（道路与铁道工程专业论文）路面引气混凝土试验研究.pdf

摘要 随着对公路服务能力及水平要求的不断提高，滑模施工技术迅速发展，同时 对混凝土材料的要求也不断提高，引气混凝土作为一种性能优良的水泥混凝土而 被推广应用。引气混凝土不仅具有较好的保水性、粘聚性等工作性能，而且具有 良好的抗渗性、抗冻性、耐久性能；引气混凝土不仅节约了生产成本、提高了生 产效率，而且还提高了水泥混凝土路面的质量、延长了混凝土路面的使用寿命， 减少了路面养护维修成本，在保护环境和节约能源的同时带来了巨大的经济社会 一效益。 本文结合清连一级公路改造项目工程实际，通过水泥静浆流动度试验、混合 式气压法含气量测定试验、压力泌水试验、平板开裂试验等，对引气混凝土相关 内容进行了研究。研究结果表明：混凝土含气量随引气型外加剂掺量的增加而增 大，增大程度与外加剂的组分相关：减水剂与引气剂复合使用对混凝土的改性效 果最好；混凝土泌水率随含气量的增大而减小并逐渐放缓趋近于零，引气混凝土 抗泌水性能较好；含气量的增大有利于改善混凝土的开裂敏感性，有利于提高混 凝土早期抗开裂性能；含气量增大有利于减小混凝土变形，延缓混凝土变形，在 含气量小于6 时，变形率随含气量增大而减小，大于6 时，变形率随含气量增大 而增大；混凝土导热系数与热扩散系数在含气量一定变化范围内随含气量增大而 减小：早期养护对减少混凝土开裂有明显效果，较好的养护剂及养护方法效果更 好。本文同时结合已有理论分析了引气混凝土抗泌水性能、抗裂性能等作用机理。 本文研究结论取得了良好的实际应用效果，对清连项目路面工程中采用引气混凝 土提供了科学依据和良好的指导作用。 关键词：滑模混凝土；引气混凝土；含气量；泌水性能；抗裂性能；变形性能； 热工性能；混凝土养护 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h er e q u i r e m e n to nh i g h w a ys e r v i c ec a p a b i l i t i e sa n d i t sl e v e l ，t h es l i p f o r mc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ei sd e v e l o p i n gr a p i d l y , a tt h es a m et i m e ， t h er e q u i r e m e n to nc o n c r e t em a t e r i a l si n c r e a s e sc o n t i n u a l l ya n dt h ea i re n t r a i n e d c o n c r e t ea sac e m e n tc o n c r e t eo fg o o dp e r f o r m a n c ei sw i d e l ya p p l i e d t h ea i r e n t r a i n e dc o n c r e t en o to n l yh a ss u c hw o r k i n gp e r f o r m a n c ea sg o o dw a t e r - h o l d i n g c a p a c i t y , v i s c i d i t ya n dc o h e s i o n ，b u ta l s oag o o di m p e r m e a b i l i t y , f r o s tr e s i s t a n c ea n d d u r a b i l i t y f u r t h e r m o r e ，t h ea i re n t r a i n e d c o n c r e t en o to n l y s a v e st h ec o s to f p r o d u c t i o n ，i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o n ，b u ta l s oi m p r o v e st h eq u a l i t yo f t h er o a ds u r f a c eo fc e m e n tc o n c r e t et oe x t e n dt h el i f e - s p a no ft h ec o n c r e t er o a d ， r e d u c et h ec o s to f r o a dm a i n t e n a n c ea n db r i n g sg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i ta s w e l la sp r o t e c t se n v i r o n m e n ta n ds a v ee n e r g ys o u r c e s t h i st h e s i ss t u d i e st h ea