路面混凝土引氣劑評價方法的研究

柯國炬，田 波，王稷良

（交通運輸部公路科學研究所，北京 100088）

為改善現代混凝土的抗滲性［1］、抗凍性［2－7］和工作性［8－10］，需要摻入引氣劑.JTG F30—2003《公路水泥混凝土路面施工技術規范》也規定滑模攤鋪混凝土必須摻入引氣劑.

目前中國還沒有統一的引氣劑評價方法和評價指標.較為普遍的引氣劑檢測方法是檢測新拌混凝土的含氣量，而新拌混凝土的含氣量與硬化混凝土的抗凍融耐久性并未呈現很好的相關性［11］.因此結合引氣劑的作用效果和使用目的，需要建立有效的引氣劑評價方法和評價指標，來保證引氣水泥混凝土結構物的質量.

引氣劑用于路面水泥混凝土已成為常態，研究引氣水泥稀漿性能、引氣水泥砂漿性能、硬化混凝土含氣量以及硬化混凝土氣泡結構與混凝土的抗凍融耐久性的對應關系，建立路面混凝土引氣劑的評價方法和評價指標，可以為引氣劑應用于水泥混凝土路面提供很好的理論支撐和技術支持，對于提高路面水泥混凝土的施工質量至關重要.

1 試驗

1.1 原材料

水泥選用金隅牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其化學組成見表1；細砂為內蒙古天然河砂，細度模數2.28，表觀密度2.69kg／m3，黏土含量0.7%（質量分數）；5～25mm 連續級配石灰巖碎石；引氣劑（air－entraining agent，AEA）：未知組成的進口引氣劑、皂苷引氣劑、松香熱聚物、烷基硫酸鹽和脂肪醇硫酸鹽等，使用前均稀釋成質量分數為（3.2±0.3）%的溶液，其摻量為0.3%～0.8%（質量分數），各項技術指標見表2.

表1 水泥的化學組成Table 1 Chemical composition（by mass）of cement %

2 試驗結果與討論

2.1 水泥稀漿搖泡試驗

搖泡試驗可對引氣劑的引氣性能和氣泡穩定性提供一個初步判斷.摻有引氣劑的水在外力作用下形成泡沫，泡沫破滅形成水，氣泡的破滅速率依賴于氣泡的流體動力學特性，包括氣泡的大小和形狀，以及氣液界面的移動.初始氣泡高度反映了引氣劑的引氣性能，氣泡高度隨時間的變化反映了引氣劑的穩泡性能.

表2 引氣劑的技術指標Table 2 Technical data of air－entraining agent

目前主要存在2 種評價引氣劑的搖泡方法：1）一般搖泡法 將300mL水與10mL引氣劑相混合，倒入1 000mL 量筒內，振蕩30次后產生泡沫，分別記錄泡沫和水的刻度以及所對應的時間，其關系如下：

式中：Vd為時間t的排液量，mL；V0為振蕩結束時的量筒內液體體積，mL；－1／k 反映泡沫破滅的速率.

式中：D 為搖泡消耗的液體量.

2）水泥稀漿搖泡法 將300mL 水、10mL 引氣劑及5g普通硅酸鹽水泥相混合，其余同一般搖泡法.選定表2中的6種引氣劑，將其稀釋為液體溶液，在相同摻量下，分別采用一般搖泡法和水泥稀漿搖泡法來評價各引氣劑的引氣性能和穩泡性能.2種搖泡法試驗結果見表3，4.

由表3，4 可以看出，相同條件下，搖泡耗液量多，初始氣泡高度偏大，則引氣劑的引氣能力偏強；若－1／k偏小，則不同時刻的氣泡高度變化較小，泡沫穩定性偏好.

由表3，4還可以看出，在其他條件相同的情況下，水泥漿體對引氣劑的引氣性能有很大影響.同樣的引氣劑分別采用一般搖泡法和水泥稀漿搖泡法，結果呈現出很大差異：一般搖泡法中引氣劑D 的－1／k較小（排液速率較慢），為13.1，引氣劑E 的－1／k較大（排液速率較快），為321.0，這說明引氣劑D 的氣泡穩定性優于引氣劑E；在水泥稀漿搖泡法中這種現象則相反，引氣劑E的－1／k為45.3，引氣劑D 的為158.4.同樣對于引氣劑M 和S，水泥的摻入影響了二者的初始搖泡消耗液體量，即發泡能力：一般搖泡法試驗中，引氣劑M 和S的初始搖泡消耗液體量值分別為7.4%和3.0%；水泥稀漿搖泡法試驗中則為6.0%和38.1%.從初始搖泡高度看，引氣劑M 在水泥稀漿中引氣能力減弱，而引氣劑S則相反，并且出現較大差異，其引氣能力增加幅度較大.2種搖泡方法中，引氣劑M 和C的－1／k 變化幅度最大，分別從409.8減小到17.3，從770.9 減小到338.2，這說明引氣劑M 和C 在水泥稀漿中的泡沫穩定性變好，可能與水泥稀漿黏度等因素有關.

