宋 欣，倪 濤，汪詠梅，劉昭洋,2，王建春,2

(1.石家莊市長(zhǎng)安育才建材有限公司，河北 石家莊 051430；2.四川砼道科技有限公司，四川 成都 610200)

0 前 言

混凝土在攪拌過(guò)程中會(huì)卷入空氣形成氣泡，小氣泡會(huì)聚集形成較大的氣泡，并在浮力作用下向表面移動(dòng)，進(jìn)而從表面破裂，最后離開(kāi)混凝土基體[1]。在混凝土中摻加引氣劑，可以降低混凝土體系的表面張力，從而引入大量均勻、穩(wěn)定的微小氣泡，進(jìn)而有效改善混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土的和易性和耐久性[2]。因此，引氣劑被廣泛應(yīng)用于混凝土中。然而，引氣劑品種繁多，化學(xué)結(jié)構(gòu)和成分各異，對(duì)混凝土各方面性能的改善程度也有很大區(qū)別[3]。實(shí)際工程中一般采用含氣量的方法來(lái)評(píng)價(jià)引氣效果，并對(duì)混凝土的氣泡結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，本文分別對(duì)比研究四種不同類(lèi)型的引氣劑在水溶液和水泥溶液中起泡性能和氣泡穩(wěn)定性，對(duì)新拌混凝土含氣量及含氣損失的影響，對(duì)硬化混凝土氣泡結(jié)構(gòu)的影響。從而探討了引氣劑的性能對(duì)混凝土含氣及氣孔結(jié)構(gòu)的影響及新拌混凝土含氣損失與硬化混凝土氣泡結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為今后引氣劑的研發(fā)及應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)原材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：峨勝P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰：凌云1級(jí)粉煤灰；砂：天然砂石集料，細(xì)度模數(shù)2.65；石頭：粒徑為5～25 mm的卵石破碎。水：普通自來(lái)水。實(shí)驗(yàn)中選用的四種不同類(lèi)型的引氣劑其主要成分及物理性能見(jiàn)表1。

表1 引氣劑的性能指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 引氣劑起泡性能及氣泡穩(wěn)定性的研究

由于引氣劑引入的氣泡是不穩(wěn)定體系，很多文獻(xiàn)都說(shuō)明氣泡的形成和穩(wěn)定是非常復(fù)雜的過(guò)程，受很多因素的影響，氣泡液膜的表面張力、彈性模量、表面粘度和粘度等都是起泡及泡沫穩(wěn)定的影響因素[4-5]。因此，本文首先直觀地研究了引氣劑起泡性能與泡沫穩(wěn)定性。

本實(shí)驗(yàn)采用振蕩法檢測(cè)引氣劑溶液的起泡能力及氣泡穩(wěn)定性[6]。實(shí)驗(yàn)步驟如下。

1)在20oC下，將引氣劑配制成5wt%的溶液。

2)取10 g水泥，溶于25 mL水中，振蕩60s后，取20 mL置于100 mL的具塞量筒中，再取20 mL去離子水置于另一100 mL的具塞量筒中。

3)分別向水和水泥漿中加入2 mL引氣劑溶液，劇烈振蕩10 s，振蕩停止后記錄下泡沫的體積，并作為溶液起泡性能的度量，分別記下5、10、20 min 時(shí)泡沫的體積，用于表征泡沫的穩(wěn)定性。

1.2.2 引氣劑對(duì)混凝土的含氣與氣泡結(jié)構(gòu)的研究

本實(shí)驗(yàn)的混凝土配合比如表2所示，混凝土的攪拌方式為機(jī)械攪拌，振搗方式采用人工插搗和振動(dòng)臺(tái)振搗；通過(guò)控制不同引氣劑的摻量，使新拌混凝土的含氣量控制在3.5%±0.5%，并測(cè)定1 h含氣量損失，以及28 d硬化混凝土氣泡結(jié)構(gòu)參數(shù)。新拌混凝土的含氣量采用氣壓式含氣量測(cè)定儀測(cè)定。

表2 混凝土配合比

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50080—2016)，使用氣壓式含氣量測(cè)定儀測(cè)定新拌混凝土含氣量。

依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)中的硬化混凝土氣泡參數(shù)試驗(yàn)(直線導(dǎo)線法)進(jìn)行測(cè)定，用顯微鏡觀察硬化混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)?！禨tandard Test Method forMicroscopical Determination of Parameters of the Air-Void System in Hardened Concrete》(《硬化混凝土氣泡參數(shù)顯微鏡測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)》)(ASTM C457)測(cè)試硬化混凝土氣泡結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 引氣劑起泡能力及泡沫穩(wěn)定性的研究

