混凝土预制件表面气孔影响因素分析

熊炎平 殷素红 黄栩鹏

（1 中铁二十三局集团轨道交通佛山工程有限公司；2 华南理工大学材料科学与工程学院）

0 引言

随着我国装配式建筑的发展，混凝土预制件的生产与应用越来越广泛。外观质量是混凝土预制件质量评定的重要指标，表面气孔是混凝土最常见的外观缺陷，笔者结合多年的预制盾构混凝土管片生产经验及多家管片生产厂家的调研发现，混凝土的表面气孔外观质量主要受其组成材料、配合比、浇筑振捣工艺及脱模剂性能的影响。本文通过对文献检索和生产经验总结，分析了这四个主要因素对混凝土表面气孔的影响，可为实际工程中改善混凝土的表面气孔状况提供一定的指导。

1 混凝土表面气孔的影响因素

1.1 组成材料

组成材料水泥对混凝土表面气孔的影响主要与其粉磨过程中添加的助磨剂、水泥的细度和熟料矿物组成有关。有些水泥厂为了提高粉磨效率、增大水泥细度和降低生产能耗，往往在水泥熟料粉磨时添加一些三乙醇胺、乙二醇等助磨剂，这些物质大多属于表面活性剂，具有一定的引气功能，会增加新拌混凝土的含气量，使混凝土表面气孔形成的机率增大[1]。当水泥细度过细，C3A含量较高时，水泥早期水化速率较快，使新拌混凝土塑性粘度较大，导致浆体中的气泡在振捣的过程中难以排出至空气中，也会增大表面气孔形成的机率。谢华伟[2]选用了几种强度等级相同，但生产厂家不同的水泥，其他条件控制一致，比较了混凝土试件脱模后的表面气孔状况，结果表明水泥种类对混凝土表面气孔有一定的影响，由于水泥的生产厂家不同，水泥中的助磨剂、细度和熟料矿物组成都会存在一定的差异，因此混凝土的表面气孔状况不同。由此可见，组成材料水泥，主要是通过影响新拌混凝土的含气量、塑性粘度，从而影响混凝土的表面气孔状况。选择细度和C3A 含量适宜的水泥，可在一定程度上改善混凝土的表面气孔外观质量。

骨料的含泥量、颗粒级配和颗粒形状对混凝土表面气孔状况有重要的影响。骨料中的含泥量会提高新拌混凝土的塑性粘度，使混凝土浆体中的气泡难以排除，从而增大混凝土表面气孔形成的机率。骨料级配不合理、粗骨料中针片状颗粒含量较多会导致混凝土的和易性较差，骨料难以达到紧密堆积，新拌混凝土内部空隙大，为气泡的产生提供了更多的空间；且在相同的振捣时间下，混凝土达到密实所需时间较长，而使气泡向上排出的时间有所变短，从而使得表面气孔的数量增多[3,4]。由此可知，组成材料骨料，主要通过影响新拌混凝土塑性粘度、含气量和混凝土内部气泡的排出，进而影响混凝土的表面气孔状况。宜选择含泥量低、粒形好、级配连续的骨料，在一定程度上能改善混凝土的表面气孔状况。

矿物掺合料会影响新拌混凝土的塑性粘度，从而影响混凝土的表面气孔状况。粉煤灰、矿渣粉、微珠粉等掺合料，其浆体的塑性粘度一般低于水泥浆体的塑性粘度。笔者的研究结果表明，在水胶比为0.4 时，测得水泥浆体的塑性粘度为1.00Pa·s，粉煤灰浆体的塑性粘度为0.43Pa·s，因此掺入这些矿物掺合料有利于新拌混凝土塑性粘度下降，尤其是掺量较大时，使混凝土浆体中的气泡更易排出。硅灰作为矿物掺合料，其比表面积非常大，早期水化活性高，会使新拌混凝土塑性粘度变大，因此不宜多掺，掺量一般不超过10%。

