陳 歆（哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150090）

我國(guó)的公路交通事業(yè)飛速發(fā)展，公路建設(shè)開創(chuàng)了嶄新的局面。由于水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，造價(jià)適當(dāng)，養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用少，及利于夜間行車等諸多優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多應(yīng)用于我國(guó)的道路建設(shè)中。水泥混凝土能否在設(shè)計(jì)年限內(nèi)正常使用，取決于其耐久性能的優(yōu)劣。在北方地區(qū)，混凝土的抗凍能力將直接影響整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的耐久性，這是關(guān)于整個(gè)使用壽命期間的問題，它不僅是近年來(lái)混凝土材料科學(xué)研究的焦點(diǎn)，也是確?；炷两Y(jié)構(gòu)工程質(zhì)量的核心問題。

現(xiàn)在普遍采取摻入引氣劑，在混凝土中增加一些均勻細(xì)小的孔隙，改善孔結(jié)構(gòu)狀態(tài)，從而達(dá)到提高抗凍性的目的。這種方法確實(shí)有效，但這種方法本身在含氣量方面存在著不易控制、受溫度影響大、分布不均等缺陷；引氣劑的摻入雖然是提高混凝土抗凍耐久性最有效的手段，但同時(shí)會(huì)引起混凝土其它性能降低，如強(qiáng)度、耐磨蝕能力等，而這些性能，正是作為路面材料所必需的，故希望能探究出一種非引氣法提高水泥基復(fù)合材料抗凍性的途徑，解決以上的各種問題。本試驗(yàn)采取膨脹劑與消泡劑復(fù)合摻入的方法，以提高水泥基復(fù)合材料內(nèi)部的密實(shí)度，減少微裂紋，降低孔隙率。這樣，減少水泥基復(fù)合材料內(nèi)部含水的同時(shí)提高了其強(qiáng)度，在削弱凍脹應(yīng)力和增強(qiáng)對(duì)凍脹應(yīng)力的抵抗力兩個(gè)方面提高其抗凍性。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料技術(shù)指標(biāo)

1.1.1 水泥

選用哈爾濱水泥廠生產(chǎn)的天鵝牌PO42.5水泥，實(shí)測(cè)3d 抗折強(qiáng)度4.8MPa，抗壓強(qiáng)度21.4MPa，28d 抗 折 強(qiáng) 度7.0MPa，抗 壓 強(qiáng) 度48.2MPa。，符合GB 175-1999《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》的質(zhì)量要求，能夠滿足試驗(yàn)的要求。

1.1.2 細(xì)骨料

符合GB/T 14684-2001《建筑用砂》的要求，為中砂，級(jí)配合格，為中砂，級(jí)配合理，細(xì)度模數(shù)2.6，含泥量1.05%，視密度2.62g/cm3,堆積密度1558g/cm3，各項(xiàng)指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，能夠滿足試驗(yàn)要求。

1.1.3 膨脹劑

LJU 型低摻量高效混凝土膨脹劑， 限制膨脹率2-4/萬(wàn)，自應(yīng)力值0.2-0.8MPa,符合JC476《混凝土膨脹劑》的要求。

1.1.4 消泡劑

低摻混凝土（砂漿）消泡劑

1.2 試驗(yàn)配比及方法

1.2.1 試驗(yàn)配比

采用40mm×40mm ×160mm 膠砂試件，水膠比取0.5。砂漿攪拌鍋每鍋稱水泥450g、砂子1350g、水225g，膨脹劑內(nèi)摻，消泡劑外摻。

1.2.2 普通混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)

按GB 17-85《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.3 凍融試驗(yàn)采用以下方法：

1) 采用40mm×40mm×160mm 的試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至24d 時(shí)浸入凍融介質(zhì)中（除標(biāo)明的外均為3.5%的NaCl 溶液），至28d 齡期時(shí)開始凍融試驗(yàn)。