表3 一般搖泡法試驗結果Table 3 Results of normal shaking bubble experiment

表4 水泥稀漿搖泡法試驗結果Table 4 Results of thin cement paste shaking bubble experiment

水泥稀漿搖泡試驗中，通過對比發現引氣劑的引氣性能和穩泡性能并不存在對應關系.6 種引氣劑均表現出不同的引氣性能和穩泡性能.由表4可見，初始氣泡高度最大的是引氣劑C，說明其引氣性能最佳；引氣劑M，S和E的氣泡高度隨時間變化較小，說明其穩泡性能較好；而引氣劑M 的初始氣泡高度最小，引氣性能最差.

比較2種搖泡法的初始耗液量D，發現一般搖泡試驗的D 值較小，且差異不大；水泥稀漿搖泡試驗的D 值明顯較大，且差異明顯.這可能與水泥稀漿體系的離子和引氣劑中的表面活性組分作用方式及效果有關，水泥稀漿震蕩液泡膜的厚度在水泥顆粒和表面活性組分的相互作用下大幅增加，且差異明顯，表現出來的是初始耗液量D 值的增加和差異化.

因此可認為，一般搖泡法和水泥稀漿搖泡法是2種完全不同的方法，呈現出引氣劑在不同體系中的作用特點.可能是因為水泥稀漿的水泥水化離子、體系黏度等物理化學特性的改變，影響了引氣劑的引氣性能.因混凝土體系與水泥稀漿體系更為接近，故水泥稀漿搖泡法更能反映引氣劑在水泥混凝土中的引氣性能和穩泡性能.

2.2 砂漿擴展度和插搗密度法

膠凝體系中引氣劑由3部分組成：一部分吸附于固體顆粒表面，一部分分散于液相中，還有一部分分散在液相和氣相的界面上.因為水泥水化體系的物理化學性質不斷改變，所以這3個部分的表面活性劑均處在動態平衡中.吸附在固體顆粒表面的表面活性劑對氣泡的形成和穩定基本沒有貢獻；分散在液相和氣相界面的表面活性劑直接影響體系氣泡的形成和穩定；分散于液相中的表面活性劑起到過渡的作用，保證吸附在固體顆粒表面的表面活性劑和分散在液相和氣相界面的表面活性劑平衡轉化.

氣泡和孔隙是兩個概念，氣泡呈球形，表面光滑，起到滾珠軸承的作用，間接補償微細集料，從而改善流動性，因此砂漿引氣的宏觀表現是擴展度值變大，表觀插搗密度變小.

初始擴展度值和砂漿插搗密度值體現了引氣劑的引氣性能，砂漿延遲擴展度值和砂漿插搗密度值的變化則反映了引氣劑的穩泡性能.

試驗部分采用國標中膠砂強度的配合比，同時為了體現引氣劑的減水作用和路面水泥混凝土配合比的特點，將膠砂試驗的水灰比（質量比）固定在0.4.水泥砂漿試驗配合比和結果見表5，6.

表5 水泥砂漿試驗配合比Table 5 Mix proportion of mortar

由表6可知，引氣劑C的初始擴展度最大，引氣劑E 次之，且兩者的30min擴展度均未發生改變；引氣劑M，B，D 的水泥砂漿初始插搗密度偏大，引氣劑C，E，S的偏小，其中引氣劑D 的30min插搗密度改變率偏大，其他引氣劑的插搗密度改變率不大.這可在一定程度上說明引氣劑C，E 的引氣和穩泡性能較好；引氣劑M 的引氣性能較差.引氣劑D的初始擴展度較大，但30min擴展度損失很快，插搗密度也改變很多，這說明D 的引氣性能較好，穩泡性能很差.砂漿擴展度和插搗密度法的結果與水泥稀漿搖泡試驗結論相似.

