混凝土中气泡的形成与稳定性及其对含气混凝土性能的影响：最新研究综述

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Formation and stability of bubbles in concrete and their influence on the performance of air-entrained concrete: A state-of-the-art review

高海拔低气压环境下空气引气剂对混凝土抗冻性和流变性能的影响研究。通过分析气泡形成机制、稳定性及参数与流变模型的关系，提出优化策略以提升高原混凝土耐久性。

　　

黄星杰|胡翔|侯赛尼·阿卜杜拉希·乌马尔|白天文|史才军

湖南大学土木工程学院，中国长沙410082

摘要

在高海拔环境中，混凝土的性能面临着独特的挑战，这些挑战源于恶劣的气候条件，包括低气压、温度波动和低相对湿度。影响混凝土在这种环境中性能的关键因素是气泡系统，该系统对其抗冻性至关重要。通过引入空气泡来改善混凝土的性能，可以提高其抗冻性、流变性和耐火性等多种性能。本文综述了在低气压下水泥材料中气泡形成和稳定的机制，重点讨论了引气剂（AEA）与水泥材料之间的物理化学相互作用，以及这些相互作用对流变性和抗冻性的影响。同时，还探讨了低气压对引气效率、气泡形成和稳定性的影响。此外，全面分析了气泡参数与混凝土流变行为之间的关系，并介绍了针对引气混凝土开发的流变模型。通过总结当前的研究、案例研究和实证数据，本文强调了优化引气以提高低气压环境下混凝土性能的必要性。研究结果还揭示了深入理解气泡参数与流变性能之间复杂关系的必要性，这对于优化混凝土的可操作性和耐久性至关重要。此外，本文指出了现有挑战，并提出了加快引气混凝土在高海拔建筑项目中应用的研究方向。

引言

随着近几十年来建筑业的快速发展，中国及其他发展中国家的建筑活动扩展到了环境恶劣且复杂的地区，如岛屿、沙漠和高原地带。特别是在气候条件恶劣的地区，交通基础设施的建设越来越受到关注，这通常需要长跨度和大体积的混凝土[1]、[2]。据估计，2023年生活在海拔2500米及以上地区的人口已超过2亿[3]，推动了高海拔地区混凝土建设的显著进展。高海拔地区的气候特征主要是低气压（LAP）、低温、干燥的空气以及较大的温度波动[4]。这些条件会影响混凝土结构的耐久性和力学性能。例如，在恶劣的气候条件下，混凝土结构会遭受严重的冻融损伤，从而影响其耐久性。由于冻融循环导致的混凝土损伤在高海拔地区结构失效中起着关键作用，进而增加了每年的维护成本。因此，在恶劣环境中确保混凝土的耐久性和更长的使用寿命仍然是一个重要的研究课题。

引气技术被广泛用于提高混凝土的抗冻性并增强其耐久性，通过引气剂（AEA）引入大量微小气泡，从而在不显著降低强度的情况下减轻冻害[5]、[6]。在引气过程中，由AEA生成的大量微小而稳定的气泡在硬化混凝土中起到“压力释放库”的作用。当多余的水分因温度变化而冻结时，冰会膨胀并进入气泡中，从而防止混凝土受损[7]。混凝土中的气泡必须保持稳定，以便在新鲜状态下保存并在硬化后仍保持一定数量。AEA能够将大量均匀分布的微小气泡引入新鲜混凝土混合物中，提高其可操作性并增强硬化后的抗冻性[8]。然而，在低气压环境下，AEA的效果会降低，气泡的稳定性也会减弱，导致抗冻性下降，最终影响混凝土结构的耐久性[9]。因此，多年来在混凝土中实现有效的引气一直是一个持续存在的挑战。

气泡参数，如间距因子、平均气泡直径[10]、总空气含量、微气泡含量和气泡比表面积[11]，是描述引气效率和引气混凝土性能的关键指标。气泡会影响新鲜混凝土的关键流变性能，包括流动性[12]、屈服应力[13]、粘度和剪切行为[15]。

引气剂是一种化学外加剂，用于在混凝土混合物中引入和稳定气泡。AEA可以降低新鲜水泥混合物中液体的表面张力，使气泡在整个水泥基质中均匀分布。它们通常是表面活性剂，可以是天然或合成化合物，能够吸附在气液界面，防止混合和浇筑过程中气泡聚集。AEA的效率受多种因素影响，包括其类型和用量、水泥材料的性质和组成、矿物和外加剂以及施工现场的环境条件。了解这些影响因素的机制及其与水泥基质的相互作用对于优化气泡系统（AVS）至关重要，尤其是在高海拔等恶劣环境中确保实现引气混凝土所需的性能。

因此，本研究全面回顾了在低气压高原条件下水泥材料中的引气现象及其对混凝土性能的影响。揭示了气泡形成和稳定的机制，并探讨了AEA、水泥材料和化学外加剂之间的相互作用。本文还介绍了引气混凝土的流变性能和模型，并讨论了气泡参数与混凝土流变行为之间的关系。本研究旨在为高海拔建筑的可持续和耐久性混凝土的发展做出贡献。

章节摘录

混凝土中的引气

引气是一种有意将微小且均匀分布的气泡引入新鲜混凝土混合物中的方法或技术，这是通过添加引气剂（AEA）来实现的。气泡通常在新鲜水泥混合物的混合过程中由于涡流作用而生成[16]、[17]；尽管如此，即使不添加AEA，混凝土体积的相当一部分也会被空气占据

AEA与水泥材料的相互作用

引气混凝土可以被视为由空气、水和固体相组成的三相系统；涉及这三个相的引气机制相当复杂[17]。气泡与固体相之间的相互作用对气泡的形成和稳定性有很大影响[69]、[70]，根据固体颗粒的组成，表面活性剂与固体之间的相互作用可以提高引气混凝土中气泡的稳定性

气泡对混凝土流变行为的影响

用于研究基于水泥材料的流变性能的模型主要包括Bingham模型、Herschel-Bulkley（H-B）模型和改良的Bingham模型[96]，如表2所示。这些流变模型根据流变仪获得的数据进行拟合，以获得基于水泥材料的流变性能参数。然而，流变行为与气泡参数密切相关。因此，气泡对混凝土流动性的影响将

通过引气提高抗冻性

空气含量的减少会直接影响混凝土的抗冻性。气泡参数，如间距因子、总气泡体积和气泡比表面积，在决定混凝土的抗冻性方面起着关键作用[146]。特别是气泡间距因子对抗冻性至关重要。由于在低气压环境下引气的挑战，间距因子和孔隙率往往会增加。在极低的温度下，内部自由

结论

本研究回顾了混凝土中的引气现象、引气剂的效率及其对混凝土性能的影响。本文还讨论了引气混凝土的流变预测模型。研究得出的结论总结如下：

1.

低气压会对引气剂的性能产生不利影响，降低引气效率并影响气泡的稳定性。这通常归因于

作者贡献声明

黄星杰：撰写——初稿、方法论、概念化。史才军：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源获取、数据管理、概念化。白天文：可视化、方法论、数据管理。胡翔：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、数据管理、概念化。侯赛尼·阿卜杜拉希·乌马尔：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化，

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

感谢国家重点研发计划（项目编号：2021YFF0500801）、国家自然科学基金（项目编号：52278257）和越陆山产业创新中心（项目编号：2023YCII0129）的财政支持。