2)采用快速凍融法，試件完全浸泡在水溶液中。

3)評(píng)價(jià)指標(biāo)：?jiǎn)挝幻娣e剝落量<1.0kg/m2和相對(duì)動(dòng)彈模量>60%。

2 試驗(yàn)結(jié)果及機(jī)理分析

2.1 消泡劑在水泥基復(fù)合材料中的作用

當(dāng)體系加入消泡劑后,消泡劑分散于體系的液體中，對(duì)氣泡彈性膜的形成起抑制作用。對(duì)于已經(jīng)形成的氣泡,消泡劑分子與構(gòu)成氣泡膜的表面活性劑的憎水基團(tuán)結(jié)合在泡沫表面快速鋪展,形成很薄的雙膜層,進(jìn)一步擴(kuò)散、滲透,層狀入侵,取代原泡膜薄壁。其表面張力低，于是流向產(chǎn)生泡沫的高表面張力的液體，這樣低表面張力的消泡劑分子在氣液界面間不斷擴(kuò)散、滲透，使其膜壁迅速變薄，泡沫同時(shí)又受到周圍表面張力大的膜層強(qiáng)力牽引，致使泡沫周圍應(yīng)力失衡，從而破裂。不溶于體系的消泡劑分子再重新進(jìn)入另一個(gè)泡沫膜的表面，如此重復(fù)[1]。此外，在改變界面方面，不同消泡劑有著不同的機(jī)理，如吸附機(jī)理，憎水顆粒進(jìn)入氣液界面后，顆粒表面吸附了泡沫體系的表面活性劑，使液膜局部的表面活性劑被消耗，產(chǎn)生了不穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致液膜的破裂。又如在去潤(rùn)濕機(jī)理中，落于氣液界面上的憎水顆粒使泡沫溶液自發(fā)地從顆粒兩側(cè)移走，在液膜中造成一個(gè)斷裂孔，引發(fā)了液膜的破裂。憎水顆粒在去潤(rùn)濕過程中不吸附泡沫體系的表面活性劑，在一瓣液膜上去潤(rùn)濕后不失效，能進(jìn)入鄰近液膜繼續(xù)潤(rùn)濕[2]。

混凝土和砂漿在攪拌過程中會(huì)引入氣泡，導(dǎo)致最后密實(shí)度下降，導(dǎo)致動(dòng)彈性模量的損失和強(qiáng)度的下降，而消泡劑則對(duì)這種現(xiàn)象有一定的抑制作用，能減少部分因孔隙率而導(dǎo)致的強(qiáng)度損失，提高了對(duì)凍融循環(huán)中膨脹應(yīng)力的抵抗能力。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，消泡劑摻量為1.0‰~1.5‰時(shí)，對(duì)膠砂試件的抗凍性提高效果最好，摻量過少則無(wú)法體現(xiàn)，見圖1。單從動(dòng)彈模損失一方面來(lái)看，消泡劑在本膠砂試驗(yàn)涉及的幾個(gè)摻量中，以1.5‰為最佳，若為了兼顧強(qiáng)度，可略微下調(diào)。

圖1 消泡劑摻量對(duì)抗凍性的影響

同時(shí)，孔隙率下降也使得滲入的水量減少，故降低了總膨脹應(yīng)力。但在強(qiáng)度檢測(cè)方面，由于其摻量很少（多摻也無(wú)明顯效果），無(wú)法對(duì)所提高的強(qiáng)度與摻量之間檢測(cè)出進(jìn)一步的相關(guān)性。

其次，模板表面粗糙或粘附水泥漿渣等雜物未清理于凈，拆模時(shí)混凝土表面被粘壞；模板未澆水濕潤(rùn)或濕潤(rùn)不夠，構(gòu)件表面混凝土的水分被吸去；模板拼縫不嚴(yán)，局部漏漿；模扳隔離劑涂刷不勻，或局部漏刷或失效；混凝土振搗不實(shí)，氣泡未排出，停在模板表面都會(huì)在混凝土或砂漿試件表面形成麻點(diǎn)甚至麻面，在凍融循環(huán)過程中會(huì)加大剝蝕量，而消泡劑的摻入對(duì)麻面有很好的處理效果[3]，故盡管試件尺寸小，麻點(diǎn)不會(huì)太多且對(duì)試件整體的影響不會(huì)太大，但整個(gè)凍融循環(huán)過程中剝蝕量呈現(xiàn)的規(guī)律性不明顯，不如相對(duì)動(dòng)彈模損失，可見這方面確實(shí)起了一定的作用。

另外，消泡劑的摻入降低了水泥顆粒之間的引力，可能會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度的下降。詳情見表1。

