大氣壓強對混凝土引氣劑引氣效果的影響

李立輝, 陳 歆, 田 波, 葛 勇, 王子豪

(1.交通運輸部公路科學研究院, 北京 100088; 2.重慶交通大學 土木工程學院, 重慶 400074; 3.哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150090)

青藏高原有著世界屋脊之稱,平均海拔在4000m以上,空氣干燥稀薄、晝夜溫差大、凍融交替頻繁,氣候條件極為惡劣.這些氣候特征會對在役的混凝土結構產生不利影響[1-4].在混凝土中摻加引氣劑,能夠引入大量的微小氣泡以緩沖凍融循環中混凝土內部自由水的凍脹應力,有效提升混凝土的抗凍性[5-6].然而,部分工程和科研人員發現,混凝土引氣劑在青藏高原地區的發泡引氣性能要遜于在普通低海拔地區,并將之歸因于高海拔地區特有的低氣壓環境[3,7-8].但是,關于低氣壓環境對混凝土引氣劑發泡性能的具體影響則眾說紛紜.朱長華等[7]認為氣壓不會影響初始起泡體積,但會影響氣泡的穩定性.岑國平等[3]認為低氣壓環境對起泡體積與起泡穩定性都有明顯的不良影響.李揚等[9]研究了高速攪拌下引氣劑溶液中氣泡的產生和發展,認為空氣壓強對氣泡產生、氣液混合、氣液分離和氣泡衰亡等4個階段都沒有影響.伍毅等[10]認為低氣壓環境下引氣劑的發泡效率有所下降,但是氣泡的穩定性因表面活性劑品種而異.

此外,對于不同大氣壓強下引氣混凝土含氣量變化的判斷也存在著較大的分歧.李雪峰等[11-12]認為在50kPa的氣壓下混凝土的含氣量較常壓環境下低將近一半.岑國平等[3]認為在西安含氣量大于4%的混凝土配合比,在玉樹復現時含氣量只有1%～2%.但是,Shi等[13]的研究表明,山南(西藏)的引氣混凝土含氣量只比武漢低1.5%.路明等[8]的研究表明,山南地區(西藏)加查附近的引氣混凝土含氣量只比貴陽低1.1%.陳華鑫等[4]的研究結果顯示,拉薩的引氣混凝土與西安的引氣混凝土在硬化后的含氣量(均小于5.5%的情況下)無明顯區別.

基于此,本文在北京(海拔50m,氣壓101.2kPa)、楚雄(海拔2100m,氣壓81.2kPa)和日喀則(海拔3830m,氣壓63.8kPa)3地對引氣劑溶液中的氣泡尺寸和穩定性、引氣水泥凈漿的表觀密度和孔徑分布特征以及引氣水泥砂漿的表觀密度和含氣量進行了試驗研究,旨在系統地總結大氣壓強對混凝土引氣劑發泡性能的影響規律,為高原地區混凝土引氣劑的使用和混凝土材料抗凍性設計提供理論指導.

1 試驗

1.1 原材料與配合比

引氣劑(AEA)為2種市售混凝土引氣劑(AES、303R),其有效成分分別為脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉與烷基糖苷;水泥為曲阜中聯水泥有限公司生產的基準水泥;砂子為廈門艾思歐標準砂有限公司生產的ISO標準砂;拌和水為當地自來水;減水劑(SP)為聚羧酸鹽類高性能減水劑,具有一定的引氣性,1.0%(質量分數)摻量下混凝土的含氣量(A,體積分數)約為2.0%,對應砂漿含氣量約為3.6%.水泥凈漿與砂漿的配合比見表1.

表1 水泥凈漿和砂漿配合比

1.2 試驗方法

除硬化后水泥凈漿和水泥砂漿的表觀密度、孔結構在北京測試外,其余各項試驗和操作均分別在北京、楚雄和日喀則進行.

1.2.1氣泡尺寸分析

引氣劑溶液中氣泡尺寸整個測試過程的環境溫度為(12±1)℃,并按如下步驟進行：

(1) 稱取0.1g引氣劑溶于200g、(12±1)℃的自來水中,獲得0.5‰的引氣劑溶液.移取該溶液100mL至1000mL量筒中,用橡膠膜密封量筒端口.

(2)安排專人沿水平方向往返振蕩量筒,振幅為30cm,頻率為1Hz,持續30s.振蕩結束后豎直量筒,打開橡膠膜,靜置5min.

(3)微距模式下拍攝量筒側面氣泡,拍攝位置為初始氣泡柱的中點(見圖1(a)),繼續靜置至第30min 時再次拍攝.

(4)將拍攝的照片導入Image J軟件中,準確切取4mm×4mm區域(見圖1(b)),識別并處理區域中的氣泡壁(見圖1(c)),最終計算出區域內氣泡的直徑、累計截面積和數量等參數.