表6 水泥砂漿試驗結果Table 6 Test results of mortar

2.3 混凝土含氣量、氣泡結構和凍融耐久性

通過對硬化引氣混凝土的氣泡結構分析，發現引氣氣泡直徑為10μm～1mm.一定的含氣量下氣泡比表面積與氣泡數量、氣泡直徑成比例關系，大的比表面積意味著存在大量的小氣泡.為了保證混凝土的抗凍融耐久性，混凝土的氣泡間距應小于0.2mm，同時氣泡比表面積應大于24mm2／mm3［12］.

目前的水泥混凝土路面一般采用滑模攤鋪施工，是典型的低坍落度混凝土，需要高頻振搗.研究發現高頻振搗后，新拌混凝土含氣量大幅度降低，不同引氣劑的混凝土經高頻振搗前后氣泡結構有很大差異［13－15］.本文研究6種引氣劑在低坍落度路面混凝土中引氣結構的變化，比較新拌混凝土的含氣量和硬化混凝土的氣泡結構，分析引氣劑評價方法的合理性.相關混凝土試驗配合比和坍落度見表7，不同試驗條件下對應的試驗結果見表8.

根據ASTM C457—98來測定硬化混凝土的氣泡參數.采用的硬化混凝土氣泡特征參數計算公式如下：

式中：a 為平均氣泡面積，μm2；A 為累計氣泡面積，μm2；N 為氣泡個數.

式中：As為含氣量，%；n 為單位面積內的氣泡個數；

式中：L 為氣泡間距系數；P 為漿體含量（質量分數），%.

表7 混凝土試驗配合比和坍落度Table 7 Mix proportion of concrete and slump

由表8可知，新拌混凝土含氣量與硬化混凝土含氣量出現很大差異，高頻振搗15s對混凝土含氣量產生較大影響，并且不同類型的引氣劑，在高頻振搗作用下含氣量改變值也不同.高頻振搗混凝土硬化含氣量與一般混凝土硬化含氣量差別不大，但是氣泡間距卻呈現減小趨勢，從某種意義上來看，高頻振搗調整了引氣混凝土的氣泡結構.

由表8中的混凝土300次凍融循環的試驗結果可以看出，引氣劑C 表現出最好的抗凍性，E 次之；高頻振搗混凝土的凍融強度損失率與氣泡間距基本呈線性關系；200μm 以內氣泡間距的混凝土表現出良好的抗凍性；振搗15s硬化混凝土含氣量與氣泡間距之間基本呈線性關系.

由表8還可見，經過高頻振搗的新拌路面水泥混凝土的含氣量并不能很好地反映混凝土的抗凍性；硬化混凝土的含氣量和氣泡間距以及抗凍融耐久性呈現很好的線性關系，硬化混凝土的含氣量越大，其中氣泡間距越小，抗凍性越強.

表8 混凝土性能試驗結果Table 8 Testing results of concrete performance

2.4 綜合分析

水泥稀漿搖泡試驗中引氣劑C 的引氣性能最佳，引氣劑E 的穩泡性能較好；砂漿擴展度和插搗密度法中引氣劑C 的擴展度和延遲擴展度最大，砂漿插搗密度和延遲砂漿插搗密度最小，引氣劑E 次之；高頻振搗15s硬化混凝土氣泡間距較小的是引氣劑E和C，其中引氣劑C 的300次凍融循環強度損失率最小.

3 結論

（1）水泥稀漿泡沫性能、砂漿擴展度和插搗密度、硬化混凝土含氣量、氣泡間距與混凝土凍融耐久性之間有一定的對應關系.引氣性能好則水泥稀漿初始氣泡高度大、砂漿初始擴展度大、插搗密度小；穩泡性能強則水泥稀漿氣泡破滅速度慢、砂漿延遲擴展度和插搗密度變化小；較好的引氣性能和穩泡性能對應較大的硬化混凝土含氣量、較小的氣泡間距和較好的混凝土抗凍融耐久性，同時引氣性能和穩泡性能不存在對應關系.建議采用水泥稀漿搖泡法、水泥砂漿擴展度和砂漿插搗密度法或者結合三者對引氣劑的性能進行簡單評判，最后通過硬化混凝土的氣泡結構和凍融耐久性進行驗證.

（2）新拌混凝土含氣量和硬化混凝土含氣量存在很大差異，且關系不明顯，高頻振搗大幅降低混凝土的含氣量，同時調整了混凝土的氣泡結構.對于經過高頻振搗的路面水泥混凝土而言，硬化混凝土含氣量更能反映混凝土的抗凍性.

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