不同海拔下引氣劑氣泡及引氣水泥凈漿性能研究

袁廣學 ，王俊杰 ，李立輝 ，陳黎

(1.昭通市高速公路投資發展有限責任公司，云南 昭通 657000；2.昭通市昆巧高速公路投資開發有限公司，云南 昭通 657000；3.云南省公路科學技術研究院，云南 昆明 650051；4.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

云貴高原氣候復雜，部分地區晝夜溫差較大，凍融頻繁，這對在役混凝土結構抗凍性和耐久性產生不利影響。通過引入微小氣泡以緩沖凍脹壓力，提高混凝土結構的抗凍性[1-2]。目前，多數研究主要集中在具體環境條件下混凝土應具有什么樣的氣孔結構體系，氣泡能否穩定存在的因素包括礦物摻合料[3]、化學外加劑[4]、混凝土振搗方式[5]等。但是，實際上高原環境下硬化混凝土孔結構是否符合當初設計至關重要，高海拔下引氣劑的氣泡尺寸與引氣性能如何發展，研究結論尚不清晰。Ley M T 等[6]研究了混凝土硬化前后氣泡融合與破滅等現象。李雪峰和付智[7]認為，低氣壓環境下氣泡尺寸大、穩定性差、混凝土引氣困難導致了混凝土性能的劣化。Yan 等[8]的研究指出，西藏地區新鮮混凝土的空氣含量比湖北地區低30%～47%。李揚等[9]的研究表明，低氣壓下混凝土含氣量降低的原因不是由于引氣劑泡沫穩定性變差造成。伍毅等[10]認為，一些表面活性劑起泡量和穩定性與溶液溫度和材料性質相關，與環境氣壓高低無絕對關系。為此，本文討論不同引氣劑在昆明和巧家引氣氣泡的幾何參數演變規律，以及不同海拔下引氣劑對砂漿的孔結構影響規律。

1 實 驗

1.1 原材料與配合比

原材料：市售混凝土引氣劑AES，主要成分為脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉；市售混凝土引氣劑SJ-2，主要成分為三萜皂苷類；水泥：中國建筑材料科學研究總院產基準水泥；廈門ISO 標準砂；水：當地自來水。

配合比：水泥凈漿和砂漿配合比見表1。

表1 水泥凈漿和砂漿配合比

1.2 實驗方法

(1)氣泡幾何參數測試

第一步：準確量取自來水200 g，將其置于500 mL 燒杯中，用電子天平精確量取0.100 g 的引氣劑，并將其溶于200 g水溶液中，再從上述配制的溶液中準確移取100 mL 質量濃度為0.050%引氣劑溶液于1000 mL 的量筒中，將量筒端口膠皮套管密封，固定一個操作人員，按照水平方向往返為1 次震蕩，幅度約30 cm，如此30 s 內完成30 次震蕩，震蕩后將量筒頂端密封膠皮打開后，測量不同時刻(0、2、5 10、15、20、25、30 min)氣泡柱高度，并在靜置5 min 時，用微距相機拍攝量筒表面氣泡。第二步：將圖片導入ImageJ 軟件中，準確切取4 mm×4 mm 區域，并通過Find edges+Threshold 將圖片中氣泡壁畫出，經Measure+Analyze particles 計算出氣泡的平均直徑、最大氣泡直徑和單位面積氣泡個數。

(2)壓汞測試

采用美國麥克AutoPore IV 9500 壓汞儀，試件在成型地方標準養護28 d 后，從水泥凈漿中間夾取微小試樣，其體積略小于測孔儀的樣品管體積，質量約3.0 g，測孔前將試樣在60 ℃的烘箱中烘約6 h，冷卻至室溫后放入干燥箱中待測。

2 結果與討論

2.1 海拔高度對引氣劑溶液氣泡穩定性與尺寸的影響

分別在昆明和巧家兩地，按1.2 的實驗方法震蕩搖泡，不同海拔高度下引氣劑氣泡高度隨時間變化見圖1。用引氣劑溶液同時刻的高度差ΔH(ΔH=昆明氣泡高度-巧家氣泡高度)表征所形成氣泡的穩定性，見圖2。

圖1 不同海拔下氣泡引氣劑高度隨時間的變化

圖2 不同海拔下引氣劑溶液的高度差的變化

結合圖1 和圖2 可知，僅從引氣劑溶液發泡性能比較，海拔越高SJ-2 溶液震蕩所形成的氣泡柱越高(ΔH＜0)，即海拔高程對SJ-2 的發泡性能有負面影響；AES 的規律則相反。無論海拔高程多大，SJ-2 溶液震蕩所形成的氣泡柱高度均小于AES 所形成的氣泡柱。另外，SJ-2 和AES 震蕩所形成的氣泡柱高度均隨著時間延長而下降，前10 min 的下降幅度最大，之后下降均趨于平穩。從圖 2 還可知，同一時刻下|ΔH|SJ-2＜|ΔH|AES，說明相同海拔高差下SJ-2 泡沫較AES 更穩定。

