0引 言
在寒冷地区，尤其是含盐或存在盐冻条件下，盐冻剥蚀破坏是导致工程结构失效的重要因素，所以探讨抗盐冻水工混凝土具有重要意义。当混凝土中含有大量微小气泡时，这些气泡可以在基体中形成分散的微孔结构，不仅可以减少内部有效孔隙尺寸，还能够有效地限制水分和冻融循环形成的冰晶扩展，从而降低冻胀破坏的风险。此外，气泡的存在还可以缓解混凝土在受力时的应力集中，从而降低裂纹的形成和扩展，从而改善混凝土的整体耐久性。气泡还有助于减少混凝土中水的吸收率，从而降低冻融循环中水的渗透深度，在防止混凝土表面或内部腐蚀和损坏方面尤为重要，可进一步增强水工构筑物的耐久性和抗风化能力。研究显示，混凝土中气泡间距的平方与毛细管内水结冰形成的静水压力呈正比，即静水压力随气泡间距的增大而明显增加，由此导致的冻融破坏作用力也就越高，这表明气泡结构参数及含气量直接决定着抗冻性能，并且混凝土的密闭性能、孔径的大小以及数量也显著影响着其抗冻性。
目前，主要通过优化各组分配合比、添加粉煤灰和提高水泥质量，以及重新调整孔隙级配，改变不同尺寸孔的数量等方法来改善混凝土抗冻耐久性。鉴于此，文章以含气量为变量，试验探讨了水工混凝土气泡结构参数、抗冻性能以及力学性能受含气量的影响作用，旨在获取参考性更好、实用性更强的气泡参数指标和最优含气量。
1材料与方法
1.1原材料
水泥：大连小野田产的华日牌P·O42.5级普硅水泥；
细骨料：浑河优质河砂，含泥量1.6%，细度模数2.7；
粗骨料：鹏程石料厂产的石灰岩碎石，含泥量0.8%，吸水率2.4%，压碎值6.1%，有10～20mm和5～10mm两种粒径；
矿粉：山东博肯硅材料厂生产的Ｓ95级矿粉，比表面积455m2/kg；
粉煤灰：大发热电厂产的Ｆ类Ⅱ级灰，密度2.1g/cm3，烧失量1.3%，细度21.2%；
外加剂：GYQ-Ⅰ高效引气剂和QW-4聚羧酸高性能减水剂，推荐掺量2.0%，减水率＞28%。
1.2配合比设计
采用已选取的水泥、骨料、掺合料和外加剂，根据设计强度要求，参考以往试验数据和相关经验公式确定水胶比0.45。然后考虑流动性、抗裂性、耐久性和均匀分布等要求，确定粗细骨料和掺合料的最优掺配比例，以推荐掺量确定减水剂用量，调整拌合物初始坍落度为（200±20）mm，基于经验公式计算的配合比如表1所示。
1.3测试方法
1）初始坍落度测试流程如下：①在平整、非吸水性的地板上放置一个底部直径较小、顶部直径较大、高度30cm的锥形模具。②将拌合物分3个大致相等的层次倒入模具中，每一层都要用振动棒紧实。③移除模具，并沿垂直方向用直尺测量混凝土的坍落度（即抽取模具后下降的高度。
2）采用HC7L便捷式测定仪进行含气量的测试，其主要步骤如下：①选取已搅拌均匀的混凝土，取样过程中要尽量避免剧烈振动；②准备一个称重容器，称量其空重记为m1，将混凝土放入容器中使其充满，但不溢出边缘，并测量容器加入样品后的总重量记为m2；③将装有混凝土的容器完全密封，确保不会与外界空气接触，将密封后的容器浸入水中使其完全被水包围，然后向容器中施加压力促使混凝土中的空气完全排出，并在饱和状态下维持10～15min，确保内部气泡完全被饱和水取代；④从水中取出容器和样品，将其放在高温下（105℃）烘干直至水分蒸发完全，室内静置至常温，并重新称重记为m3，采用以下公式计算含气量W：
3）力学性能测试流程如下：①根据设计配合比将称量好的原材料倒入搅拌机，加水搅拌180s至均匀，之后装入边长100mm的立方体试模，模具内预先涂刷一层脱模剂；②在振动台上轻轻振动模具，使混凝土充分填充密实，并用刮板将表面整平，在模具上标记编号与日期等相关信息；③采用塑料薄膜覆盖试件表面，带模室内常温养护24h后脱模，将脱模后的试件移入标养室养护至设计龄期，通过万能压力试验机测试其抗压强度。
4）抗冻性能的测试步骤如下：①将拌合均匀的混凝土装入400mm×100mm×100mm的棱柱体试模，并进行振动、带模成型养护、脱模和标准养护；②将标养至24d的试件取出浸入水中养护4d，使其达到饱水状态；③采用NJW-HDK-9型快速冻融试验机，设定快冻时间4h＋升温融化时间1h为一个冻融周期，每冻融25次测定一次质量损失率和相对动弹模量P，并以P减少到60%作为试验终止条件。文章选用耐久性系数DF来表示抗冻性能，其计算式如下：
