混凝土中气泡运行规律及其防治措施

卢禹成 吴昊南 李继芸 姜怡林 李福海

(1.上海隧道工程有限公司 上海 200032；2.西南交通大学土木工程学院 四川成都 610031)

1 引言

自然界的物质分为气、液、固三相，在日常生产生活中会存在两种或两种以上不同的相态混合物流动状态，其中最为常见的是气液两相流[1]。在气液两相流中，气泡在其中充当着重要的角色，研究气泡首先应该了解气泡的形成、类型以及运动规律[2]。

随着近几年经济的快速发展，我国的基建规模发展迅速，尤其是各种高层建筑结构、复杂结构、大型水利及交通工程等大规模的兴建，这就对工程材料及质量提出了更高的要求。在施工技术日益成熟的今天，许多建筑物不仅要保证工程质量，还会注重外型的美观和线条的多样。因此，在工程中有大量的圆形、弧形混凝土结构出现。但圆形、弧形混凝土经常会出现混凝土质量通病，其中包括在弧形段出现大量气泡，这是因为气泡无法顺利排出并聚结在模板边缘造成的，严重影响了混凝土的质量[3]。

混凝土气泡主要由各组成材料本身带来的和搅拌过程中带入的空气两部分组成[4]19。当混凝土中含有少量微小气泡时，能够适当提高混凝土的流动性、抗冻性、抗渗性等，但当混凝土结构内存在大量较大气泡时，会使混凝土内部结构不密实，同时降低混凝土的耐腐蚀性，加速其碳化，导致钢筋的有效保护层减少，最终影响混凝土结构的强度和安全性[5]101－102。当混凝土表面出现气泡时，会严重影响混凝土外观，造成蜂窝麻面。因此总结分析混凝土气泡的结构变化、运行规律以及排出机理是非常必要的，以推动混凝土的发展，提高工程的质量。

2 气泡的形成

液体中的气泡是因为液体具有一定的表面张力，当气体通过孔口进入液体之后就会形成一定体积的气泡[6]。在不同情况下，气泡形成的不同阶段其生长、受力情况是不同的。

气泡所受到的力可分为两类，即向上的力(气体冲力、浮力)、向下的力(表面张力、曳力、巴赛特力、气泡惯性力)。气泡在形成阶段，根据动力学原理可分为3个连续的阶段:表面张力控制阶段、过渡阶段、热传递控制阶段。在表面张力控制阶段，气泡的大小几乎没有增长，但后期气泡增长率显著增加。在过渡开始阶段，气泡增长率相对较高，但由于浮力较小，气泡的体积仍然很小，但上升速度明显加快。在这一阶段气泡的生长主要受气泡与周围液体的压差控制。在传热控制阶段的后期和随后的传热控制阶段，气泡与周围液体之间的传热对气泡的生长起主导作用。同时，气泡上升速度开始逐渐增大，上升效应越来越重要。

混凝土中气泡的形成与搅拌过程密切相关，搅拌过程不仅使液体产生涡流并吸入空气，还使新拌混凝土中较大的气泡被集料挤压成小气泡。此外，搅拌过程改变了新拌混凝土所受的压力，使空气在水中的溶解度不同，所以空气被释放或被吸收。混凝土中气泡的形成由于新拌混凝土表面搅拌产生的旋涡活化能大于砂浆表面张力，砂浆表面发生不均匀变形，产生空隙，将空气吸入新拌混凝土中形成气泡。当砂浆表面附近流体的动能足以克服浮力时，形成的气泡便深入到混凝土的内部。

3 气泡运行规律

气泡形成后随着时间逐渐变大，当它体积增大到一定程度，即孔口施加的向下阻力小于气泡受到的向上浮力时，气泡就会脱离孔口作上升运动[7]99－100。

在上升过程中，气泡受到自身重力、粘性阻力和浮力等综合作用，如图1所示。根据Navier-Stokes方程对气泡的受力进行分析[8]62，气泡向上运动的过程中其速度随着所受浮力的增大而增大，随所受摩擦力的增大而减小，其中摩擦力与粘滞力有关。在混凝土中，其粘滞力由混凝土的粘度和气泡的运行速度决定，气泡的运行速度与其自身大小和混凝土粘度有关，与自身体积成正相关，与混凝土粘度成负相关。混凝土中的气泡是否可以有效地排出由气泡的上升速度和距液体表面的距离决定。

图1 气泡在混凝土中受力[8]64

气泡的运动包含纵向运动和横向运动，在纵向运动中，其上升速度与气体流量成正相关，与液相粘度成负相关。当气泡运动时，其上升轨迹并不是一条直线，而是在中轴线周围摇摆上升。气泡的上升轨迹与其大小和所受粘滞阻力有关，气泡越小其上升轨迹越规律，呈“Z”字形或螺旋形，气泡越大其上升轨迹越不规律，气泡变形也越大。气泡所受到的粘滞阻力越大，其运动轨迹越趋近于直线[9]。在上升过程中，大气泡易分裂成小气泡，但当到达自由液面时，小气泡易合并成大气泡而发生破裂。

