消泡劑對超高性能混凝土氣泡參數(shù)與強度的影響

高小建,黃煌煌,賈 迪

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150090)

近年來，以高強度、高耐久性為主要特征的超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)受到國內(nèi)外普遍關(guān)注，并且已經(jīng)在橋梁、高鐵、核電等領(lǐng)域得到部分工程應(yīng)用[1]。在超高性能混凝土的制備過程中，由于漿體黏度較大，攪拌后會引入并形成大量氣泡，從而影響混凝土強度發(fā)展[2]。相關(guān)研究表明[3-5]，通過引入某些活性物質(zhì)占據(jù)氣泡表面液膜位置，可以降低液膜的強度從而破壞氣泡的穩(wěn)定性，導(dǎo)致氣泡在攪拌過程中破裂或合并，這便是消泡劑的作用機(jī)理。郭京東[6]研究了消泡劑對普通混凝土抗壓強度發(fā)展的影響，發(fā)現(xiàn)消泡劑的摻入能降低新拌混凝土中的氣泡含量，提高硬化混凝土的強度；并且隨著消泡劑摻量的提高，混凝土強度會出現(xiàn)先增大后減小的趨勢；同時，對于每種消泡劑存在一個消泡和提高強度效果最佳的摻量范圍[7]。國外相關(guān)研究表明[8-9]：不同種類消泡劑對高性能自密實混凝土氣泡含量和氣泡尺寸的影響不同，降低氣泡含量最有效的消泡劑為烷氧基脂肪醇型消泡劑，效果較差的為多元醇類消泡劑；而且消泡效果與提高強度效果不完全對等。因此，本文試驗研究了摻0.5‰～4.0‰的兩類消泡劑 (AFA1和AFA2) 對超高性能混凝土中氣泡含量、氣泡平均尺寸和硬化混凝土強度的影響規(guī)律，并分析氣泡參數(shù)與強度之間的對應(yīng)關(guān)系，為進(jìn)一步提高UHPC的力學(xué)性能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 原材料與實驗方案

1.1 原材料

本研究采用42.5強度等級的普通硅酸鹽水泥，表觀密度為3.15 g/m3、比表面積為350 m2/kg。以非晶態(tài)二氧化硅為主要組成的硅灰是制備高強與超高性能混凝土的常用礦物摻合料，使混凝土具有火山灰活性效應(yīng)及物理填充效應(yīng)。本研究采用硅灰的粒徑范圍在0.1～1.0 μm之間，比表面積為17.3 m2/g、火山灰活性指數(shù)為108%。水泥和硅灰的化學(xué)成分重量含量如表1所示。集料采用粒徑為0.109 ～0.212 mm和0.212 ～0.380 mm的兩種石英砂，其顆粒級配如表2所示。減水劑采用哈爾濱某公司產(chǎn)聚羧酸高性能減水劑，減水率為35%左右，含固量為40%。采用的兩種消泡劑：消泡劑1(AFA 1)為日本竹本油脂中國蘇州分公司出產(chǎn)的AFK-2消泡劑，呈無色透明液體；消泡劑2(AFA 2)為美國道康寧公司生產(chǎn)的道康寧XIAMETER?AFE-7610 有機(jī)硅消泡劑，其成分為硅酮消泡乳液，為乳白色黏稠液體。

表1 水泥及硅灰的化學(xué)成分 %

表2 石英砂的顆粒級配

1.2 實驗方案

在前期大量試驗研究基礎(chǔ)上，共設(shè)計了如表3所示的17組UHPC配合比，為了便于測試氣泡參數(shù)，將鋼纖維去除只研究UHPC基體部分。所有配合比的水膠比固定為0.19不變，減水劑摻量均為膠凝材料質(zhì)量的2.5%。兩種消泡劑AFA 1和AFA 2的摻量在0.5‰～4.0‰之間變化。對于每個配合比的拌和物，采用砂漿含氣量測定儀測試其含氣量，并成型40 mm40 mm160 mm的試件用于抗壓和抗折強度測試。為了測試硬化混凝土中的氣泡含量及氣泡尺寸分布，對選取的試件依次切割、粗磨、細(xì)磨以及超聲波清洗處理，并采用Olympus DSX500超景深顯微鏡拍照。最后，利用圖像處理軟件Image-pro plus統(tǒng)計分析試件截面的氣泡特征。