外加剂为表面活性剂，混凝土的表面气孔外观状况与掺入外加剂的种类和掺量有关。新拌混凝土的含气量一般随着减水剂、引气剂掺量及减水剂中引气组分含量的增加而增加，对于引气剂而言即使很低的掺量也会显著增加新拌混凝土的含气量，而消泡剂一般在低掺量下就能够显著降低新拌混凝土的含气量[4]。减水剂、引气剂带入的微小气泡可以起到润滑作用，减少混凝土各组成部分之间的相对摩擦，降低新拌混凝土的塑性粘度[5]。王迎春等[6]研究了不同品种减水剂在相同掺量下对混凝土表面气孔的影响，结果表明使用木钙类普通减水剂的混凝土表面气孔数量较少，使用萘系高效减水剂的表面气孔数量较多，掺入减水剂的混凝土表面气孔数量是不掺减水剂混凝土的3.5 倍。

当聚羧酸减水剂的掺量增加时，絮凝结构中的水被释放出来，使得新拌混凝土的塑性粘度下降，流动性显著提高，混凝土浆体中的气泡容易在振捣的作用下排出至空气中，表面气孔的数量减少[7]。当减水剂掺量进一步增加时使混凝土的含气量增大，导致混凝土表面易形成更多的气孔。Liu 等[8]探究了聚羧酸减水剂掺量对混凝土表面气孔面积比与气孔最大直径的影响，研究结果显示随着减水剂掺量的增加，混凝土表面气孔面积比呈现先降低后增加的趋势，而气孔最大气孔直径先降低后趋于稳定。杨忠等[9]研究了引气剂掺量对混凝土表面气孔的影响，结果表明随着引气剂掺量的增加，新拌混凝土的含气量增大，混凝土的表面气孔数量也越多，含气量为2.5%的混凝土表面气孔的数量明显少于含气量为6.5%的混凝土表面气孔的数量。消泡剂也是一种常用的外加剂，具有抑制混凝土中气泡的产生或使原有气泡消失的作用，大多为表面活性剂，消泡剂掺入混凝土后会吸附在气泡液膜表面，使液膜局部表面张力下降，气泡由于受力不均匀而容易在外力的扰动下破裂[10]。当混凝土含气量过大时，可以掺入消泡剂降低混凝土内部气泡的数量，从而改善混凝土的表面气孔外观质量。由此可知，掺入减水剂、引气剂，可以降低新拌混凝土的塑性粘度，有利于改善表面气孔状况，但同时会增加混凝土含气量，又对表面气孔产生不利影响，因此要综合考虑其对混凝土表面气孔状况的影响，采用适宜的外加剂及其掺量。

1.2 配合比

水胶比是影响新拌混凝土塑性粘度最主要的因素，从而显著影响混凝土的表面气孔状况。水胶比过小时，新拌混凝土的塑性粘度较大，在相同的振捣时间下，一方面使浆体更难填充整个模具表面，使表面不规则的大气孔数量增多，另一方面混凝土浆体中的气泡很难向上排出，易停留在模具与混凝土界面上，使表面小气孔的数量增多。水胶比过大时，过多的自由水容易在振捣过程中吸附在模具与混凝土之间，待混凝土硬化后水分蒸发就会在表面形成更多的气孔[11]。因此，在一定的振捣时间下，只有适宜的水胶比，才能使混凝土的表面气孔外观质量最佳。罗源兵等[12]研究了水胶比对清水混凝土表面气孔外观质量的影响，设计了水胶比从0.30 到0.36 四组对照试验，结果表明随着水胶比的增大，混凝土表面气孔面积比先减少后增加，水胶比为0.32 时，气孔面积比最小，水胶比0.30 时，气孔面积比最大。

砂率主要通过影响新拌混凝土的含气量和混凝土内部气泡的排出，进而影响其表面气孔状况。砂率过小，一方面砂子不足以填充石子堆积的剩余空隙，导致混凝土内部形成的空隙大，为内部气泡的产生提供了更大的空间；另一方面混凝土在振捣的作用下难以密实，相同振捣时间下，混凝土达到密实所需时间更长，而使内部气泡排出的时间更短，从而导致混凝土表面形成较多的气孔[13]。相反砂率过大时，骨料的比表面积变大，导致骨料表面的水泥浆厚度减小，易造成新拌混凝土流动性变差，使浆体中的气泡不易排出，最终在表面形成更多的气孔[14]。因此，只有适宜的砂率，才能使混凝土表面气孔外观质量最佳。罗源兵等[12]探究了砂率对清水混凝土表面气孔的影响，设计了砂率从44%到52%五组试验，研究结果显示随砂率的增加，混凝土表面气孔面积比先降低后升高，砂率为50%时，混凝土表面气孔面积比最小。

