青藏高原地区平均海拔4 500 m以上，由于空气稀薄，太阳辐射强烈，部分地区年正负温天数达到180 d，因此，青藏高原混凝土结构物面临严重的冻融循环与盐冻破坏^[1,2]。通过使用引气剂(AEAs)在混凝土中引入大量稳定的微小气泡以缓冲冻胀压力是提高混凝土抗冻性能的重要措施之一^[3]。而在混凝土这种由集料-水泥-水组成的多相体系中引入微小气泡是一个复杂的物理-化学过程，引气剂是通过降低溶液的表面张力(化学过程)，在搅拌过程中裹挟、截留产生大量气泡(物理过程)，这其中还伴随着引气剂与水泥不断水化产生的分子或离子以及水泥颗粒进行反应或吸附(物理化学过程)，影响因素众多。关于引气混凝土含气量，国内外已做了大量研究。Mielenz R C等^[4]详细研究了气泡在新拌混凝土中的产生机理及其在混凝土凝结硬化前融合破灭等现象，并对影响引气混凝土中气泡形成及稳定性的主要因素，如引气剂类型、水灰比、成型方式等进行了系统研究^[5,6,7]。Pigeon M ^[8,9]、Sp Rel F^[10]以及Macinnis C^[11]分别对超塑化剂以及矿物掺合料对引气剂引气能力及气泡稳定性的影响进行了研究。此外，Hover K C^[12]、刘艳霞^[13]也对混凝土成型方式、振捣时间等因素对新拌混凝土含气量的影响进行了专门讨论。而关于混凝土气孔结构特征对抗冻性的影响也已进行了大量研究并指出了满足抗冻性的混凝土内部气孔结构参数的参考值^[14,15]。

青藏高原地处高海拔，大气稀薄气压低，是否会对混凝土中引气剂的引气能力以及硬化混凝土中的气孔结构产生影响，这方面的研究成果鲜有报道。为此，本文通过降低搅拌气压来模拟高原地区气压环境，研究低气压对新拌混凝土含气量及硬化混凝土气孔结构的影响。 1 试验方法及原材料 1.1 试验方法

本次试验选用4种不同类型引气剂，3种基准混凝土，并定义常压下每种配合比混凝土含气量为初始含气量，试验时初始含气量分别为3%，5%和7%，即通过分别调整引气剂各自掺量保证每种塌落度水平下4种引气混凝土出机时含气量接近初始含气量值，试验中确保含气量偏差不超±0.3%。试验中原材料及混凝土搅拌温度均为20 ℃。新拌混凝土含气量测定仪器为日本SANYO直读式混凝土含气量测定仪，仪器精度±0.2%。硬化混凝土气孔分析采用丹麦Air-rapid 457硬化混凝土气孔分析仪。为模拟高原不同海拔高度环境气压，通过上海林频仪器股份有限公司生产的低气压试验箱设置不同搅拌气压，低气压试验箱压力偏差±1.8 kPa，温度偏差±0.5 ℃(图 1)，大气压与海拔高度之间的关系如图 2所示，试验设定气压值分别为101，80，60 kPa和50 kPa，分别代表海拔高度为0，1 960，4 230 m和5 605 m。

图 1 试验设备及操作示意图 Fig. 1 Test apparatus and schematic diagram of operation

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图 2 气压与海拔高度的关系 Fig. 2 Relation between air-pressure and altitude

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新拌混凝土含气量测试流程：将原材料装入搅拌机在低气压试验箱内干拌15 s，引气剂溶解后与水装入水箱内，搅拌过程中由电磁阀控制水箱出水→将箱门关闭，设定指定气压和温度，启动低气压试验箱，待气压温度达到设定值后稳定1 min→开启搅拌机开关同时将电磁阀打开加水搅拌混凝土，待水全部加完后计时，120 s后关闭搅拌机与低气压试验箱→快速升压后在5 mins内完成对混凝土含气量进行的测试。关闭箱体后的试验过程均通过箱内安装摄像头，外接计算机进行控制，见图 1。

硬化混凝土气孔分析测试流程：待新拌混凝土含气量测试结束后入模(100 mm×100 mm×100 mm)，1 d后拆模标准养护28 d→按照ASTM C457规范中规定的直线导线法对硬化混凝土进行气孔参数分析。 1.2 原材料