圖1為引氣劑在純水和水泥漿中氣泡體積隨時(shí)間的變化曲線。

(a)純水

(b)水泥漿圖1引氣劑泡沫體積隨時(shí)間變化曲線

在純水中，起泡能力的大小關(guān)系為AE-A>AE-B>AE-C>AE-D，AE-A、AE-B、AE-C的起泡能力比較接近，AE-D的起泡能力比較低；但是，AE-D的泡沫穩(wěn)定性明顯高于另外三種引氣劑，AE-A、AE-B、AE-C的泡沫穩(wěn)定性比較一致。這是由于AE-A、AE-B、AE-C都屬于陰離子引氣劑，而且分子量都較小，能夠快速吸附在界面上，并定向排列，所以起泡能力較高，但是從液體逸出的速度也較快。AE-D屬于三鐵皂苷類(lèi)引氣劑，皂苷分子中的葡萄糖單元具有很多羥基，分子量較大，不容易被吸附在氣液界面上，形成兩種基團(tuán)的定向排列，起泡能力較差，但是分子量越大，分子間的范德華力越大，形成的分子膜越厚，氣泡壁的彈性和強(qiáng)度也越高[6]，因而其泡沫穩(wěn)定性也明顯高于其他三種引氣劑。

在水泥漿中，AE-B、AE-C和AE-D的起泡能力有明顯下降，但是AE-B的下降趨勢(shì)明顯低于AE-C，三者的泡沫穩(wěn)定性也有所提升，AE-A的泡沫穩(wěn)定性則出現(xiàn)了明顯下降，這與純水中的趨勢(shì)有較大不同。說(shuō)明水泥的加入，降低了引氣劑的起泡能力，但是也同時(shí)增加了AE-B、AE-C、AE-D的泡沫穩(wěn)定性。這可能是由于AE-B和AE-C的分子中均含有羧基，羧基容易與水泥中的鈣離子反應(yīng)，生成不可溶的鈣皂，造成起泡能力的下降，但同時(shí)由于不溶性鈣皂吸附在氣泡的液膜表面，增加了氣泡膜的厚度，有效防止了氣泡的破滅，提高了氣泡的穩(wěn)定性[7]。而AE-B的下降趨勢(shì)要高于AE-C的下降趨勢(shì)，這可能是由于AE-C為天然脂肪酸類(lèi)引氣劑，碳鏈長(zhǎng)度分布比較寬，所受影響較小，這也說(shuō)明天然脂肪酸類(lèi)引氣劑由于其分布較廣的碳鏈長(zhǎng)度，在起泡能力和泡沫穩(wěn)定性方面要優(yōu)于單一的脂肪酸類(lèi)引氣劑。由于，表面粘度越高，泡沫壽命越長(zhǎng)。當(dāng)鹽對(duì)靜電排斥作用的影響大于對(duì)疏水締合作用的影響時(shí)，溶液粘度降低；當(dāng)鹽對(duì)疏水締合作用的影響大于對(duì)靜電作用的影響時(shí)，溶液粘度則表現(xiàn)為上升，這就是鹽增粘[8]，AE-D為非離子型引氣劑，水泥漿增大AE-D的粘度，提高了引氣劑的泡沫穩(wěn)定性。

引氣劑的起泡能力與泡沫穩(wěn)定性在水和水泥漿中表現(xiàn)出較大的不同，在水中起泡能力和泡沫穩(wěn)定性高的引氣劑，在水泥漿中并不一定具有較好的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性。因此，不能只通過(guò)單純的進(jìn)行水中的搖泡實(shí)驗(yàn)進(jìn)行篩選及研發(fā)引氣劑。

