，如刘波[2]针对阳宗海Ⅱ级灰等的物化性能进行分析，全面对比了几种不同掺合料对混凝土性能的影响；巫茂寅[3]通过不同掺合料配比实验，对高性能混凝土中掺合料比例对混凝土性能影响进行了分析，认为掺合料能够在一定程度上提升高性能混凝土的抗冻和抗盐性。在本文的分析中，创新性引入了引气剂这一材料，着重强调冻融环境下掺合料和引气剂对混凝土性能（抗压强度和抗冻融性能）的影响，就两种材料的种类、颗粒大小、质量配比等指标对混凝土性能的影响进行综述。
1冻融环境对混凝土结构影响
1.1混凝土结构冻融破坏机理
常用混凝土通常都是一种由水泥砂浆配合碎石、卵石或其他高分子粗骨料形成的毛细孔多孔体。为获得建筑施工过程所需的和易性，在进行混凝土搅拌时通常都会在混合料中加入多于水泥的水化水。由于混凝土为毛细孔多孔体结构，这一部分多余的水化水便会以游离水的形式滞留其中，形成了冻融环境下影响混凝土结构的主要内在因素。毛细孔中的游离水在混凝土结构中占有一定的体积，当外界温度降低至水在自然状态下的凝固点时，游离水会因结冰而膨胀，导致原有的体积变大，最终形成引起混凝土内部结构被破坏的隐患。图1所示为冻融环境下混凝土结构受损情况。然而，单纯的游离水结冰实际并不足以导致混凝土内部结构被严重破坏。混凝土在搅拌成型的过程中除形成一部分毛细孔外，还会因为水泥水化而在结构内部形成一部分胶凝孔等，这些胶凝孔或其他非毛细孔中常常存在一部分空气，一般游离水结冰体积膨胀时会起到一定的缓冲作用，从而减少内部结构压力。但在冻融环境下时，混凝土结构中的游离水会反复处于饱和水状态，此时一旦毛细孔中的水结冰，胶凝孔以及其他非毛细孔中的水会因过冷导致冰核温度低于-78℃，因蒸汽压高于同温度下冰的蒸汽压而向压力毛细孔中冰的界面渗透[4]。由此带来了冻融环境下混凝土内部结构除游离水结冰体积增大而产生的膨胀压外的另一种渗透压力。在反复冻融以后，两种压力的同时作用往往会导致混凝土结构发生严重开裂，最终裂缝互相贯通混凝土内部结构强度逐渐丧失。
1.2冻融环境对混凝土结构的危害
混凝土结构长期处于冻融环境下，会因内部膨胀压和渗透压的作用而开裂，最终导致混凝土抗压强度、抗拉强度以及弹性模量等性能的逐渐降低，由此带来的混凝土结构基本力学性能下降将会导致混凝土结构承载能力以及长期使用性能的逐渐丧失。姜志炜等[5]对混凝土冻融循环破坏机理与改善方法进行分析，认为冻融环境对混凝土结构性能危害主要集中在质量、弹性模量、抗拉强度、抗折强度以及抗压强度等方面，指出了影响冻融环境混凝土结构的因素有：水灰比、引气剂、单掺混合料、复掺混合料以及天然集料等。本文将集中分析掺合料、引气剂等对冻融环境下混凝土的影响。
2影响冻融环境下混凝土结构因素分析
2.1掺合料
以材料是否具活性可将掺合料分为活性掺合料、非活性掺合料；以材料掺合方式可将掺合料分为单掺混合料、复掺混合料（图2）。活性矿物掺合料本身不具备硬化能力或者硬化速度非常缓慢，但在与水泥水或石灰、消石灰等钙质材料融合搅拌后，能够生成氢氧化钙反应或凝结反应，进而生成具有胶凝能力的水化产物或直接硬化等。通常常用的活性矿物掺合料有粉煤灰、硅灰、磨细矿渣等。非活性掺合料是指在不损坏水泥性能的前提下直接将掺合料加入水泥中，充分掺合填充作用等的材料。非活性掺合料基本不与石灰、消石灰或水泥水等水泥组分发生反应，常见非活性矿物掺合料有石灰石、磨细石英砂等。单掺混合料即以单独某一种材料作为掺合料与混凝土进行组合进而影响混凝土冻融环境下性能，常见单掺混合料有粉煤灰、矿渣等。单掺混合料掺量质量百分比是影响混凝土冻融环境性能的主要因素之一，通常单掺混合料质量比在10%~30%时并不能有效缓解冻融环境下混凝土内部结构损坏。复掺混合料是将粉煤灰、矿渣、引气剂等材料进行交互混合所形成的掺合料，通常能够获得叠加效应，获得等于或高于两不同掺合料质量损失率和相对动弹性模量之和。