表3 試驗所用配合比

2 結(jié)果和分析

2.1 消泡劑對新拌UHPC含氣量的影響

圖1為AFA 1和AFA 2兩種消泡劑對新拌超高性能混凝土漿體含氣量的影響，從圖中可以看出，未摻消泡劑的基準(zhǔn)組含氣量為7.8%，遠(yuǎn)高于普通混凝土；兩種消泡劑的摻入均使得含氣量大幅降低。隨著消泡劑摻量增大，超高性能混凝土拌和物的含氣量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，即存在一個含氣量最低點；這時兩種消泡劑AFA 1和AFA 2的摻量均為3‰，對應(yīng)的含氣量分別為4.8%、4.2%，比基準(zhǔn)配合比分別降低了38.5%和46.2%。

圖1 兩種消泡劑對UHPC拌合物含氣量的影響

2.2 消泡劑對UHPC強度的影響

圖2為兩種消泡劑對超高性能混凝土7 d和28 d 抗壓強度與抗折強度的影響規(guī)律。可見，隨著消泡劑的摻入，UHPC的抗壓強度和抗折強度均有所提高。對于AFA1來說，當(dāng)摻量為2.5‰時，UHPC的7 d和28 d抗壓強度提高幅度最大，分別達(dá)到25.0%和28.5%；對于AFA2來說，當(dāng)摻量為3.0‰時，UHPC的7 d和28 d抗壓強度提高最為顯著，分別達(dá)到10.1%和21.5%。對比抗折強度變化規(guī)律可見，AFA 1和AFA 2的最佳摻量分別為3.5‰和3.0‰，分別使28 d抗折強度提高了30.2%和28.8%。兩種消泡劑對UHPC抗壓和抗折強度的提高作用主要是由于拌和物制備過程中引入的部分氣泡發(fā)生破裂和逸出的原因，而兩種消泡劑的最佳摻量范圍為2.5‰～3.5‰。

圖2 摻消泡劑對UHPC的7 d和28 d抗壓強度與抗折強度的影響

2.3 抗壓強度與氣泡參數(shù)間關(guān)系

圖3為UHPC的28 d抗壓強度與氣泡含量和氣泡平均直徑之間的關(guān)系分析結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，UHPC的28 d抗壓強度隨著硬化混凝土中氣泡含量或者氣泡平均直徑的減小而不斷提高，而且抗壓強度與氣泡含量或氣泡平均直徑之間存在很好的線性關(guān)系。因此，在制備超高性能混凝土過程中，通過摻入適量消泡劑減少氣泡含量和氣泡尺寸可以有效提高基體強度。

圖3 28 d抗壓強度與氣泡含量及平均直徑間的關(guān)系

除了總氣泡含量以外，不同尺寸氣泡也對強度產(chǎn)生不同的影響。因此，本研究中還將測試到的氣泡分為以下三個尺寸范圍進(jìn)行統(tǒng)計分析：>1.0 mm、0.5～1.0 mm和<0.5 mm，并分析UHPC的28 d抗壓強度與這三個尺寸范圍的氣泡含量之間關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，氣泡的直徑越大，對混凝土抗壓強度的負(fù)面影響越明顯。UHPC的28 d抗壓強度隨著尺寸>1.0 mm的氣泡含量減少而呈現(xiàn)線性增長關(guān)系；直徑<1.0 mm的氣泡對以UHPC抗壓強度影響規(guī)律性不強；直徑<0.5 mm 的氣泡含量越多，反而對28 d 抗壓強度略有提高作用。因此，為了提高UHPC力學(xué)強度，除了降低氣泡總含量以外，更為重要的是盡可能地減少大尺寸氣泡的形成。

圖4 28 d抗壓強度與不同尺寸氣泡含量間的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)UHPC拌和物的含氣量隨著兩種消泡劑摻量的增加均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，當(dāng)兩種消泡劑摻量為3‰時，含氣量降低幅度最佳，分別達(dá)到38.5%和46.2%。

(2)當(dāng)AFA 1和AFA 2的摻量分別為2.5‰和3.0‰時，UHPC的28 d抗壓強度分別提高28.5%和21.5%；當(dāng)AFA 1和AFA 2的摻量分別為3.5‰和3.0‰時，UHPC的28 d抗折強度分別提高了30.2%和28.8%。

(3)UHPC的28 d抗壓強度隨著氣泡含量或者氣泡平均直徑降低呈線性增加趨勢；隨著直徑大于1.0 mm的氣泡含量減少，UHPC的抗壓強度也呈線性增長趨勢，而直徑小于1.0 mm 的氣泡對UHPC抗壓強度影響規(guī)律不明顯。