论严寒地区碾压混凝土抗冻性分析

田雪竹

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000）

论严寒地区碾压混凝土抗冻性分析

田雪竹

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000）

高效能引气剂是碾压混凝土解决抗冻性的首要选择。文章结合新疆北部某碾压混凝土重力坝混凝土抗冻性能的研究，针对不同引气剂品种、原材料、配合比和施工工艺对混凝土含气量的影响进行了系列试验研究。在兼顾引气效果和成本的前提下，确定了适用于高寒地区碾压混凝土的引气剂。探讨比较了不同水泥混凝土混合料中所用的水与水泥重量的比值对混凝土中产生气泡大小和距离的影响。施工技术人员为了提高混凝土单位体积中空气的体积百分比，对施工工艺也提出了要求。文章所得结论可为高寒地区的修建碾压混凝土建筑物提高抗冻性能提供参考。

碾压混凝土；抗冻性；耐久性；引气剂

0 引 言

新疆严寒地区某水利碾压混凝土大坝，大坝下游面和坝基间的接触地区多年来平均气温为零上2.7℃，常年来这一地区最低和最高温度相差为-49.8℃，一年之中有半年气温≤5℃，有4个多月气温≤0℃，将近3个月的气温≤-10℃。根据这一地区的水文资料和气象数据分析，在做大坝初步设计时就把混凝土的物理参数和不同部位的碾压混凝土的抗冻性性能指标相结合。大坝内部碾压混凝土的抗冻指标为 F50，大坝上游死水位680 m以下区域碾压混凝土对应抗冻指标为 F100，大坝下游水位变化区域以上对应碾压混凝土抗冻指标为 F200，大坝上游水位变化区域及对应碾压混凝土抗冻指标为F300。而在拌和混凝土的时候引入气体，形成微小稳定的气泡将会提高和改善碾压混凝土的抗冻性指标。但影响碾压混凝土单位体积中空气的体积百分比的大小因素较多，结合水库大坝施工实际，通过对引气剂种类、原材料选择、水灰比试验、投递原料的次序研究、拌制混凝土的时间以及汽车运输、摊铺等影响混凝土单位体积中空气的体积百分比的相关因素和对冻融性能的影响进行讨论研究并展开相关试验验证［1］。

1 引气剂对碾压混凝土单位体积中空气的体积百分比的影响

1.1 多样引气剂品种试验分析

在混凝土中产生大量的微小封闭、均匀、互不连通、稳定性高的气泡来用以抵抗冻融破坏，这就需要在拌制混凝土时加入气泡结构好，气泡半径小，抗冻指标高的引气剂，表1是此次试验分析和比较。

表1 引气剂效能分析

从表1可以看出：以上试验得到的性能指标中起泡容量和表面张力变化较大，反映引气剂对碾压混凝土施工能产生明显的作用。

1.2 引气剂对碾压混凝土单位体积中空气的体积百分比造成损失的影响

掺用同等比例的引气剂对碾压混凝土单位体积中空气的体积百分比的损失进行试验，结果见表2。

表2 引气剂品种与 F200碾压混凝土经时含气量损失结果

从表2可以看出：聚羧酸合成类引气剂（TY—AE）引气量最大，不同经时含气量的损失最小；松香聚合类（NEA3）引气量最小，不同经时含气量的损失最大。三萜皂甙类（ZY—99H）非离子型引气剂次之。兼顾引气效果和成本的情况下，可选用NEA3。

1.3 适宜混凝土单位体积中空气的体积百分比的参数

严寒地区的混凝土水工建筑物，普遍存在为预防和避免冻融所必需的最小气泡体积。通常情况下，选择和常态混凝土拌和物砂浆体积之比1∶10，并且和混凝土中水泥含量、骨料最大粒径都毫无关系；当需要用整个拌和物的混凝土单位体积中空气的体积百分比来表示时，所需混凝土单位体积中空气的体积百分比大小跟骨料的最大粒径变化成正比［2］。通过试验研究及参照成熟经验，确定了适用于本工程的各种混凝土适宜的混凝土单位体积中空气的体积百分比物理参数，可以借鉴国家规范——《水工混凝土施工规范（SDJ207—82）》。

表3 不同级配及抗冻指标的碾压混凝土适宜含气量

运用的引气剂气泡微小、互不相连且稳定均匀，这样会改善和提高严寒地区碾压混凝土的抗冻性能。工程试验研究得到，NEA3引气剂气泡体积较大，直径数据在0.07～0.8 mm，相对气泡体积较大，不稳定会造成挥发较快，对混凝土抗冻融相当不利；ZY—99H、TY—AE引气剂气泡直径数据在 0.02～0.2 mm，气泡体积合适，稳定不易挥发，对混凝土抗冻融相当有利。