1.3 浇筑振捣工艺

浇筑振捣工艺主要通过影响混凝土浆体中气泡的排出，进而影响混凝土的表面气孔状况。在振捣的作用下，粗骨料之间的内摩擦力下降，骨料颗粒互相靠拢紧密，砂浆填充骨料之间的空隙，且气泡随着砂浆向四周扩散并迁移到混凝土表面，大量独立存在的气泡可能在振捣过程中相遇，并合并成更大的气泡，但直径越大的气泡其稳定性越差，在外界的扰动下越容易排出或破裂[15,16]。由于混凝土预制件大多体积较大，生产时混凝土的坍落度较低且内部钢筋十分密集，导致振捣器的能量在混凝土内部衰减大，振捣的有效距离变短。因此，混凝土浇筑时应分层浇筑和振捣，避免因浇筑分层的厚度偏大，混凝土浆体难以填充，气泡排出需要运动的行程长，从而使混凝土表面气孔数量增加。文献研究结果表明随着浇筑层厚度的增加，混凝土的表面气孔数量和气孔直径都有变大的趋势[17]。振捣器的振捣频率和有效振捣距离也是影响气泡排出的重要因素，手执振捣器可以调节振捣频率和振捣位置，有利于充分振捣排出气泡，而附着式振捣器位置固定，需要合理设计安装位置保证有效振捣。振捣时间也是影响混凝土浆体表面填充与表面气泡排出的重要因素，振捣时间太短浆体未完全填充模具表面且浆体中的气泡难以排出而停留在混凝土表面形成气孔，振捣时间太长混凝土容易离析和泌水，容易留下水孔，因此存在一个合适的振捣时间使混凝土表面气孔的数量较少。

1.4 脱模剂

混凝土表面气孔存在于混凝土与模具之间，使用优质的脱模剂可以极大地改善混凝土的表面气孔外观质量[18]，脱模剂主要通过影响混凝土表面气泡的排出与破裂，进而影响混凝土的表面气孔外观质量。不同种类脱模剂与模具表面气泡的相互作用方式不一样，使得对混凝土表面气孔外观质量的影响也存在显著差异[19]。矿物油类脱模剂的粘度较大，涂刷在模具表面后对气泡的吸附作用强，迁移至模具表面的气泡难以向上排出，脱模后的混凝土表面气孔外观质量较差[20]。使用乳液类脱模剂，一方面兑水后其粘度较低且含有大量水分子，气泡液膜表面的疏水基团与水分子之间存在排斥力，使表面气泡向上排出更为容易；另一方面由于乳液脱模剂中含有表面活性剂，其表面张力比气泡液膜吸附的减水剂分子的表面张力更低，会替代气泡液膜表面的减水剂分子[21]，使液膜局部表面张力下降，气泡由于受力不均匀而破裂，该空间被浆体填充，因此混凝土的表面气孔外观质量较好。乳液类脱模剂的兑水比例也是影响混凝土表面气孔的重要因素，兑水比例较大时容易产生流挂现象，从而导致所成膜的均匀性较差，不利于模具表面气泡的排出，兑水比例较小时粘度较大，与模具表面气泡的摩擦阻力大,气泡沿着模具表面向上排出较为困难，不同种类的乳液类脱模剂其最佳兑水比例不同[21,22]。油漆类脱模剂涂刷在模具表面后，会形成一层较薄的憎水固体膜，该固体膜与气泡之间的摩擦阻力小，迁移至模具表面的气泡向上排出较容易，混凝土表面气孔的数量也相对较少。张保童[23]研究了苏博特公司生产的油性脱模剂、乳液类脱模剂、液压油和花王乳液类脱模剂等4 种常用的脱模剂对清水混凝土表面气孔外观状况的影响，结果表明使用乳液类脱模剂的混凝土外观质量明显优于油性脱模剂和液压油，混凝土表面基本上没有大气孔。

2 结语

混凝土组成材料、配合比、浇筑振捣工艺和脱模剂是影响混凝土预制件表面气孔状况的主要因素，主要通过影响新拌混凝土的含气量、塑性粘度、混凝土内部气泡的排出和混凝土表面气泡的排出与破裂过程，进而影响混凝土的表面气孔状况。对于工程上混凝土的表面气孔外观质量问题，应认真分析其产生的原因，对症采取合适的措施，将表面气孔控制在一个合理的范围。