不同類型引氣劑對混凝土含氣及氣孔結構的影響

宋 欣，倪 濤，汪詠梅，劉昭洋,2，王建春,2

(1.石家莊市長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

混凝土在攪拌過程中會卷入空氣形成氣泡，小氣泡會聚集形成較大的氣泡，并在浮力作用下向表面移動，進而從表面破裂，最后離開混凝土基體[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、穩定的微小氣泡，進而有效改善混凝土的氣孔結構，提高混凝土的和易性和耐久性[2]。因此，引氣劑被廣泛應用于混凝土中。然而，引氣劑品種繁多，化學結構和成分各異，對混凝土各方面性能的改善程度也有很大區別[3]。實際工程中一般采用含氣量的方法來評價引氣效果，并對混凝土的氣泡結構進行評價。因此，本文分別對比研究四種不同類型的引氣劑在水溶液和水泥溶液中起泡性能和氣泡穩定性，對新拌混凝土含氣量及含氣損失的影響，對硬化混凝土氣泡結構的影響。從而探討了引氣劑的性能對混凝土含氣及氣孔結構的影響及新拌混凝土含氣損失與硬化混凝土氣泡結構之間的關系，為今后引氣劑的研發及應用提供參考。

1 實驗原材料與實驗方法

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級粉煤灰；砂：天然砂石集料，細度模數2.65；石頭：粒徑為5～25 mm的卵石破碎。水：普通自來水。實驗中選用的四種不同類型的引氣劑其主要成分及物理性能見表1。

表1 引氣劑的性能指標

1.2 實驗方法

1.2.1 引氣劑起泡性能及氣泡穩定性的研究

由于引氣劑引入的氣泡是不穩定體系，很多文獻都說明氣泡的形成和穩定是非常復雜的過程，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定性。

本實驗采用振蕩法檢測引氣劑溶液的起泡能力及氣泡穩定性[6]。實驗步驟如下。

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 時泡沫的體積，用于表征泡沫的穩定性。

1.2.2 引氣劑對混凝土的含氣與氣泡結構的研究

本實驗的混凝土配合比如表2所示，混凝土的攪拌方式為機械攪拌，振搗方式采用人工插搗和振動臺振搗；通過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%，并測定1 h含氣量損失，以及28 d硬化混凝土氣泡結構參數。新拌混凝土的含氣量采用氣壓式含氣量測定儀測定。

表2 混凝土配合比

依據國家標準《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T50080—2016)，使用氣壓式含氣量測定儀測定新拌混凝土含氣量。

依據《水工混凝土試驗規程》(SL 352—2006)中的硬化混凝土氣泡參數試驗(直線導線法)進行測定，用顯微鏡觀察硬化混凝土的氣孔結構。《Standard Test Method forMicroscopical Determination of Parameters of the Air-Void System in Hardened Concrete》(《硬化混凝土氣泡參數顯微鏡測定方法標準》)(ASTM C457)測試硬化混凝土氣泡結構參數。

2 實驗結果及分析

2.1 引氣劑起泡能力及泡沫穩定性的研究

圖1為引氣劑在純水和水泥漿中氣泡體積隨時間的變化曲線。

(a)純水

(b)水泥漿圖1引氣劑泡沫體積隨時間變化曲線

在純水中，起泡能力的大小關系為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的泡沫穩定性明顯高于另外三種引氣劑，AE-A、AE-B、AE-C的泡沫穩定性比較一致。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，氣泡壁的彈性和強度也越高[6]，因而其泡沫穩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的下降趨勢明顯低于AE-C，三者的泡沫穩定性也有所提升，AE-A的泡沫穩定性則出現了明顯下降，這與純水中的趨勢有較大不同。說明水泥的加入，降低了引氣劑的起泡能力，但是也同時增加了AE-B、AE-C、AE-D的泡沫穩定性。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，生成不可溶的鈣皂，造成起泡能力的下降，但同時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，提高了氣泡的穩定性[7]。而AE-B的下降趨勢要高于AE-C的下降趨勢，這可能是由于AE-C為天然脂肪酸類引氣劑，碳鏈長度分布比較寬，所受影響較小，這也說明天然脂肪酸類引氣劑由于其分布較廣的碳鏈長度，在起泡能力和泡沫穩定性方面要優于單一的脂肪酸類引氣劑。由于，表面粘度越高，泡沫壽命越長。當鹽對靜電排斥作用的影響大于對疏水締合作用的影響時，溶液粘度降低；當鹽對疏水締合作用的影響大于對靜電作用的影響時，溶液粘度則表現為上升，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定性。

引氣劑的起泡能力與泡沫穩定性在水和水泥漿中表現出較大的不同，在水中起泡能力和泡沫穩定性高的引氣劑，在水泥漿中并不一定具有較好的起泡能力和泡沫穩定性。因此，不能只通過單純的進行水中的搖泡實驗進行篩選及研發引氣劑。

2.2 不同種類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到3.5%±0.5%時，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%時不同種類引氣劑摻量

圖3顯示1 h后摻入不同引氣劑的混凝土的含氣損失，說明AE-D的穩泡能力最好，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，氣泡壁的彈性和強度愈高[4]，因而三鐵皂苷的穩泡能力最強。AE-C由于碳鏈分布較寬，其穩泡性能略高于AE-B。二者穩泡能力均高于磺酸類引氣劑，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，提高了氣泡的穩定性[7]。磺酸類引氣劑表面張力低，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，因而穩泡能力差。這也與水泥漿中四種引氣劑的泡沫穩定性相一致。

圖3 1 h后不同種類引氣劑含氣量損失

2.3 引氣劑種類對硬化混凝土氣孔結構的影響

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的氣孔數量最少。隨著孔徑增大，AE-A引氣劑孔含量降低趨勢明顯最快，AE-B和AE-C孔含量降低趨勢相近，AE-D引氣劑孔含量降低趨勢最慢。這說明AE-A引氣劑引入的微小氣孔最多，氣孔結構明顯優于其他幾種；AE-D引氣劑引入的氣孔結構最差。

氣泡間距系數是評價混凝土抗凍性的重要參數，間距系數小，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大小排序為AE-A>AE-B>AE-C>AE-D。通過與圖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，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與新拌混凝土含氣損失

摻入不同種類引氣劑的硬化混凝土的間距系數與新拌混凝土的含氣損失趨勢、引氣劑在水泥漿中的泡沫穩定性比較一致，這說明引氣劑的穩泡性能越好，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越小。

3 結 論

1)引氣劑的起泡能力與泡沫穩定性在水和水泥漿中表現出較大的不同，在水中起泡能力和泡沫穩定性高的引氣劑，在水泥漿中并不一定具有較好的起泡能力和泡沫穩定性。因此，不能只通過單純的進行水中的搖泡實驗進行篩選及研發引氣劑。

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

3)新拌混凝土的含氣損失小，則硬化混凝土中微小氣孔多，氣孔結構優越，氣泡間距系數小，抗凍融性好。因此，可以通過含氣損失來對比硬化混凝土的氣泡間距系數。

4)對于單一組分的引氣劑而言，起泡能力強的引氣劑穩泡能力較差，穩泡能力強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，應兼顧起泡能力和穩泡能力，選擇不同性能的引氣劑組分進行復配。

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