4 混凝土中气泡类型

4.1 空气泡

空气泡是混凝土固有的气泡，产生这类气泡的原因有以下几个方面:(1)骨料级配不合理，当粗骨料过多、大小不当且砂率较小时，砂子不能很好地填充拌和过程中的孔隙，导致结构不密实，最终形成自由孔隙，产生气泡；(2)水泥细度与掺量、粉煤灰掺量等也会导致气泡生成；(3)模板面积大、无接缝，这类模板不利于多余空气和水分的排出，由此形成气泡；(4)混凝土的搅拌，在搅拌过程中会带入大量空气，从而在混凝土中形成大气泡，随着不断的搅拌，大气泡减小或消除同时伴随着新气泡的生成；(5)使用粘性较大的油性脱模剂，此类脱模剂对气泡有吸附作用，导致气泡难以排出，形成混凝土表面气泡。此类气泡为“有害”气泡，既不稳定又不均匀，很容易由小聚大而逸出，影响混凝土的强度及质量。

4.2 减水剂引入的气泡

减水剂会引入一定量微细气泡，这类气泡粒径较小，形状不规则、大小不均匀、不稳定。在相同的电性斥力作用下，这类气泡使水泥颗粒分散，就像滚珠轴承一样增加了水泥颗粒间的滑动作用，从而可以起到一定的减水作用[10]1－4。此类气泡为“有害”气泡，又被称为介稳气泡，容易在振捣和运输过程中，聚集成为大气泡，并向外逸出形成混凝土表面气泡，影响混凝土表观质量。

4.3 引气剂引入的气泡

引气剂引入的气泡是微小，均匀的，这些气泡的尺寸均在20～200 μm之间，而且气泡较为稳定，气泡表面的液膜也很牢固，能够阻止气泡聚集，使其不易破灭[11]59－61。此类气泡为“无害”气泡，与减水剂引入的气泡在本质上是不同的。

4.4 水泡

水泡是由于水泥颗粒在凝絮作用下所包裹的水在后期蒸发以后形成的水囊空腔所致，与水泥用量和水灰比有关。这类气泡一般在水泥用量较少的低标号混凝土中出现的几率较大，但它在正常施工情况下是可以避免的[10]15。

5 振捣作用下混凝土中气泡结构变化

振捣主要是通过振动脉冲液化砂浆、减小粗集料之间的内摩擦力来为气泡上升排出提供基本的环境条件[11]62－63。在振捣过程中，气泡不断上升并聚合成大体积的气泡，促进了气泡的排出。气泡在振捣过程中的变化分为3个阶段[4]20－21:(1)第一阶段通过振捣会排出大量不稳定气泡，此时大气泡数量急剧减少，混凝土含气量快速降低，此阶段不稳定气泡会完全排出。(2)第二阶段气泡会吸收大量能量并产生位移，大部分介稳气泡相互聚合，生成新的不稳定大气泡，同时有小部分气泡会上升排出混凝土。此时由于大气泡数量的增加，阻碍了介稳气泡的聚合和排出，导致其速率下降。此阶段由于介稳气泡的不断聚合，大气泡数量逐渐增加至峰值，且孔径数量级较小并不稳定的气泡会再次上升排出。(3)第三阶段随着振捣时间的延长，大气泡数量逐渐减少直至接近为零，但气泡的孔径也会越来越小。此阶段新生成的大气泡和介稳气泡都会减少。气泡数量与振动时间的关系如图2所示[10]15。

图2 振动时间与气泡数量关系

混凝土内部气泡的排出效果与振捣有关。振捣的好坏与分层振捣的高度、振捣有效半径和振捣时间有关。混凝土内部气泡排出的难易程度随着分层高度的增加而增大。振捣有效半径是指振捣的作用范围，其与振捣设备的性能、混凝土特性有关。振捣设备会存在一个最佳频率使振捣有效半径最大，也可通过增加振幅而扩大振捣有效半径。对于和易性较好的混凝土，振动能衰减越小，有效半径越大，和易性较差的混凝土则相反。振捣时间太长(超振)或太短(欠振)及漏振都会导致混凝土表面气泡增多。超振会使混凝土中微小气泡在振动作用下破灭重组，体积由小变大；使混凝土中水泥浆上浮，石子下沉，出现分层离析、泌水的现象，易形成“松”顶。欠振和漏振都会使混凝土内部结构不密实，从而出现空气泡或混凝土自然空洞，使水和大量空气难以排出。