i re n t r a i n e dc o n c r e t ea n di t sr e l e v a n tc o n t e n ta l o n gw i t h t h er e c o n s t r u c t i o np r o j e c to fq i n g l i a na r t e r i a lh i g h w a yb yt h ec e m e n ts l u r r ys t a t i c t e s t m e t h o d ，p r e s s u r em e t h o dh y b r i dg a s d e t e c t o rl a w ，k i mj o n g p r e s s u r ew a t e r d e t e c t o rl a w ，f l a t p a n e lc r a c k i n gt e s tm e t h o d sa n de t c t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t ： t h eg a sc o n t e n to fc o n c r e t ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fa d m i x t u r e sd o s a g e ，a n d t h ed e g r e eo fi n c r e m e n ti sr e l a t e dt ot h ec o m p o n e n t so fa d m i x t u r e ；t h ec o m p o u n du s e o fw a t e rr e d u c i n ga d m i x t u r ea n da i re n t r a i n i n ga g e n tc a na r r i v ea tt h eb e s tm o d i f i e d e f f e c to fc o n c r e t e ；t h eb l e e d i n gr a t eo fc o n c r e t ed e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fg a s c o n t e n ta n dg r a d u a l l ys l o w sd o w nt oz e r o ，a n dt h ea n t i b l e e d i n gp r o p e r t i e so ft h ea i r e n t r a i n e dc o n c r e t ei sg o o d ；t h ei n c r e a s i n go fg a sc o n t e n ti si nf a v o ro fi m p r o v i n gt h e s e n s i t i v i t yo fc r a c k i n go fc o n c r e t ea n di sb e n e f i c i a l t oi m p r o v e m e n to ft h ee a r l y a n t i c r a c k i n gp e r f o r m a n c eo fc o n c r e t e ；t h ei n c r e a s i n go fg a sc o n t e n ti si nf a v o ro f r e d u c i n gt h ed e f o r m a t i o no fc o n c r e t e ，s l o w i n gd o w nt h ed e f o r m a t i o nc o n c r e t e ，a n d w h e ng a sc o n t e n tl e s st h a n6p e r c e n t ，t h ed e f o r m a t i o nr a t ew i l lr e d u c ew i t ht h eg a s c o n t e n ti n c r e a s e s ，w h i l eg r e a t e rt h a n6p e r c e n t ，t h ed e f o r m a t i o nr a t em a yi n c r e a s e w i t ht h eg a sc o n t e n ti n c r e a s e s ；t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fc o n c r e t ea n di t st h e r m a l d i f f u s i v i t yr e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h eg a sc o n t e n tw i t h i nac e r t a i nr