水泥为金隅牌P.O 42.5水泥，各项性能均满足要求；砂子为中砂，细度模数2.6，含泥量1.1%，石子为粒径5~20 mm的石灰石碎石，含泥量0.7%；水为饮用水。外加剂为本次试验选用目前较为常见的4种引气剂，分别用a，b，c和d表示，其中a为皂甙类引气剂，粉末，属非离子型表面活性剂；b为JDU引气剂，粉末，属改进阴离子表面活性剂；c为松香热聚物类引气剂，液体，属于阴离子型表面活性剂；d为聚醚类引气剂，液体，属合成非离子型表面活性剂。4种引气剂均满足JT/T 523—2004《公路工程混凝土外加剂》规范中对引气剂的性能要求。已有研究表明减水剂以及矿物掺合料的使用均会对引气剂引气能力及气孔结构特征产生影响，因此，为避免干扰，本次试验混凝土各配合比中均未掺减水剂及矿物掺合料。

由于混凝土流动性也是影响气泡结构稳定性的重要因素，为此，本次试验配置了3种不同塌落度水平的基准混凝土，见表 1。

为尽量减少误差对测试结果准确性的影响，每种情况下新拌混凝土含气量均测试3次取平均值，且保证标准偏差(SD)控制在0.37%以内。试验结果表明：与常压搅拌测试结果相比，4种引气剂的引气能力均随搅拌气压的降低而受到了不同程度的削弱，从而证明环境气压会对引气剂引气能力产生重要影响，见图 3。为考察低搅拌气压造成引气剂引气能力下降的程度，此处视常压搅拌混凝土含气量值为1，对各低压条件下的混凝土含气量值进行归一化处理(表 2~表 3)。同时，由图 3发现，随搅拌气压降低含气量的减少基本呈线性递减，通过拟合得到不同引气剂在不同初始含气量和塌落度水平条件下各自含气量随搅拌气压降低而下降的关系曲线，见表 4。

图 3 引气剂引气性能随搅拌气压变化趋势 Fig. 3 Tendency of air-entraining performance of air-entraining agent varying with air pressure of mixing

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总体上说，4种引气剂引气能力随搅拌气压降低的趋势为：当初始含气量接近时，塌落度越大，新拌混凝土含气量随搅拌气压降低而减少的速率越小；对同一配合比的新拌混凝土，初始含气量越大，新拌混凝土含气量随搅拌气压降低而减少速率越大。

由于影响新拌混凝土含气量的因素众多，且气泡的形成及其稳定性是一个较为复杂的物理化学过程，目前虽对其已进行大量研究，但在评价各因素影响时仍采用定性分析的办法。因此，本文在解释环境气压对新拌混凝土含气量影响时也仅作试探性讨论。

为尽量排除其他因素对新拌混凝土含气量的影响，本文试验仅改变搅拌气压和引气剂类型，结果发现对每种引气剂，含气量均随环境气压的降低呈递减趋势，可见低搅拌气压对引气剂的引气能力有削弱作用。一般来说，造成新拌混凝土含气量降低的原因主要有两方面：(1)引气剂起泡能力较弱，引入气泡数量有限；(2)引入的气泡稳定性较差，气泡膜强度低，易于破裂。引气剂作为一种表面活性剂，是通过降低液体的表面张力来使气泡易于形成，而表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力，通常由于环境不同，界面分子与相本体内分子所受力是不同的。气压降低时，空气稀薄，气体分子间距增大，吸引力减弱，而液体密度受气压的变化微乎其微，此时处于液-气界面上的分子受到液体分子的拉力显然要高于常压情况，即低压下液体的表面张力值偏大，这样就相当于变相削弱了引气剂的引气能力，从而影响引气效果，导致混凝土含气量降低。此外，引气剂在新拌混凝土中引入大量微小气泡将大大增加液-气两相之间的界面面积，从而使整个新拌混凝土内部气泡结构在热力学上是不稳定的(unstable)。在混凝土凝结硬化前的搅拌和静置过程中，气泡将会不断出现溢出、溶解以及融合等现象，尤其当含气量较高时，如本次试验中7%和5%的情形，系统将更加不稳定，低气压下增大的液体表面张力，使得气泡更易破裂，气泡损失严重。因此，对于每种引气剂，在塌落度水平接近的条件下，初始含气量水平越高，随气压降低含气量值下降程度越大(K值越大)。但在初始含气量水平较低时(3%)，随气压降低含气量值下降的趋势将大为减弱，这是由于在新拌混凝土中，有一大部分气体是因机械裹挟截留于混凝土内部，如本文所用的3种基准混凝土的含气量为达1.3%~1.5%，这些气体主要是由物理作用产生，与引气剂关系不大，受外界气压影响很小。这样，在高原地区浇注引气混凝土时应注意，要使混凝土含气量达到设计值，需针对当地气压条件，相较于常压情况适当增加引气剂掺量。同时，本次试验中还发现，当引气混凝土初始含气量水平接近时，塌落度越大其抵抗因环境气压降低造成含气量降低的能力越强(K值越小)。原因可能是由于当胶凝材料用量接近，砂率相同时，增加水灰比使得液-气接触界面也相应增加，在引气剂的作用下利于形成气泡，从而在一定程度上减缓了因气压降低引起的新拌混凝土含气量减小的现象。 2.2 低气压环境对硬化混凝土气孔结构的影响 2.2.1 试验结果