加拿大寫實動物小說中的倫理思想探析 …………………………………………………………… 黃雯怡（1.94）

圖1 氣泡幾何參數測試與分析Fig.1 Test and analysis of bubble size

1.2.2試件成型

水泥凈漿由行星式攪拌機在自動模式下完成攪拌,新拌水泥凈漿倒入一次性紙杯中靜置成型,1d后移入標準養護室中養護至28d.

水泥砂漿由行星式攪拌機進行攪拌,先將基準水泥與標準砂干攪60s,加入水和外加劑溶液后再低速攪拌60s,最后高速攪拌120s.將新拌水泥砂漿倒入三聯模中,并在振動臺上振搗密實,1d后移入標準養護室中養護至28d.

1.2.3孔徑分布試驗

采用美國麥克AutoPore IV 9500型壓汞儀測試硬化水泥凈漿的孔徑分布.水泥凈漿在標準養護28d后破碎并修剪成若干個尺寸為φ5mm的球形樣品,置于60℃烘箱中烘干24h,冷卻后放入干燥箱中,試驗前再將樣品取出放入壓汞儀的樣品管中.管內樣品堆積高度略低于管口,每批樣品總質量約3.0g.

1.2.4表觀密度試驗

硬化水泥凈漿與砂漿的表觀密度(ρ)試驗采用網籃法,具體參照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》.

2 結果與討論

2.1 氣壓對溶液中氣泡尺寸與穩定性的影響

在北京、楚雄和日喀則3地對AES和303R的水溶液進行振蕩起泡試驗,振蕩后靜置5、30min的氣泡平面形態見圖2、3.由圖2、3可見：(1)對于同種引氣劑,環境氣壓越低,初始氣泡(振蕩-搖泡后靜置5min時的氣泡)的直徑越大,單位面積內的氣泡數量越少.該發現與朱長華等[7]的研究結果基本一致.(2)在相同氣壓環境下,AES所形成的氣泡尺寸要大于303R所形成的氣泡,2種引氣劑形成氣泡的尺寸與穩定性均有著較大的差異.這與引氣劑溶液本身的性質相關,一般認為溶液的表面張力越小,其所形成的氣泡直徑越小[14].

通過Image J軟件對圖2、3進行數值處理,得到了在北京、楚雄和日喀則3地AES和303R溶液中氣泡的平均直徑和最大直徑等尺寸參數,結果見表2.由表2可見：(1)AES和303R引氣劑在日喀則形成氣泡的初始平均直徑較其在北京形成的氣泡分別大81%和72%.由此可知,氣泡直徑與當地環境氣壓呈負相關.(2)303R溶液中形成氣泡的直徑較AES降低了30%～40%.相應地,氣泡尺寸越小,單位面積內的氣泡個數越多,即氣泡分布密度越大.

表2 不同氣壓下引氣劑溶液中氣泡的尺寸

通過對圖2的處理,還能得到不同氣壓下振蕩-靜置后引氣劑溶液中氣泡的直徑分布,結果見圖4.由圖4可見：(1)隨著靜置時間的延長,觀測平面內小氣泡的累計截面積減少,大氣泡的累計截面積增加,且當地大氣壓強越低,該現象越為顯著.這一現象的本質是吉布斯自由能自發降低的過程,體現為溶液中的大氣泡吞噬、合并了其周圍小氣泡并形成了更大的氣泡,使氣泡體系總表面積減小、吉布斯自由能降低.根據拉普拉斯方程,氣泡內壓與氣泡尺寸呈負相關,體系中大氣泡愈大而小氣泡愈小,實際上也是體系內部壓力平衡的過程[15].(2)初始大氣泡的數量越多、尺寸越大,則體系中大氣泡吞噬、合并小氣泡的速率越快.相對于標準大氣壓環境,高原低氣壓環境下引氣劑在溶液中形成的初始氣泡數量更多、尺寸更大,所以在高原低氣壓環境下引氣劑溶液中氣泡尺寸的增長速度更快.(3)303R溶液中氣泡發育較AES溶液中緩慢,即303R所形成氣泡的穩定性優于AES所形成的氣泡,其原因在于303R形成氣泡的初始尺寸小于AES形成的氣泡.