a n g eo f g a sc o n t e n tc h a n g e s ；e a r l y c o n s e r v a t i o ni sv e r ye f f e c t i v ei nr e d u c i n gc o n c r e t e c r a c k i n g ，a n dt h ee f f e c tw i l lb eb e t t e rw i t hc o n s e r v a t i o na g e n t sa n db e t t e rm e t h o d s o fc o n s e r v a t i o n t h i s p a p e r a l s o a n a l y z e s t h eo p e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h e i i a n t i b l e e d i n gp r o p e r t i e s a n dt h ea n t i c r a c k i n gp e r f o r m a n c eo ft h ea i re n t r a i n e d c o n c r e t e t h er e s e a r c hi nt h i st h e s i sa c h i e v e dg o o dr e s u l t si np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s ，w h i l ep r o v i d e das c i e n t i f i c b a s i sa n dag o o dg u i d ef o rt h eu s eo f a i r e n t r a i n i n gc o n c r e t eo nt h ep a v e m e n to fq i n g l i a na r t e r i a lh i g h w a yp r o j e c t k e yw o r d s ：s l i p f o r mc o n c r e t e ；a i re n t r a i n e dc o n c r e t e ；g a sc o n t e n t ；t h eb l e e d i n g p e r f o r m a n c e ；c r a c kr e s i s t a n c e ；d e f o r m a t i o np r o p e r t i e s ；t h e r m a l p r o p e r t i e s ；c o n c r e t ec u r i n g i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：列岔千 日期4 习年眵月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 储戤捌矸 导师签名：旋雠- f 盯 1 1 混凝土简介 第一章绪论弟一早珀t 匕 最早的混凝土是以石灰、火山灰为胶凝材料，而18 2 4 年英国人j 阿斯普丁 取得了波特兰水泥的发明专利，以水泥为胶凝材料的混凝土随之诞生，标志着水 泥混凝土工业的诞生。水泥混凝土以其宽容性及多方面的适应性赢得人们的认 同，得以在各个领域迅速普及，如今，它已是世界上使用量最大，应用最广泛的 人造建筑材料之一，是人类文明建设中不可缺少的物质基础。水泥混凝土的应用 之就是修筑机场场道、高等级公路等，与其他道路如沥青道路相比，水泥混凝 土道路具有强度高、寿命长、抗超载能力强、磨损小、环境适应性好、施工速度 快、经济性好等优点。全世界第一条水泥混凝土路面是l8 6 5 年在英国修筑的， 至今已有1 4 4 年的历史了，我国第一条水泥混凝土路面是19 2 8 年在浙江奉化溪 口镇修筑的，当时采用日本进口的水泥，至今已有8 0 年的历史了。我国是一个 沥青资源相对不足而水泥资源很丰富的国家，水泥产量很大，1 9 9 8 年我国水泥 总产量已达到5 6 亿吨，多年位居世界水泥产量之首，水泥资源相当充足，不像 沥青材料大部分依赖进口。 因此，修筑水泥混凝土道路可以大大节约外汇、促进国内经济发展，尤其在 如今世界经济危机形势、我国各等级公路飞速建设环境下混凝土路面的优势不言 而喻。但要保证在这样的建设速度下混凝土路面的质量，提高经济效益，就必须 选用更加适合的、先进的施工设备，滑模施工技术就成为不可多得的选择。 水泥混凝土路面的滑模施工技术是当今世界上施工速度最快、工程质量最 高、施工规模巨大的现代化、机械化和智能化先进技术，因此，滑模摊铺施工无 疑是适应水泥混凝土路面高速建设的一种最好的施工方式，不仅提高了路面施工 速度，而且在高速度施工情况下能够保证水泥混凝土路面的质量，良好的路面平 整度为行车提供更好的舒适性，良好的质量为道路运营、经济发展提供可靠的保 障及经济效益。因此，目前高等级公路均要求使用滑模摊铺机进行路面混凝土施 工，为高等级公路建设、公路事业的发展提供有力支撑。