按1.2 的實驗方法，觀測了氣泡柱表面5 min 和30 min 時氣泡的幾何參數，如表2 所示。

表2 不同海拔下引氣劑氣泡的幾何參數

由表2 可知，AES 在巧家和昆明形成氣泡平均直徑分別為174、234 μm，而SJ-2 在巧家和昆明形成氣泡平均直徑較其減小了45%和40%。從單位面積氣泡個數可知，在昆明AES形成初始氣泡數量為944 個/cm2，而SJ-2 形成初始氣泡數量約是AES 的2 倍，在昆明經30 min 靜置后，AES 氣泡數量為483 個/cm2，SJ-2 氣泡數量仍然有 768 個/cm2。對比 AES 和SJ-2 氣泡尺寸可知，SJ-2 所形成的初始氣泡尺寸比AES 氣泡更小，則高海拔穩定性越強。這主要取決于兩方面因素，一是氣泡尺寸越小，表面能越高，機械強度越大[11]，大氣泡吞噬小氣泡速率越慢，表現出更強的穩定性；二是，可能SJ-2 材料形成的氣泡薄膜比AES 強度高、韌性大。該試驗結果中海拔高差對SJ-2 溶液發泡、穩定性的影響規律與朱長華[12]的搖泡試驗結論基本一致。

2.2 海拔高度對引氣砂漿密度的影響

表3 為AES 和SJ-2 引氣劑不同摻量(按占水泥質量計)時，巧家和昆明硬化水泥凈漿和水泥砂漿的表觀密度。為更加直觀反映不同海拔下引氣效果，假設在巧家攪拌形成基準水泥凈漿含氣量為1.5%，基準水泥砂漿含量為2.0%。則表3 數據經計算可轉化為不同海拔下硬化水泥凈漿和砂漿的含氣量，結果見表4。

表3 不同海拔下硬化水泥凈漿和砂漿的表觀密度

由表3 可知，隨著海拔升高，凈漿的表觀密度呈略微減小趨勢，且該趨勢隨引氣劑摻量的增加更顯著。這可能是由于高海拔下形成氣泡中大尺寸氣泡占比較低海拔的略高，同時，凈漿的液相較黏稠，攪拌過程形成的氣泡尺寸比砂漿小，氣泡膜機械強度高，不易破碎，且這種現象隨著引入氣泡數量(引氣劑摻量)的增加而表現得更顯著，因此，高海拔下單位體積凈漿中氣體含量較低海拔氣泡體積略高，即海拔越高水泥凈漿含氣量越大(見表4)。經重復性驗證，水泥砂漿的表觀密度隨著海拔升高呈小幅增加，其幅度均小于1.5%。

表4 不同海拔下硬化水泥凈漿和砂漿的含氣量

由表4 可知，相同環境和引氣劑摻量下，水泥砂漿比水泥凈漿更容易引入氣泡，且海拔高度變化對水泥砂漿含氣量影響較小，其原因可能是相同水膠比時砂漿液相黏度較小，氣泡更容易形成，黏度和海拔高度也影響氣泡穩定性。結合表3 和表4 可以說明，海拔高度變化與引氣劑引入氣泡難易程度無直接關系，試驗甚至發現，在高原環境下水泥凈漿的引氣效果要優于非高原地區。

2.3 海拔高度對引氣凈漿孔徑分布的影響

圖3 為未摻引氣劑、摻0.050%AES 引氣劑和摻0.050%SJ-2 引氣劑凈漿的孔徑分布。

圖3 不同海拔下凈漿的孔徑分布

由圖3(a)可知，未摻引氣劑的基準凈漿，50～500 nm 之間的累計分布毛細孔含量巧家比昆明少，即高海拔下成型的基準凈漿氣泡平均直徑較其他地區偏大。這一現象在引氣硬化凈漿中表現為更為顯著。

水泥混凝土內部的孔隙主要由膠凝孔、過渡孔、毛細孔和大孔等組成，引氣劑引入的氣孔孔徑大多集中分布在1～300 μm。由圖3(b)可知，當AES 摻量為0.050%時，昆明孔徑最高峰(0.1254 ml/g)出現在2052 nm 處，巧家孔徑最高峰(0.0424 ml/g)出現在1600 nm 處；且100～10 000 nm 區域氣孔累計分布含量昆明＞巧家。另根據壓汞測試報告，昆明平均孔徑為30.2 nm，而巧家平均孔徑為15.5 nm，同樣，圖3(c)中SJ-2 引氣劑也表現出相同規律，為此可以認為，高海拔下硬化凈漿平均孔徑明顯大于常壓下平均孔徑，這是由于低氣壓下引氣氣泡平均直徑增大的緣故。對于凈漿中引入的氣泡，穩定存在的前提是氣泡內外壓差等于氣泡膜可抵抗機械強度，根據楊氏方程和帕斯卡定理，當環境氣壓變小，氣泡只能通過增大半徑來維持力學平衡，該測試結果與文獻[7，9]中提到的氣壓增大氣泡直徑增大相一致。

3 結 論

(1)隨著環境海拔升高，SJ-2 和AES 兩種引氣劑溶液所形成的初始氣泡直徑均增大；相同海拔高度下，SJ-2 所形成的氣泡平均粒徑小于AES 的氣泡平均粒徑，表現出較強的穩定性和高原適應性。

(2)隨著環境氣壓降低，硬化水泥凈漿表觀密度呈減小趨勢，含氣量增加，平均孔徑呈增大趨勢，其中100～10 000 nm區域氣孔累計分布含量：昆明＞巧家，而水泥砂漿表觀密度則隨著氣壓降低小幅增加，含氣量略微減小，這一趨勢均隨著引氣劑摻量增加而更加顯著。

(3)海拔高低變化與引氣劑引入氣泡難易程度無直接關系，而與引氣劑的種類、材料性質、氣泡初始尺寸等因素密切相關，為此，在高原地區應該更加關注混凝土引氣劑引入氣泡尺寸對耐久性的影響。