2.2引气剂
引气剂即加气剂，主要包括松香树脂、石油磺盐酸等物质，是一种具备憎水性的表面活性剂。引气剂在溶于水泥水以后经过充分搅拌，能够在搅拌物内部产生大量均匀分布的微小气泡，这些气泡由于具备闭合、稳定的物理性状能够全面提升混凝土拌合物的和易性、保水性和粘聚性。引气剂的出现，实现了冻融环境下降低混凝土热扩散及传导系数的目的，提高了冻融环境下混凝土结构的体积稳定性，增强了大坝、港口、高速公路等野外结构的耐候性，延长了高寒地区混凝土设施的使用寿命。
3冻融环境下掺合料与引气剂对混凝土影响分析
3.1掺合料影响分析。3.1.1颗粒大小。周斌等[6]针通过实验对冻融环境下大颗粒掺合料及小颗粒掺合料对混凝土的影响进行了对比，结果表明，不论大小颗粒掺合料等的添加均能够使混凝土的抗压强度与抗冻融能力获得提升，但随着掺合料质量配比的不断提升，小颗粒掺合料对混凝土能够充分填充混凝土组分中的空隙，在提升混凝土结构抗压强度的同时，降低了混凝土结构的抗冻融能力。这是因为掺合料粒径过小会改变混凝土的气孔率，进而引发冻融破坏，因此在实际掺合料添加过程中应充分考虑掺合料粒径及其质量配比，在充分保证混凝土获得较高力学性能的同时，提升其抗冻融能力。3.1.2种类。张立群等[7]针对硅灰、粉煤灰等掺合料（单掺或复掺）对混凝土抗盐冻性能的影响进行实验分析，结果表明：对强度等级达到C30、C40等级的混凝土而言，在单掺硅灰（质量比5%）条件下，其抗冻融能力随掺合料中硅灰的加入而稳定提升并于6次冻融循环以后达到一稳定值；在单掺硅灰（质量比5%、10%、15%）条件下，混凝土抗冻融能力随硅灰含量提升而提升，在冻融循环达到14次时15%硅灰混凝土抗冻融能力最高；在单掺粉煤灰（质量比15%）条件下，混凝土抗冻融能力受掺合料影响而略有提高，但影响不大；复掺条件下，掺合料对混凝土抗冻融能力的影响并不显著，这是由于混合料的掺入一定程度上降低了混凝土中水泥的用量，而掺合料为混凝土结构带来的力学性能的提升并不能完全抵消水泥较少所带来的副作用。因此，张立群的研究也表明不论单掺、复掺，掺合料的质量配比都需要严格把控，保证掺合料对混凝土抗冻融能力的提升达到最佳[8]。
3.2引气剂影响分析
侯晓晶等[9]就水灰比、掺合料掺合方式以及是否加入引气剂等条件为约束，对冻融环境下引气剂对混凝土抗冻能力、力学性能影响进行分析，结果表明：当混凝土中水灰比、掺合料等条件不变时，引气剂的加入能够显著提升混凝土抗冻性能，即便在100次冻融循环实验之后，加入引气剂的混凝土仍然能够保证几乎不损失动弹性模量，在完成300次冻融循环以后，混凝土的动弹性模量才开始有所下降，但自身的抗冻能力依然较为可观。郭琦等[10]针对橡胶混凝土在冻融循环下的损伤规律进行分析，橡胶粉在混凝土结构中能够起到一定的固体引气剂作用，缓解冻融环境下混凝土结构的危害，认为在掺量（质量百分比）为10~30%、掺加橡胶粉粒径为80~20目条件下，橡胶混凝土能够获得最佳的抗冻融能力。整体而言，引气剂对提升混凝土抗冻融能力影响较为显著。
4结语
随着我国基础工程建设事业的飞速发展，高海拔、高纬度等地区的基建作业越来越频繁，面临的低温作业及工程结构长期低温环境考验越来越多。本文针对掺合料粒径大小、种类以及引气剂等对混凝土抗冻融能力影响进行综合分析，旨在总结相关领域研究结论，为材料领域、基础建设领域发展提供理论支持。
作者:常艳婷 周斌 单位:西安铁路职业技术学院