滑模摊铺机对混凝土材 料要求较高，同时不断提高混凝土路面的质量，不能单单从施工机械、施工方式 等方面入手，更重要的是要从混凝土本身入手，提高其本身质量及对机械的适应 性，因此对混凝土的研究自混凝土问世以来就不断的进行改善研究。引气混凝土 便随着混凝土的应用、引气剂的产生和发展及机械的改进而应运而生。 1 2 引气剂与引气混凝土的产生及定义 1 2 1 引气剂的产生及定义 如何提高混凝土路面的耐磨性、如何在寒冷地区进行混凝土路面的施工和如 何在易受冻地区提高混凝土路面耐久性等问题的提出及研究极大的促进了引气 剂的发现及发展。引气剂于19 世纪3 0 年代在分析研究美国纽约州具有较好耐久 性混凝土公路时一个偶然的机会被发现。所谓引气剂，顾名思义，就是指在混凝 土搅拌过程中引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的一种外加剂，其引入 的气泡尺寸非常小，直径在微米量级，是肉眼不可见的微小气泡。引气剂本质是 一种大分子气液界面活性剂，是两亲分子，溶解在水中的两亲分子可以在界面上 自动形成定向吸附层并降低水的表面张力，此类物质通过在水面上铺展的方法形 成表面膜，是一种定向单分子层心1 。单分子膜的性质直接决定了引气荆的气泡稳 定性能旧。在混凝土或砂浆中掺入引气剂后，由于微气泡的引入，新拌混凝土的 和易性得以改善，混凝土硬化后的抗冻性、抗渗性等性能显著提高，可大大延长 混凝土或砂浆的使用寿命，所以引气剂在促使混凝土成为一种经久耐用的建筑材 料方面起着重要的作用h 1 。 1 2 2 引气剂的种类 引气剂的发展至今已经有七十多年的历史了，其种类繁多，应用范围广，数 量也大陆1 。我国也曾先后研制出几种新的引气剂品种，如烷基苯磺酸钠、平平加 等，但由于种种原因未能得到推广应用。发展至今，根据引气剂的主要组分可将 引气剂分为以下四类h j l ：1 ) 松香树脂类( 文松树脂、松香皂、松香热聚物) ；2 ) 非离子型表面活性剂；3 ) 烷基苯磺酸盐类( 烷基磺酸钠、烷基苯磺酸钠、聚氧 乙烯醚、皂角素等) ；4 ) 脂肪醇类( 其他如梭酸及其盐类) 。目前国、内外使用 最普遍的是松香类引气剂。松香类引气剂一般颜色为深棕色，有膏状物和液体两 种，松香类引气剂与木钙和糖钙类缓凝减水剂共溶于水时，有絮凝沉淀物，影响 混合使用效果。 1 2 3 引气混凝土的产生及定义 引气混凝土的产生和发展与引气剂的产生和发展紧密相关。引气剂的产生和 发展促进了引气混凝土技术的发展和应用，引气混凝土随着引气混凝土技术的应 用应运而生。引气混凝土技术是指在混凝土拌和物拌和过程中掺加适量的引气型 外加剂来达到改善混凝土抗渗、抗冻性能的目的，从而提高混凝土耐久性的一项 技术。而引气混凝土就是指采用引气混凝土技术，在混凝土中掺加引气剂引入大 量微气泡，最终使得混凝土工作性、耐久性等性能得到改善的混凝土。引气混 凝土是一种性能较优良的水泥混凝土，目前广泛应用于建筑节能保温、水工结构、 机场道面、道路工程等混凝土材料所涉及的各个方面，具有很好的发展前景。 2 1 3 引气剂与引气混凝土的国内外发展现状及结论 1 3 1 国外发展及研究现状 引气剂于1 9 世纪3 0 年代在分析研究美国纽约州具有较好耐久性混凝土公路 时一个偶然的机会被发现后，从1 9 3 8 年开始在公路上推广应用，并在此基础上 发展引气减水剂( 又称a e 减水剂) 。l9 4 2 年美国首先制定了引气混凝土的施工 规范，美国材料试验学会也制定了相应的标准，19 4 8 年以后，引气剂和引气减 水剂在美国公路、港口、桥梁等工程中广泛应用。2 0 世纪8 0 年代，全世界许多 国家在有关水泥混凝土路面的规范中都不同程度地提出采用引气混凝土技术的 要求或建议，并指出引气混凝土在抵抗冻融、盐蚀以及提高混凝土的工作和易性 方面均有显著效果。在美国、加拿大、日本和欧洲等发达国家及地区，由于他们 十分重视工程的耐久性，引气剂是最常用的外加剂，掺引气剂的混凝土占混凝土 总量的7 0 8 0 ，甚至更多。日本把引气混凝土以外的混凝土视作特殊混凝土， 可见其普及程度之大以及重要性n 6 j 1 。国外研究和使用引气剂的历史相对较长， 理论及应用技术比较成熟，为世界各国提供了可靠的借鉴，但各国气候、地理、 材料等各因素各不相同，因此，在各国的应用过程中都需不断的进行研究试验， 逐步完善适应自己的一套引气剂理论及技术并逐步推广。 1 3 2 国内发展及研究现状 我国从2 0 世纪5 0 年代开始使用引气剂，第一代引气剂以从前苏联引进的松 香皂为代表，并在天津新港、梅山和佛子岭水库等工程中成功应用，后来在国内 许多港口和水工工程中获得广泛应用。但由于国内对工程耐久性的重视不够，相 应的标准、规范没有作出必需的规定，使得引气剂技术发展十分缓慢，我国的引 气剂产品质量及应用技术较落后也是不可忽视的因素。直到2 0 世纪8 0 年代末， 国内的公路、桥梁、机场道面等工程基本上还没有使用引气剂的案例，施工人员 也基本没有混凝土需要引气的意识。