引气剂气泡与气泡之间的距离也是影响混凝土抗冻控制指标的关键所在。通常情况下，相同强度等级或物理参数的混凝土，引气剂气泡之间的距离与混凝土耐久性系数成反比。以上试验结果表明：TY—AE引气剂，当碾压混凝土单位体积中空气的体积百分比≥0.04时，引气剂气泡之间的距离≤0.2 mm，此时的混凝土的抗冻融耐久性打到优良状态；ZY—99H引气剂当碾压混凝土单位体积中空气的体积百分比 ≥5%，引气剂气泡之间距离＜0.3 mm，当碾压混凝土单位体积中空气的体积百分比 ＞6%，引气剂气泡之间距离 ＜0.2 mm，所以当碾压混凝土处于任何一种状态中，抗冻融耐久性都是优良状态，其引气剂气泡之间的距离与混凝土单位体积中空气的体积百分比的关系见图1。

图1 低塑性混凝土单位体积中空气的体积百分比与引气剂气泡之间距离的关系

2 混凝土三个基本参数（水泥用量、砂用量、骨料（碎石）用量，另外还有水的用量）及施工过程对单位体积中空气的体积百分比的影响

2.1 拌制水泥浆、砂浆、混凝土时所用的水和水泥的重量之比就是水灰比

水灰比影响混凝土的流变性能、水泥浆凝聚结构以及其硬化后的密实度，因而在组成材料给定的情况下，水灰比是决定混凝土强度、耐久性和其他一系列物理力学性能的主要参数。对某种水泥就有一个最适宜的比值，过大或过小都会使强度等性能受到影响。水灰比按同品种水泥固定。硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣水泥为0.44；火山灰水泥、粉煤灰水泥为0.46。

虽然碾压混凝土的抗冻融耐久性不受水灰比的影响，但引气剂气泡外形大小和之间的距离受水灰比的影响不可忽视。施工技术人员通过试验研究发现：混凝土引气剂气泡外形大小与混凝土水灰比的变化成正比，同理，混凝土水灰比对引气剂气泡之间的距离关系也是如此。

由此可得，混凝土的水灰比越大，反而会影响混凝土的抗冻融耐久性，应该相适应的增加引气剂的含量。引气剂气泡外形大小和气泡之间的距离与混凝土单位体积中空气的体积百分比关系密切，当混凝土单位体积中空气的体积百分比为固定值时，引气剂气泡外形大小越小，产生的引气剂气泡数量就会越多，反之引气剂气泡之间的距离就越小；如果引气剂气泡外形大小为固定值时，反之混凝土单位体积中空气的体积百分比越大，产生引气剂产生的气泡之间的距离就越小，混凝土抗冻融耐久性反而越好。

2.2 混凝土投递原材料的顺序与其拌和制作时间的关系分析

施工技术人员在搅拌混凝土时对原材料的投放顺序做了改变，从而发现这也会造成混凝土的引气剂气泡含量的变化。试验结果见表4。

表4 投料顺序、搅拌延时对 F50碾压混凝土含气量的影响

从表4中可以看出：在做第二次投放原材料顺序变化时，引气剂气泡含量也相应大大增加，与此同时，混凝土单位体积中空气的体积百分比也随着拌合物拌合制作时间的延长而有所提高和增长，不过这个延长时间也要适可而止，以免过犹不及，这就需要确定混凝土。

2.3 混凝土拌合物的运输、摊铺与碾压时间的试验研究分析

当混凝土拌合物拌合制作完毕后，被汽车运输到施工现场，进行及时摊铺和碾压，这些工序环节所需时间很关键，经研究发现将会直接导致混凝土单位体积中空气的体积百分比减小。对于松香酸钠型引气剂，通过试验调整掺量、汽车运输、拌合物摊铺及碾压环节，得到以下结论：

汽车运输距离≤2 km，混凝土单位体积中空气的体积百分比的减少≤0.01，汽车运输时间≤6 min，对混凝土单位体积中空气的体积百分比的减少影响并不大；混凝土拌合物被摊铺和等待碾压的时段，对混凝土单位体积中空气的体积百分比的减少有不可忽略的影响，混凝土拌合物被摊铺的时间越长，混凝土单位体积中空气的体积百分比会降低 1%～2%，这就说明必须加快混凝土被摊铺的时间；在混凝土拌合物被碾压时，混凝土单位体积中空气的体积百分比会受到些许影响，降低范围≤0.5%。

3 结 论

新疆严寒地区某水利碾压混凝土大坝，通过施工技术人员对碾压混凝土的抗冻融耐久性的试验研究，碾压混凝土在施工时抗冻性能指标要达到设计值，在原材料中粉煤灰所占比例较大，引气剂的掺量就会比常态混凝土多出9～11倍。

对于混凝土单位体积中空气的体积百分比的损失，通常会出现在混凝土拌合物被摊铺及等待被碾压时段，所以在施工过程中一定要引起重视；在炎热季节出机口温度也要适宜控制，混凝土本身的温度与混凝土单位体积中空气的体积百分比关系也相当密切，所以在施工过程中施工仓的环境也是提高和改善混凝土单位体积中空气的体积百分比不可或缺的因素。

［1］李文森，栗永基.岩滩水电站大坝水环境检测及水质初步分析［J］.红河水，2011，30（02）：17-21.

［2］纪国晋，姜荣梅，姜福田.影响碾压混凝土含气量的试验研究［J］，水力发电，2007，33（04）：62-64.

TV431

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1007-7596（2015）02-0024-03

2014-12-15

田雪竹（1981-），女，重庆人，工程师，研究方向为运行管理与安全监测。