圖2 不同氣壓下AES引氣劑溶液中的氣泡演變Fig.2 Bubble evolution in AES solution at different atmospheric pressures

圖3 不同氣壓下303R引氣劑溶液中的氣泡演變Fig.3 Bubble evolution in 303R solution at different atmospheric pressures

圖4 不同氣壓下引氣劑氣泡的尺寸分布Fig.4 Size distribution of bubbles in AEA solution at different atmospheric pressures

2.2 氣壓對引氣水泥凈漿孔徑分布的影響

引氣劑在水泥凈漿中的引氣效果以引氣水泥凈漿硬化后的表觀密度來表征.北京、楚雄和日喀則3地不同氣壓條件下引氣水泥凈漿硬化后的表觀密度如圖5所示.由圖5可見,硬化引氣水泥凈漿的表觀密度隨著攪拌成型環境氣壓的降低而下降,內部孔隙率隨著氣壓下降而增加.該趨勢在引氣劑摻量較大時更為明顯.

圖5 不同氣壓下硬化水泥凈漿的表觀密度Fig.5 Apparent density of hardened cement paste made at different atmospheric pressures

對在3地成型的引氣水泥凈漿利用壓汞法進行孔結構試驗,得到不同氣壓下成型硬化的引氣水泥凈漿的孔徑(R)分布,結果如圖6所示.其中V為孔體積.由圖6可見：(1)相較常壓環境下成型硬化的引氣水泥凈漿,低氣壓環境下成型硬化的引氣水泥凈漿中R為10～100nm的孔偏少,而R為100～1000nm的孔偏多.攪拌成型的環境氣壓越低,該趨勢越明顯.(2)就R為100～1000nm范圍內的累計孔體積排序,由大到小分別為日喀則凈漿>楚雄凈漿>北京凈漿.因此,硬化引氣水泥凈漿表觀密度隨著氣壓降低而降低的現象,原因在于低氣壓環境下引氣水泥凈漿中的孔體積增大.這也與2.1中引氣劑溶液中氣泡在低氣壓下尺寸偏大的現象相互印證.

圖6 不同氣壓下硬化水泥凈漿的孔徑分布Fig.6 Pore size distribution of hardened cement paste made at different atmospheric pressures

2.3 氣壓對引氣水泥砂漿含氣量的影響

圖7為北京、楚雄和日喀則3地不同氣壓條件下引氣水泥砂漿的表觀密度.由圖7可見,與常壓環境下成型的砂漿相比,低氣壓環境下成型砂漿的表觀密度有小幅的降低,呈現了與水泥凈漿相反的趨勢.結合溶液中氣泡尺寸與凈漿孔結構的分析結果以及水泥凈漿與砂漿在成型方法上的差異,判斷其原因在于低氣壓環境下,尺寸較大的氣泡在水泥砂漿的振搗過程中更容易破滅或上浮逸出,在一定程度上降低了引氣水泥砂漿內部的含氣量.而水泥凈漿由于是靜置成型,沒有振搗過程帶來的含氣量損失.

圖7 不同氣壓下硬化砂漿的表觀密度Fig.7 Apparent density of hardened mortar made at different atmospheric pressures

在北京成型的非引氣水泥砂漿表觀密度為2296kg/m3(見圖7),含氣量為3.6%,由此可知在該水泥砂漿的骨架密度(摒除所有氣孔)為2382kg/m3.在此基礎上,結合圖7中各組砂漿的表觀密度,可以根據式(1)換算出各組砂漿的含氣量A,結果見圖8.

圖8 不同氣壓下硬化砂漿的含氣量Fig.8 Air content of hardened mortar made at different atmospheric pressures

A=(2382-ρ)/2382

(1)

由圖8可見,隨著氣壓的降低,引氣砂漿的含氣量也有所降低.但是,這個降幅不超過2.1%.考慮到混凝土中砂漿體積約占總體積的60%,則可以推測這個降幅在混凝土中約為1.2%.該值接近于Shi等[13]、路明等[8]和陳華鑫等[4]的現場試驗結果.這樣的降幅可以通過適當提高引氣劑摻量來調節.因此,高原低氣壓環境不會造成混凝土在工程意義上的引氣困難.

3 結論

(1)對同種引氣劑來說,隨著環境氣壓的降低,引氣劑溶液經振蕩后形成氣泡的初始尺寸增大.在隨后的靜置過程中,大氣泡會吞噬其周邊小氣泡以形成更大的氣泡.氣泡的初始尺寸越大,其吞噬速率越快,穩定性更差.

(2)隨著環境氣壓的降低,硬化引氣水泥凈漿的表觀密度減小,即其內部的孔體積有所增加.3地硬化水泥凈漿在100～1000nm半徑范圍內累計孔體積的排序為日喀則>楚雄>北京.

(3)硬化引氣水泥砂漿的表觀密度隨著氣壓的降低出現小幅增加,即含氣量有所降低,但降幅在2.1%(相當于混凝土1.2%)以內.

(4)303R引氣劑在水溶液與水泥凈漿中的氣泡尺寸均小于AES引氣劑,更適用于高原低氣壓環境.