1 9 9 6 为举办冬季亚运会修建的哈绥高等级 公路，在使用1 个冬季后，因撒除冰盐造成路面和路肩板出现大面积严重剥蚀破 坏，引起了公路界的重视旧1 ，这开启了国内这一工程领域使用引气剂的先河 1 。 1 9 9 9 年竣工的黑龙江省哈同公路集佳路段采用了引气混凝土技术，成为我国第 一条引气水泥混凝土高等级公路，此后，在桥梁工程和市政工程中得到成功应用， 并制订了相关规范阳1 。随着混凝土技术的发展，尤其是引进国外施工设备和国外 工程公司进入我国施工市场，引气剂的使用更加广泛，在我国南方混凝土道路施 工中，正是引进的滑模摊铺机要求必须使用引气剂，引气剂第一次在南方地区混 凝土道路工程中使用，取得了良好效果0 。目前国内的有关引气剂的研究还停留 在引气剂的气泡质量对于混凝土性能的影响阶段，对于引气剂气泡质量优劣原理 的研究几乎是空白，这也是当前国内引气剂产品质量参差不齐的主要原因之一 3 心1 。我国对引气剂及引气混凝土的研究相对较晚，最初的研究只局限于混凝土的 抗冻性能、抗渗性能等，主要应用于水工结构、港口工程等混凝土工程，随着引 气混凝土表现出来的各种优异性能，研究面慢慢扩展开来，目前研究还不够系统 全面，但对引气剂已倍加关注，在相关标准规范中明确指出了对引气剂的使用， 进一步推动了引气剂的使用及引气混凝土的应用发展。很多学者对引气混凝土都 进行了试验研究并进行了实践，都取得了相当好的效果。 1 3 3 国内外主要研究结论 1 3 3 1 引气剂引气机理 引气剂是指含有表面活性剂的一种化学外加剂，其表面活性剂聚集在空气一 水界面上，亲水基与水泥或其水化粒子相吸附，憎水基背离水泥及其水化粒子， 形成憎水化吸附层，并力图靠近空气表面，这种粒子向空气表面靠近的趋势以及 引气剂分子在空气水界面上的吸附作用将显著降低水的表面张力，使混凝土在 拌合过程中产生大量微细气泡，这些气泡有带相同电荷的定向吸附层，因而相互 排斥并能均匀分布；另一方面，许多阴离子引气剂在含钙量高的水泥水溶液中有 钙盐沉淀，吸附于气泡膜上，能有效的防止气泡破灭而使气泡稳定。表面活性剂 分子结构在某一端具有溶于水的化学基团( 亲水基团1 ，而另一端为水所排斥的 基团( 僧水基团) ，见图1 1 。表面活性剂分子有一种倾向：使其亲水基团整齐排 列于水中，而使憎水基团排列于空气中1 引。 鬃农篓壤厂错水基网 、一舅蜊蝴 - ) 袭鬻擂性分予缅) 穗窟鲸气泡 图1 1 微小气泡形成示意图 1 3 。3 。2 气泡稳定机理 ( 1 ) 引气剂含有表面活性剂，能够显著降低液一气界面张力，有助于减小气 泡直径，形成稳定的微小气泡。这些小气泡能降低表面能，其双膜间液体粘度较 大，比重较轻，使气泡膜中液体的流动速度及渗出的过程极为缓慢，形成亚稳定 的泡膜。测定表面张力过程中还发现引气剂所成膜还具有表面弹性，这将使得气 泡更具稳定性。 ( 2 ) 使气泡表层液膜之间产生静电斥力作用，减少小气泡因靠近而造成互相 兼并成大气泡的可能，提高了气泡的稳定性。同时增大了水化膜厚度及机械强度 作用，减少了气泡的兼并与增大，提高了气泡表面粘度及液膜弹性。 ( 3 ) 引气剂通过其极性基团可能吸附大量的水泥颗粒或者水泥水化颗粒使之 4 沉积于气泡表面，使气泡实际上成了气固液三相气泡。固体颗粒罩盖薄膜使气 泡表层膜厚度增大，机械强度和弹性提高n 3 1 。 1 3 3 3 引气混凝土工作性 引气混凝土工作性相对非引气混凝土的工作性大大改善，混凝土中加入引气 剂，随着含气量的增加，坍落度线性增大。引气混凝土坍落度增加的原因有两个： 一是引气剂具有减水作用，按其减水率折减其减水量；二是由于引气剂生成微气 泡的润滑作用，会使坍落度增大。引气还可降低新拌混凝土的坍落度损失。引气 混凝土静态流变学性质有显著改善。引气剂在混凝土中引入大量均匀分布、相 互独立的类球形微小气泡，在混凝土中起到了滚珠的作用，增加了浆体体积、浆 体粘度，使混凝土拌和物的和易性得到了极大的提高。在掺入引气剂后，增加的 气泡使得混凝土的内聚力和均匀性都增加- ，气泡黏结着固体颗粒可以减小其下沉 的趋势，同时也减小水的流动进而降低了混凝土的泌水和离析引。 1 振动粘度系数 文献资料指出，随含气量的增大，引气混凝土振动粘度系数先增大后减小， 在含气量为3 左右开始转变。振动粘度系数随含气量的变化规律，其原因在于： 由于掺加引气剂，含气量增加的同时，新拌混凝土内部表面张力在增加，拌合物 粘聚性增加，振动粘度系数增加，它有利于防止混凝土在运输、卸料、摊铺过程 中发生离析现象。当含气量大于3 时，表面张力扔在上升，但气泡的微珠效益 的作用更大，致使振动粘度系数下降。引气混凝土的可滑性、稳定性、易密性及 振动态流变学性能大大改善。 2 泌水性能 傅智等研究指出引气碎石混凝土随着含气量增加，泌水率明显线性下降，表 明引气混凝土能较好的控制新拌混凝土泌水和离析性能。泌水率下降意味着拌合 物的流浆离析减少，这将使混合料的匀质性更好。引气剂混凝土的泌水和离析减 少，表明它有较大的内聚性，混合料的稳定性大大增强。施工得到的混凝土匀质 性将更好，这将有助于改善硬化后的混凝土力学性能、路面板的抗破坏能力及耐 久性。 