以往研究表明，决定引气混凝土抗冻性能的关键指标并不是新拌混凝土含气量的大小，而是硬化后混凝土内部气孔结构，目前主要通过气泡间距系数、气泡比表面积以及气泡平均直径3个参数来表征混凝土内部气孔结构特征，其中气泡间距系数被认为是决定混凝土抗冻性的最关键指标且研究指出当混凝土中气泡间距系数小于200~300 μm时混凝土具有优良的抗冻性能。低气压的搅拌环境可以显著降低新拌混凝土的含气量，但显然人们更关注的是低气压对于气泡结构特征的影响，为此，本次试验测试得到了常压与低压(60 kPa)搅拌下硬化混凝土的气孔结构参数，见表 5~表 6。

由试验结果(表 5)可明显看出，在保证引气剂掺量相等的情况下，不同搅拌气压会导致低压硬化混凝土中气泡个数明显少于常压条件下硬化混凝土中的气泡个数，低压下硬化混凝土含气量也明显少于常压下硬化混凝土含气量，这与上节中新拌混凝土含气量随气压降低而减少的测试结果一致，气泡个数的不足显然也增加了气泡间距系数值。同时采取低压下增加引气剂掺量的方式保证硬化混凝土含气量与常压下低掺量搅拌得到的硬化混凝土含气量接近，通过测试各自硬化混凝土气孔结构参数时发现(表 6)，达到同样的含气量，低气压下搅拌后硬化的混凝土气孔结构参数整体要劣于常压下搅拌的硬化混凝土，表现为气泡间距系数偏大，单位体积气泡数量较少，气泡比表面积及气泡平均直径增大的特点。造成上述现象的原因可能是由于低气压下液体界面特性的改变(液体表面张力值可能增大)使得气泡膜变薄，膜强度不足易于发生破裂，气压的降低使得最终保留在混凝土中的气泡显著减少，同时大直径气泡的比例提高，这样造成气泡间距系数增大，比表面积增加。这样，如在低压(高原地区)条件下使混凝土含气量达到满足规范抗冻混凝土要求的含气量水平，其抗冻性能未必满足，因为低气压搅拌会对引气混凝土气泡结构产生不利影响，但总体上看，当混凝土含气量达到一定值后，低压混凝土的气泡间距系数可以达到在200~300 μm之间，但此时应注意引气剂的掺加对强度的损失情况。 3 结论

(1)高原地区浇注引气混凝土时，环境气压的降低能够显著削弱引气剂的引气能力。当搅拌气压降低至50 kPa时，混凝土含气量降低约20%~49%。

(2)混凝土配合比一定时，混凝土含气量随环境气压降低呈线性减少。初始含气量越高，随环境气压降低含气量减少速率越大。塌落度越大的混凝土抵抗因环境气压降低造成含气量降低的能力越强。

(3)低气压下搅拌后硬化的混凝土气孔结构参数整体要劣于常压下搅拌的硬化混凝土，表现为气泡间距系数偏大，单位体积气泡数量较少，气泡比表面积及气泡平均直径增大的特点，但总体上看，当混凝土含气量达到一定值后，低压混凝土的气泡间距系数可以达到在200~300 μm之间。