2.2 不同種類(lèi)引氣劑的摻量變化及含氣損失

由圖2可以看出，新拌混凝土含氣量達(dá)到3.5%±0.5%時(shí)，不同引氣劑所需摻量為AE-A

圖2 新拌混凝土含氣量為3.5%±0.5%時(shí)不同種類(lèi)引氣劑摻量

圖3顯示1 h后摻入不同引氣劑的混凝土的含氣損失，說(shuō)明AE-D的穩(wěn)泡能力最好，AE-C次之，AE-B略差于AE-C，AE-A最差。三鐵皂苷分子量較大，而分子量愈大，分子間的范德華力愈大，形成的分子膜愈厚，氣泡壁的彈性和強(qiáng)度愈高[4]，因而三鐵皂苷的穩(wěn)泡能力最強(qiáng)。AE-C由于碳鏈分布較寬，其穩(wěn)泡性能略高于AE-B。二者穩(wěn)泡能力均高于磺酸類(lèi)引氣劑，這是由于引氣劑形成的不溶性鈣皂吸附在氣泡的液膜表面，增加了氣泡膜的厚度，有效防止了氣泡的破滅，提高了氣泡的穩(wěn)定性[7]?；撬犷?lèi)引氣劑表面張力低，形成的氣泡容易聚集形成大氣泡，從而破裂，氣泡逸出速度也較快，因而穩(wěn)泡能力差。這也與水泥漿中四種引氣劑的泡沫穩(wěn)定性相一致。

圖3 1 h后不同種類(lèi)引氣劑含氣量損失

2.3 引氣劑種類(lèi)對(duì)硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)的影響

圖4給出了摻入不同引氣劑后的硬化混凝土氣孔分布情況。由圖4可以看出，摻入AE-D引氣劑的混凝土硬化后直徑為0～100 μm的氣孔數(shù)量最多，摻入AE-A引氣劑的混凝土硬化后直徑為0～100 μm的氣孔數(shù)量最少。隨著孔徑增大，AE-A引氣劑孔含量降低趨勢(shì)明顯最快，AE-B和AE-C孔含量降低趨勢(shì)相近，AE-D引氣劑孔含量降低趨勢(shì)最慢。這說(shuō)明AE-A引氣劑引入的微小氣孔最多，氣孔結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于其他幾種；AE-D引氣劑引入的氣孔結(jié)構(gòu)最差。

氣泡間距系數(shù)是評(píng)價(jià)混凝土抗凍性的重要參數(shù)，間距系數(shù)小，則混凝土抗凍性好[5]。由圖5可以看出，硬化混凝土的間距系數(shù)大小排序?yàn)锳E-A>AE-B>AE-C>AE-D。通過(guò)與圖4比較可以看出，引入的微小氣泡越多，越有助于降低混凝土間距系數(shù)，混凝土的抗凍融性越好。

圖4 硬化混凝土氣孔分布

圖5 硬化混凝土間距系數(shù)與新拌混凝土含氣損失

摻入不同種類(lèi)引氣劑的硬化混凝土的間距系數(shù)與新拌混凝土的含氣損失趨勢(shì)、引氣劑在水泥漿中的泡沫穩(wěn)定性比較一致，這說(shuō)明引氣劑的穩(wěn)泡性能越好，引入的微小氣泡越多，新拌混凝土的含氣損失越低，硬化混凝土中微小氣孔越多，硬化混凝土的間距系數(shù)越小。

3 結(jié) 論

1)引氣劑的起泡能力與泡沫穩(wěn)定性在水和水泥漿中表現(xiàn)出較大的不同，在水中起泡能力和泡沫穩(wěn)定性高的引氣劑，在水泥漿中并不一定具有較好的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性。因此，不能只通過(guò)單純的進(jìn)行水中的搖泡實(shí)驗(yàn)進(jìn)行篩選及研發(fā)引氣劑。

2)天然脂肪酸類(lèi)引氣劑由于其較寬的碳鏈分布，性能明顯優(yōu)于單一碳鏈的脂肪酸類(lèi)引氣劑，因而在研發(fā)引氣劑時(shí)，可考慮選用成分略復(fù)雜的天然類(lèi)引氣劑。

3)新拌混凝土的含氣損失小，則硬化混凝土中微小氣孔多，氣孔結(jié)構(gòu)優(yōu)越，氣泡間距系數(shù)小，抗凍融性好。因此，可以通過(guò)含氣損失來(lái)對(duì)比硬化混凝土的氣泡間距系數(shù)。

4)對(duì)于單一組分的引氣劑而言，起泡能力強(qiáng)的引氣劑穩(wěn)泡能力較差，穩(wěn)泡能力強(qiáng)的引氣劑起泡能力差。若要獲得顯著提高混凝土抗凍性的引氣劑，應(yīng)兼顧起泡能力和穩(wěn)泡能力，選擇不同性能的引氣劑組分進(jìn)行復(fù)配。

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