1 3 3 4 引气混凝土耐久性能 1 抗渗、抗冻性能及机理 引气混凝土具有较好的抗渗、抗冻性能，国内外对此研究都比较深入，目前 引气混凝土作为一种良好的抗渗、抗冻耐久性的材料广泛用于建筑工程。研究表 明这种良好的性能与其含气量有很大关系。杨钱荣研究指出，与同强度普通混凝 土相比，混凝土引气后，水渗透系数明显降低，尤其在中低强度( 2 5 4 5m p a ) 时 比较明显，引气混凝土的渗透系数为普通混凝土的1 5 左右1 。 黄士元教授研究表明，混凝土中引入4 的含气量，可使混凝土的抗渗性提 高越15 以上，原因是引气剂改变了混凝土的孔结构体系，形成了大量封闭孑l ， 同时在水泥颗粒表面上形成憎水膜，从而降低了毛细管的抽吸作用，有利于引气 混凝土的抗渗性能的提高n5 1 6 1 。 混凝土是一种非匀质材料，体内分布着大小不等的孔隙。其中有：凝胶孔、 毛细孔、沉降缝隙和接触孔、余留孔和施工孔隙等，这些孔隙为渗水形成通道， 成为影响渗水的原因。在引气混凝土中，由于引入气泡能提高混凝土的保水性、 减少因沉降和泌水造成的沉降缝隙、减少混凝土拌合物的用水量( 尤其是引气减 水剂) 、减少毛细孔数量和减小毛细孔直径，并且引入大量密闭状的微气泡可以 切断毛细管的通道、改善混凝土的和易性、减少施工孔隙，所以采用引气混凝士 技术能够提高混凝土的抗渗性1 。 关于抗冻机理，有关专家学者在引气混凝土研究过程中相继提出一些相似或 不同的观点。 一九四四年，h l k e n n e s y 在“波特兰水泥混凝土组成中的引气效果 一 文中首次提出引气混凝土中气泡的松弛应力作用机理n 引。其主要思想为：混凝土 中毛细管内有水水冻结时必然发生膨胀而出现冻胀应力，而引气混凝土中 存在的气泡可使冻胀应力松弛一一一若应力未超过某一临界值则混凝土不出现 冻害，即所谓气泡“卸压”的物理作用。这就是气泡松弛应力作用机理，也是现 行的普遍认同的引气混凝土抗冻机理。 在一九九零年，西北农业大学的沙际德同志对引气混凝土现行抗冻机理提出 五点质疑，并通过试验研究和理论分析提出如下观点：引气混凝土的抗冻问题实 质上不是一个物理力学问题，而应该是( 或主要是) 胶体化学问题引。在试验研究 中，他重新研究了引气混凝土中微小气泡的性质与状态，并赋予它新的解释，提 出了“滞点反馈 机理。“滞点反馈 机理可论述为：大量疏水性的可变形、变 位的微气泡，在本质上改观了孔隙的性质，这些对冰晶体的增长具有反馈能力的 滞点( 微气泡) 、几乎从根本上抑制了冻结过程；而有关气泡的尺度、密度以及表 面胶化特性，也正是这种抑制功能所需要具备的基本条件。 杨金兵，朱蓓蓉，黄士元等研究表明适量的含气量大幅度的提高混凝土的抗 冻性5 1 。 引气混凝土中大量均匀分布在水泥浆体结构中的微小气泡，可以缓冲或抵消 水结冰体积膨胀造成的静水压力、冰水蒸汽压差和溶液中盐浓度差造成的渗透 压，从而大幅度提高混凝土的抗冻性 1 。 综上所述，混凝土抗冻性的主要原因在于混凝土中存在孔隙水，在冻结过程 中孔隙水产生冻胀应力，应力超过某一临界值即出现冻害，混凝士在冻融循环下 不断受损而破坏。因此，引气混凝土的抗冻机理可论述为：在引气混凝土中，均 6 匀分布的微气泡能使因孔隙水冻结产生的冻胀应力得以松弛，并能减少孔隙水冻 结过程中的冻胀压和冰水蒸汽压及渗透压；水分子可以通过硬化后引气混凝土中 的许多气泡壁面间的裂隙和孔洞占领气泡的部分空间，所以微气泡空间能够缓冲 因冻结引起的静水压和渗透压；同时微气泡既可变位也可变形，能有效地阻止孔 隙水向冰晶体的移动，起到抑制冰晶体生长的作用，从而提高引气混凝土的抗冻 耐久性。 2 抗盐冻及抗盐结晶破坏性能 由于盐冻剥蚀破坏本质也是水结冰膨胀而破坏，引气同样对改善混凝土抗盐 冻性能有很好的效果，杨全兵，吴学礼，黄士元的研究表明引气剂能明显改善混 凝土的抗盐冻性能，并指出随着冻融循环次数的增加，不同含气量的混凝土抗 盐冻性的差异更加明显，引气剂的作用也更加明显n 9 。 杨钱荣，黄士元等的引气对盐结晶产生的膨胀破坏的影响研究指出，尽管引 气不能彻底解决硫酸盐结晶破坏问题，但引气混凝土因为引入的气泡对体积膨胀 起到了缓冲作用，所以有效的减小和延迟了盐结晶引起的破坏。 3 耐硫酸盐侵蚀和耐碱集料反应性能 混凝土的碱集料反应破坏，是由于集料的活性组分与碱组分发生反应导致混 凝土膨胀开裂，这种膨胀是源于集料相对于基体的膨胀。国外的实验研究表明： 引气混凝土的耐硫酸盐侵蚀和耐碱集料反应的性能优于非引气混凝土。朱蓓蓉研 究指出引气对碱集料反应的化学膨胀抑止作用十分明显，随着含气量的增加，试 件膨胀率显著降低。引气改善碱集料反应膨胀率的原因在于，引气剂产生的大量 微小气泡均匀分布在水泥浆体结构中，这些微小空间可以作为体积膨胀的“缓冲 阀”降低化学反应引起的混凝土破坏 1 。 4 抗氯离子渗透性能 杨钱荣，朱蓓蓉研究表明：在2 8d 等强度条件下，前3 5d 普通混凝土、引气 混凝土两种类型混凝土的c l 渗透深度相差不多，但随时间延长，引气混凝土的 抗c l 渗透性能显著提高。9 0d 时，引气混凝土的c l 。渗透深度是普通混凝土的 8 3 ；而到1 6 4 d ，比值达到了7 2 瞳。 