式中：P、N为冻融循环Ｎ次时的相对动弹模量以及相对动弹模量减少到60%以下时的冻融次数。
5）气泡间距系数的主要测试步骤为：①将养护至规定龄期的边长为100mm的立方体试件，沿平行浇筑面切割成25mm×100mm×100mm的薄片状，然后对测试面用400＃、800＃金刚行研磨抛光；②对测试面涂刷颜料，使用粉磨填充表面孔隙后刮平，从而完成样品的处理。③采用显微镜观测处理好的试件，用低入射角强光照射测试面，如果除骨料孔隙与气泡界面外，测试面气泡的视域平整且边缘清晰，可以观测到截面约10μm的气泡，则判定该组试件合格，并测定相应的气泡间距系数。
2结果分析
2.1宏观力学性能
新拌混凝土初始坍落度、含气量以及冻融循环300次时的气泡间距系数、抗冻性能试验数据如表2所示，28d抗压强度与含气量之间的关系如图1所示。
由图1可知，水工混凝土28d强度随含气量的增大表现出先上升后下降的变化趋势，含气量为5.5%时的28d强度达到最高。这是因为引气剂的掺入能够形成许多孔径均匀的微小气泡，有利于优化内部气孔结构，从而承受更大的应力作用，所以抗压强度提高，而引入的气泡过多会降低整体密实度，实际工程中要控制含气量处于合适的范围。
2.2抗冻性能分析
水工混凝土抗冻性与含气量大小密切相关，均匀分布的微小气泡能够优化内部孔结构，增强基体的变形和抗冻能力，有利于提升抗冻耐久性。冻融达到300次时动弹模量变化规律如图2所示，结果发现在一定范围内，随着含气量的增加，相对动弹模量会增加，这是因为气泡的存在减少了材料的刚度，使其更加柔韧，然而当含气量超过某个临界值（5.5%）时，气泡聚集会削弱材料的整体结构，导致相对动弹模量下降。在含气量较低时，气泡可以作为“发泡剂”，提高混凝土的工作性和流动性。但随着含气量的进一步增加，若在骨料与水泥砂浆的界面处形成大量的气泡，这些气泡会削弱界面过渡区的黏结强度，从而降低材料整体强度。
2.3气泡间距系数及其影响
混凝土气泡间距系数随含气量的变化规律如图3所示，结果显示气泡间距系数随含气量的增加表现出先下降后上升的变化趋势，在含气量为5.5%时达到最小值145.572μm，进一步增加含气量至7.6%，相应的气泡间距系数则快速上升到190.335μm。究其原因是引气剂所引入的气泡直径以10μm～1mm为主，随着引气剂掺量的增加，混凝土中的气泡数量会增加，这导致气泡间距系数的降低。当掺量过高时，尽管混凝土中气泡的总数量增加，但由于大气泡的存在，气泡间距系数变大，反而会降低抗冻性能，这是因为大气泡会在冻融循环中形成较大的内部应力集中区域，增加混凝土内部的损伤风险。
一般来说，当气泡间距系数较小时，表示混凝土内部的气泡分布较为均匀，这种均匀的分布可以有效减少冰晶在混凝土内部的扩展，从而降低冻融造成的损害，提高其抗冻性能。反之，气泡间距系数较大时，表示混凝土内存在大气泡或者气泡分布不均匀，这会增加冰晶扩展的难度，导致混凝土在冻融循环中易于产生裂纹和损伤，从而降低其抗冻性能。因此，良好的气泡间距系数通常反映混凝土内部气泡的均匀分布和适当的大小，有助于防止大气泡的形成，减少冰晶的形成点，从而提高整体抗冻性能。
3结 论
1）随含气量的增加，水工混凝土抗压强度先增后减，在5.5%含气量时达到最优。抗冻性能随含气量的增加而增强，冻融300次情况下，随含气量的增加相对动弹模量呈先增加后减少的变化特征，在含气量为5.5%时达到最高，超过该界限值则表现出减少趋势。
2）气泡间距系数随含气量的增加表现出先下降后上升的变化趋势，在含气量为5.5%时达到最小值145.572μm，进一步增加含气量至7.6%，相应的气泡间距系数则快速上升到190.335μm。水工混凝土抗冻性能不仅与含气量有关，气泡的分布、大小等特征参数也与抗冻性存在一定的对应关系，这也是影响抗冻性的重要参数，今后仍需考虑气泡特征参数进一步深入探究其影响机理。返回搜狐，查看更多
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