6 混凝土中气泡的排出机理及防治措施

6.1 气泡的排出机理

气泡是气体分散在液相中的分散体系，气泡的排出应从“填充”和“排出”两方面入手[12]11－12。

“填充”是指多余浆体对混凝土内部及表面孔洞的填充，避免气泡产生。

“排出”是促使已形成的气泡不断聚合破裂和向上排出，由于气液两相的密度之间存在差异，气泡会因浮力作用而上浮。上升的气泡表面液膜会在重力作用下产生压力差，在上升过程中，膜的厚度不断变薄，强度逐渐减弱，最终发生破裂，其主要通过减小阻力和增加推动力来实现[12]13。混凝土在生产、运输、成型、振捣等过程中所产生的重力、机械振动力等有利于气泡的排出和破裂。其中机械振动力是可以人为控制的，合理控制振捣时间和振动力能够有效排出气泡。

6.2 防治措施

6.2.1 消除气泡的措施

混凝土是由密度不同的材料混合搅拌而成，这就决定了气泡存在的必然性。为消除混凝土中的有害气泡，应增大气泡在混凝土中的不稳定性[5]117。消除已有气泡的主要手段是增大气泡半径、减小气泡薄膜厚度[13]。即:(1)增加气泡半径。气泡上升的速度随半径的增大而增大。在上升过程中，气泡的液膜会变薄，达到临界厚度时气泡破裂。(2)减小混凝土的粘度。由于不同材料的堆积和化学活性剂的相互作用，使混凝土具有一定的粘度。混凝土的粘度会阻碍气泡向上运动，同时也会抑制气泡表面的化学活性剂分子扩散，对气泡的消除和排除是不利的。混凝土粘度的降低，使气泡的液膜变薄，气泡的破坏期和气体扩散松弛时间减小，加速气泡的破裂。气泡破裂过程如图3所示。(3)增大混凝土表面张力。混凝土的表面张力增大会使气泡膜的稳定性和强度降低，有利于已有气泡的消除，同时能够抑制新气泡的生成。

图3 气泡破裂过程

6.2.2 预防气泡生成的措施

(1)合理选用混凝土材料

在制备混凝土时需选用级配良好的材料，严格控制粗骨料中针片状颗粒的含量。优先选取低碱、质量稳定的水泥和化学成分品质优良的外掺剂[7]118。选择合适的配合比，在试验室设计多组试验，尽量减少用水量，各组之间相互比较，选出最佳配比，保证混凝土达到最佳性能。

(2)合理采用施工工艺

混凝土的运输和搅拌时间影响其气泡的多少，所以必须保证混凝土的合理运输和搅拌时间，避免大量的气泡引入。有试验[14]29表明，每一种混凝土都存在一个最佳搅拌时间点，在这一时间点混凝土的质量最佳，如图4所示。

图4 搅拌过程[14]30

振捣时应重视振捣的时间，选用合适的振捣设备，选取适宜的分层振捣高度和最佳振捣频率，避免超振、欠振和漏振。使用振捣棒应遵循“快插慢拔，上下抽拔，直上直下”的原则[15]。

模板应保持平整光洁，以降低气泡排出时模板周边的阻力。当使用异形模板时，需要在气泡排出不通畅的部位，特别是模板变形及变径处，增设排气孔或气流通道[11]63。

使用优质水性脱模剂，避免使用粘性较大的脱模剂，阻碍气泡排出。

综上所述，混凝土中气泡的成因较为复杂，不能仅依靠一种方法来解决问题。需要结合实际情况，进行具体分析，综合考虑上述因素找到合适的方法解决混凝土中的气泡问题。

7 结论

(1)气泡是在自身重力、粘性阻力和浮力等综合作用下作上升运动，在中轴线周围摇摆上升，其运行规律与自身形状和所处液相的粘度有关。

(2)气泡的类型多种多样，混凝土中的气泡有:空气泡、减水剂引入的气泡、引气剂引入的气泡、水泡。不同类型的气泡对混凝土性能有着不同的作用。

(3)在振捣作用下混凝土内部气泡的结构变化可分为三个阶段:大气泡数量降低到谷值、新生成的大气泡数量增加到峰值、气泡数量减小。振捣效果取决于分层振捣的高度、振捣有效半径和振捣时间。

(4)在制备混凝土过程中应选用合理的原材料和施工工艺来预防气泡的生成；对于已有的气泡则可采取以下手段消除:增加气泡半径、减小混凝土粘度、增大混凝土表面张力。

(5)控制振捣时间、保证模板光洁平整、在模板变形及变径处开孔，使混凝土中气泡更有效地排出。目前对于气泡在混凝土中的运动规律研究还不够具体，今后可针对异形模板中的混凝土气泡进行深入研究，以提高现代复杂结构中混凝土的质量。