5 抗碳化性能 杨钱荣，黄士元对引气混凝土的抗碳化研究表明：在2 8d 等强度条件下，混 凝土引气后( 引气混凝土和粉煤灰引气混凝土) 碳化深度低于普通混凝土的碳化 深度且随着时间增长这种趋势更加明显，碳化至1 2 5d 时，引气混凝土和粉煤灰 引气混凝土的碳化深度仅为普通混凝土的5 0 左右，而引气混凝土和粉煤灰引 气混凝土在同强度等级下的碳化深度差别不大，后者比前者略高一点n 1 。 6 抗裂性能 杨钱荣，黄士元的水泥浆体早期开裂性能研究指出，在水狄比相同的情况下， 掺引气剂可以使水泥浆体初始开裂时间延长，同时还可以降低净浆早期裂缝的宽 7 度，且随着引气剂掺量的增加效果越明显。当引气剂掺量大时，水泥浆体甚至不 出现开裂。掺引气剂不仅降低了水泥浆体早期开裂的敏感性，而且有助于抑制浆 体早期裂纹的发展，即引气可以明显地提高水泥浆体的早期抗裂性n 1 。 1 3 3 5 引气混凝土力学性能 1 抗折强度 傅智等试验研究表明：相同水泥用量和水灰比条件下，引气砾石混凝土抗折 强度与含气量之问是二次方关系，抗折强度较高时的含气量大约在3 6 之间。 引气与不引气的砾石混凝土抗折强度相比，抗折强度可提高15 2 0 。更多的 实验表明：相同水泥用量和水灰比条件下，碎石混凝土引气也得到基本相同的结 果心2 。中国水利水电科学研究院也得出了相同的实验结果；另外在振碾混凝土中， 引气混凝土强度提高效果显著。从图外所做实验可见，在中低抗折强度范围内， 有基本相同的实验结论心引。 2 抗压强度 傅智等引气混凝土实验研究表明：引气混凝土抗压强度随着含气量增大而线 性下降。国内外的实验都有相同结论心2 j 。 文献指出：在7 、2 8 d 时，含气量为4 的混凝土抗压强度已经超过了基准 混凝土。这说明在混凝土中引入一定量的气体对于混凝土的强度是有益的，并不 意味着只要引气，混凝土的强度就必然降低。他们研究认为，对于混凝土强度而 言，有一个最佳的引气量4 。当引气量大于4 时，引气即便可以改善混凝土 的孔结构，但是由于引入了过多的气体，使得气泡相互贯通，形成的孔较大，此 时对抗压强度不利心钆2 5 2 8 2 7 1 。 3 耐疲劳性能 l e e d 等人的研究结论是：在常规使用的混凝土含气量范围，含气量对引气 混凝土的抗折疲劳特性没有影响。在抗折强度提高的含气量范围内，不会对引气 混凝土的抗折疲劳特性带来负面影响心引。 1 3 3 6 引气混凝土变形性能 1 抗折弹性模量 国外的研究表明：引气混凝土的抗折弹性模量将随着其含气量的增加而下降 心引。傅智对引气剂掺量对引气混凝土抗折弹性模量的影响研究表明，随着引气剂 掺量的增加，抗折弹性模量下降较快。由于引气剂掺量与混凝土含气量之间存在 正比关系，因此，混凝土的抗折弹性模量也将随着其含气量的增加而下降1 。 2 千缩变形 干缩应变一般占混凝土温度和湿度应变的绝大部分，所以混凝土的变形性质 仅指其干缩变形。傅智等引气混凝土干缩性能实验研究表明，在控制混凝土等水 8 泥用量和等坍落度的条件下，引气混凝土干缩值随含气量的增大而先减小后增 大，2 8 d 的干缩值有一个低谷存在，大约在含气量2 4 时，干缩明显减小了， 6 的含气量与非引气混凝土干缩基本相同，这符合国内、国外一般实验规律 2 8 2 9 1 3 温度变形 温度变形比干缩变形小一个数量级，影响混凝土温度系数的因素除了集料的 种类外就是含气量。国外的研究表明，含气量增大、混凝土的热扩散系数和热传 导系数减小，这对暴露在日照下的水泥混凝土路面结构减小温升应力和温度翘曲 变形是有利的幢引。然而目前国内还没有具体的数据资料直接表明含气量与混凝土 导热系数及热扩散系数之间的关系。 4 干湿变形 研究表明，引气混凝土3 d 龄期的混凝土含气量越大，干湿变形也越大，这 主要因为含气量大，浆体增多，增加了早期的干湿变形。2 8 d 龄期以后，在含气 量小于6 8 的情况下，干湿变形随含气量的增加而减小，而当含气量达到lo ， 干湿变形又呈现增大的趋势阳引。 综上国内外关于引气剂、引气混凝土研究的主要结论，我们可知引气剂对混 凝土相对于非引气混凝土而言，不仅具有较好的抗冻性、耐侵蚀性等性能，还可 提高抗折强度( 界面结构和匀质性改善) ；引气剂具有减水作用，在混凝土中产 生大量直径在微米量级的微气泡具有润滑作用，使引气混凝土塌落度增加，改善 了新拌混凝土的静态流动性和可塑性，具有较好的易密性；表面张力增加，拌和 物粘聚性、振动粘度系数增加，有利于防止混凝土在运输、卸料、摊铺过程中发 生离析和泌水现象；微珠作用有利于新拌混凝土较快地被振捣密实，从而防止滑 模混凝土路面出现麻面现象，有利于提高混凝土抗渗性、耐磨性；由于引气剂的 减水作用，使单位用水量减少，同时微小气泡的堵塞作用，干缩变形现象明显减 小。从国内主要研究内容来看，有关引气混凝土的基本性能进行了相关的研究， 多数集中于与耐久性能相关方面，对热工、抗裂性能等研究还较少，相对国外研 究来讲，国内对引气混凝土的研究还不够系统全面，因此对引气混凝土的研究还 需进行较全面的研究，才能更深的认识引气混凝土，更广泛的应用并提高其性能。 