表1 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 膨脹劑在水泥基復(fù)合材料中的作用

在水泥-膨脹劑體系中，加水后體系即開始水化，不久就伴隨鈣礬石的形成提高了強(qiáng)度。鈣礬石是一種強(qiáng)度較高的結(jié)晶，在早期形成可以作為膠凝材料的強(qiáng)度骨架，C-S-H 凝膠填充于鈣礬石骨架之間，結(jié)合成為緊密的水泥結(jié)構(gòu)。隨著混凝土膨脹劑摻量的增加，水化后形成鈣礬石結(jié)晶體相應(yīng)增多形成致密的骨架。膨脹劑所產(chǎn)生的膨脹物質(zhì)除用于混凝土的補(bǔ)償收縮外，還可用于水泥石結(jié)構(gòu)致密化[4]。因此許多人認(rèn)為摻膨脹劑取代等量水泥理論上對(duì)混凝土強(qiáng)度不會(huì)產(chǎn)生明顯的不利影響，甚至早期強(qiáng)度較未摻者有所提高。而對(duì)于后期強(qiáng)度常常受延遲性鈣礬石反應(yīng)是否發(fā)生及發(fā)生程度而影響，在養(yǎng)護(hù)條件好（避免過高溫度，早期水中養(yǎng)護(hù)）的情況下，不會(huì)對(duì)后期強(qiáng)度造成損失[5]。但本試驗(yàn)與大量工程與實(shí)驗(yàn)一樣，發(fā)現(xiàn)在摻量控制不當(dāng)?shù)臅r(shí)候會(huì)對(duì)強(qiáng)度發(fā)展不利。盡管不少人將這歸結(jié)于內(nèi)外溫差、養(yǎng)護(hù)條件以及膨脹劑的質(zhì)量[6]，筆者通過本試驗(yàn)，與一些工程研究人員一致認(rèn)為除此之外，膨脹劑作用機(jī)理也有一定影響[7]，到后期結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成，而膨脹劑還在繼續(xù)生成膨脹物質(zhì)的話，則可能會(huì)使得結(jié)構(gòu)體內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，造成內(nèi)部破損，產(chǎn)生微裂縫進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。見表1、表2。

表2 各配比與素膠砂的相對(duì)動(dòng)彈性模量

由于鈣礬石生成所產(chǎn)生的膨脹能一方面使其自身產(chǎn)生膨脹，另一方面，這種膨脹能推動(dòng)膠體朝著毛細(xì)孔產(chǎn)生粘性流動(dòng)，二者都會(huì)有利于水泥漿體致密化，因此抗凍性能應(yīng)有所改善。摻量過大時(shí)，所造成內(nèi)部的疏松和破損同樣會(huì)致使抗凍性的降低。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膨脹劑在4%時(shí)體現(xiàn)出抗凍性最佳，見圖2。

圖2 膨脹劑摻量對(duì)抗凍性的影響

此外，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)的因素造成的降低在剝蝕量上的體現(xiàn)不如在相對(duì)動(dòng)彈性模量損失明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

1）消泡劑的消泡機(jī)理為取代原液膜并致使氣泡膜應(yīng)力失衡，其摻入能提高水泥基復(fù)合材料的密實(shí)度，從而提高其強(qiáng)度和抗凍性。但過量的摻入并不會(huì)增加效果，甚至可能降低水泥顆粒間的引力，造成強(qiáng)度下降。以本試驗(yàn)為例，試驗(yàn)中膠砂試件的消泡劑摻量以1.0‰~1.5‰為佳。

2）膨脹劑的作用機(jī)理為產(chǎn)生膨脹性物質(zhì)以填充鈣礬石骨架，其摻入同樣也起到提高水泥基復(fù)合材料密實(shí)度的效果，提高強(qiáng)度和抗凍性，但摻量過大會(huì)造成后期膨脹性產(chǎn)物對(duì)已成結(jié)構(gòu)的破壞，對(duì)強(qiáng)度不利，更大則會(huì)促使大量?jī)?nèi)部微裂紋的產(chǎn)生，導(dǎo)致抗凍性下降。以本試驗(yàn)為例，試驗(yàn)中膠砂試件的膨脹劑摻量為4%~5%為佳。

3）以膨脹劑與消泡劑復(fù)合的非引氣法有著提高水泥基復(fù)合材料抗凍性的作用且能對(duì)強(qiáng)度有一定的幫助。但需控制好配合比，否則會(huì)降低效果甚至起反效果。

[1]李想 有機(jī)硅消泡劑的消泡機(jī)理及應(yīng)用[J]，化學(xué)工程師，2009,(01).47-48；

[2]徐江偉 消泡劑的復(fù)合及消泡機(jī)理的探討[J]，中國(guó)甜菜制糖業(yè)，2002(04).31-33；

[3]吳春華 混凝土表面蜂窩麻面成因及其防治措施[J]，林業(yè)科技情報(bào)，2009,(1).56-57；

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[5]黃明誠(chéng) 淺談混凝土膨脹劑 中國(guó)建筑材料科技[J]，2007,(3).15-16；

[6]黃明誠(chéng) 淺談混凝土膨脹劑 中國(guó)建筑材料科技[J]，2007,(3).15-16；

[7]黎韜 膨脹劑應(yīng)用中一些常見問題的探討 廣東建材[J]，2011,(3).31-33。