1 4 本文研究的背景及目的意义 本文研究源于广东省清( 远) 连( 州) 一级公路升级改造( 高速) 项目( 简称“清连 高速化改造项目”) “旧水泥混凝土路面处治综合应用技术研究研究课题之子课 题“滑模引气混凝土应用研究 。 广东省清连高速化改造项目位于广东省清远市境内，是国道l0 7 线的组成部 分，也是广东省高速公路规划中“第六纵”和二广国家高速公路通道的重要组 9 成部分。本项目北起湘粤交界的风头岭，南止广东清远市郊的横荷，并与广清高 速公路连接，改造后高速公路全长2 4 4 4 9 公里，分双向四车道，设计速度为8 0 、 10 0k m h ，路基宽度为2 1 5 米、2 4 5 米，对旧路进行处治后，再加铺2 0 ( 2 2 ) c m 贫混凝士基层及3 0 ( 2 8 ) e m 水泥混凝土面板，路面施工要求采用滑模混凝土施工 技术进行路面铺筑。清远地处东经1l10 55 至ll3 0 5 5 ，北纬2 3 0 3l 至2 5 0 l2 之间，位于北回归线北侧附近，距南海约2 0 0 公里，一半以上地域是山区， 地势自西北向东南倾斜，以山地、丘陵为主，平原分布于北江两岸的南部地 区。属南亚热带季风气候区，年平均气温2 0 7 ，最低气温为1 月份，最高气 温为7 月份，年平均日照16 6 2 2 小时，年平均降雨量1 9 0 0 毫米，每年无霜期平 均为31 4 4 天。 预计我国高速公路通车里程将达到8 万公里，国家又启动村村通公路建设工 程，预计到2 0 2 0 年，中国高速公路通车里程达到l o 万公里左右。2 0 0 5 年，国 家年公布了国家高速公路网规划，这是中国公路网中最高层次的公路通道。 根据规划，将用3 0 年时间，形成8 5 万公里国家高速公路网。新路网由7 条首 都放射线、9 条南北纵向线和18 条东西横向线组成，简称为“7 9 18 网”。到2 0 0 8 年年底，国家高速公路网可达到4 9 万公里，在建1 4 万公里，还有2 3 万公里 未开工建设。2 0 0 9 年国家在公路等交通基础设施建设中投资巨大，尤其在高等 级公路建设中的投入，为加大加快公路建设做好了充分的准备，推动国内交通事 业的发展。 在如今高等级公路飞速建设的时机和环境下，要保证施工速度及路面质量， 就必须采用较先进的现代化的施工设备及技术，必须对路面材料进行严格控制， 提高其综合性能，为公路建设打好坚实的基础，目前滑模混凝土施工技术是世界 上最先进的施工技术，尤其对高等级公路而言，是不可多得的选择。滑模施工要 求路面混凝土必须掺加引气剂来改善混凝土性能，提高滑模施工路面质量。 路面引气混凝土的研究有利于提高清连高速化改造工程的建设质量与技术 水平，进一步提高路面的质量，延长路面的使用寿命，改善交通服务水平，为交 通及经济提供优质的服务，并具有较大的经济效益，也为广东省及全国的同类升 级改造项目提供借鉴和经验，对国内经济发展具有不可磨灭的促进作用。同时也 有利于国家公路事业的发展，有利于环境保护、能源的节约，有利于可持续发展 战略目标的实现，发展前景非常广阔。 目前国内对引气混凝土的研究尚不全面系统，尤其针对不同地区不同气候条 件下的研究不够充分，因此结合广东省清连一级公路改造项目进行研究很有必 要，为水泥混凝土材料在路面应用及滑模施工中质量控制提供重要的技术支撑， 补充当地条件下的滑模施工引气混凝土路面技术欠缺，并对国内引气混凝土的研 究及施工进行补充及提供参考。 1 0 1 5 本文主要研究内容及思路 根据国内外研究情况，结合广东省清连高速改造项目实际需要，本文主要对 以下内容进行研究： 1 外加剂与水泥相容性试验( 适应性) 研究。采用水泥静浆流动度试验方 法对研究所用的外加剂与水泥进行适应性试验，验证外加剂能否满足试验与工程 的需求。 2 含气量与外加剂掺量关系研究。研究所用外加剂在混凝土真实环境中其 引气量与掺量的关系如何，在保持水灰比、保持坍落度改变用水量等条件下，改 变外加剂的掺量，通过试验得出含气量与掺量的关系，为外加剂的正确使用提供 指导。 3 掺不同外加剂混凝土拌和物的工作性比较研究，在保持水灰比不变而改 变外加剂及掺量的条件下进行试验，以含气量、坍落度、粘聚性等作为评价指标， 分析比较掺不同外加剂混凝土拌和物的工作性。 4 对引气混凝土抗泌水性能、抗开裂性能、变形性能、热工性能等进行试 验研究。采用复合剂、单一引气剂及复合剂与引气剂复合使用等进行试验，分析 含气量与这几种性能之间的关系如何，并进行对比分析，得出引气对各性能的影 响机理，依据相应结论对混凝土耐久性配合比设计提出建议。 5 不同养护剂及养护方式的养护效果研究。采用不同养护剂及不同的养护 方式对引气混凝土进行平板开裂试验，分析对比不同养护剂及不同养护方式的养 护效果，为养护剂及养护方式的选择提供参考数据。 1 6 本章小结 本章对混凝土、引气剂及引气混凝土定义及发展等进行了简要介绍，对引气 剂引气机理、稳泡机理进行了必要阐述。通过搜集文献资料，整理了国内外对引 气剂及引气混凝土的研究现状以及目前已经取得的主要研究结论，在了解引气 剂、引气混凝土以及国内外对引气混凝土研究所得出的主要结论的基础上，结合 国家高速公路发展规划、清连公路建设实际情况等背景情况，明确了进行本次研 究的目的、意义