外加劑對機制砂混凝土表面氣泡參數(shù)影響試驗研究

溫金保，樊金光，唐修生，杜志芹，劉興榮，夏強，季海

（1.南京水利科學研究院，江蘇 南京210029；2.南京瑞迪高新技術(shù)有限公司，江蘇 南京210024；3.水利部水工新材料工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京210024；4.寧波航通預(yù)制構(gòu)件工程有限公司，浙江 寧波315207）

0 引言

近年來，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展和對環(huán)境保護的日益重視，使得混凝土發(fā)展正面臨自然資源（天然砂）消耗的挑戰(zhàn)，在不少地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)天然砂逐步減少、甚至無砂可用的情況[1-2]。相對于天然砂，機制砂的原材料來源廣泛，機制砂用作混凝土的細集料，既可解決天然砂資源短缺問題，又能降低運輸成本，保護環(huán)境，而且混凝土強度能夠得到保障。機制砂替代天然砂用作混凝土細骨料已經(jīng)成為混凝土行業(yè)的發(fā)展趨勢[3]。在機制砂混凝土配制過程中，由于機制砂比表面積大、粒形不規(guī)整、級配不合理等原因?qū)е掠不炷帘砻娉霈F(xiàn)大量氣孔結(jié)構(gòu)，嚴重影響混凝土質(zhì)量，而且對混凝土的耐久性也有不利的影響。目前，混凝土質(zhì)量不僅對強度、完整性、幾何尺寸及其他技術(shù)指標有越來越高的標準，而且對于混凝土外觀要求也越來越嚴格。

混凝土表面氣泡質(zhì)量是清水混凝土驗收的關(guān)鍵指標[4]，且硬化混凝土表面氣泡質(zhì)量問題是工程界亟需解決的難題。國內(nèi)外眾多研究工作者對混凝土表面氣泡質(zhì)量問題開展了大量的研究工作[5－7]。外加劑作為混凝土重要組成原材料也勢必成為表面氣泡重要影響因素之一。因此，探討混凝土外加劑對混凝土表觀質(zhì)量的影響規(guī)律對于混凝土工程界具有重要的現(xiàn)實意義，可為混凝土表觀質(zhì)量的改善提供參考依據(jù)。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1 混凝土原材料

水泥：中國海螺P·O42.5水泥，其物理力學性能測試結(jié)果見表1；礦粉（SL）：南京梅寶S95級；粉煤灰（FA）：鎮(zhèn)江諫壁Ⅱ級灰；砂（S）：鵝卵石破碎機制砂，產(chǎn)地為江蘇揚中，其物理性能見表2；碎石（G）：5～31.5 mm連續(xù)級配的石灰?guī)r，產(chǎn)地為安徽和縣。

表1 水泥的物理力學性能測試結(jié)果

表2 機制砂的物理性能測試結(jié)果

1.1.2 外加劑

聚羧酸系減水劑PC102B1（減水型）與PC203A1（保坍型）由安徽瑞和新材料有限公司提供，其勻質(zhì)性檢測結(jié)果為：PC102B1，含固量39.6%，pH值6.87，密度1.081 g/cm3，堿含量0.72%，氯離子含量0.024%，硫酸鈉含量0.13%；PC203A1，含固量39.49%，pH值5.82，密度1.079 g/cm3，堿含量0.46%，氯離子含量0.011%，硫酸鈉含量0。引氣劑：淺黃色液體，含固量為33.65%，東邦化學（上海）有限公司；消泡劑：無色透明液體，含固量為31.28%，東邦化學（上海）有限公司。

1.2 試驗方法

機制砂混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（礦粉）∶m（機制砂）∶m（碎石）∶m（水）＝252∶54∶54∶757∶1046∶210，且外加劑均按原液摻量計算，摻量按占膠凝材料質(zhì)量計。混凝土表面氣泡參數(shù)測試試件采用200 mm×200 mm×200 mm立方體試模成型?；炷翑嚢杈鶆蛞淮涡匀肽＃y(tǒng)一用振動臺經(jīng)高頻振搗25 s后刮平，在（20±3）℃下養(yǎng)護48 h拆模后晾干，立即測試混凝土表面氣泡參數(shù)，測試方法如下：首先用數(shù)碼相機對試件測試面表面圖像進行采集，然后采用Image－Pro－Plus6.0圖像分析軟件對待測圖像的氣泡參數(shù)如氣泡直徑、氣泡面積、不同直徑氣泡數(shù)量進行數(shù)據(jù)采集，然后進行計算分析獲得氣泡面積百分率（μ）、氣泡最大孔徑（Dmax）、氣泡直徑（D）分布等參數(shù)。氣泡面積百分率是指混凝土表面氣泡總面積相對于混凝土表面面積的比值；不同直徑（D）的氣泡數(shù)量是指在混凝土表面積為40 000 mm2時的統(tǒng)計數(shù)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 減水型聚羧酸系減水劑的影響

表3為減水型聚羧酸系減水劑PC102B1摻量分別為0.15%、0.20%、0.25%與0.30%時的混凝土表面氣泡參數(shù)。

表3 減水型聚羧酸系減水劑與混凝土表面氣泡參數(shù)的關(guān)系

由表3可知，隨減水劑摻量的增加，氣泡面積百分率（μ）總體呈減小趨勢，在摻量0.30%時具有最小值，為0.39%，相對于摻量0.15%時的最大值0.93%減小了58.1%；最大孔徑則為先減小后增大再減小的無規(guī)律變化，同樣在摻量0.30%時具有最小值，為3.6 mm，相對于摻量0.25%時的最大值5.2 mm減小了30.8%；直徑D≤1 mm與D＞1 mm氣泡數(shù)量總體均呈逐漸減少趨勢，均在摻量0.15%時具有最大值，分別為272個、70個，且均在摻量0.30%時具有最小值，分別為196個、39個，相對于最大值，最小值分別減小了27.9%、44.3%。上述4個參數(shù)總體上均隨減水劑摻量增加而減小，主要是因為減水型聚羧酸系減水劑的減水率相對比較高，隨著摻量的增加，混凝土坍落度逐漸增大，而混凝土流動性的增加則有利于混凝土表面氣泡的排出。

2.2 保坍型聚羧酸系減水劑的影響

表4為保坍型聚羧酸系減水劑PC203A1摻量分別為0.30%、0.35%、0.40%與0.45%時的混凝土表面氣泡參數(shù)。

表4 保坍型聚羧酸系減水劑與混凝土表面氣泡參數(shù)的關(guān)系

由表4可知，隨減水劑摻量的增加，氣泡面積百分率（μ）先增大后減小，在摻量0.45%時具有最小值，為0.70%，相對于摻量0.35%時的最大值1.48%減小了52.7%；最大孔徑則為先不變后減小再增大，在摻量0.40%時具有最小值，為3.6 mm，相對于摻量0.30%與0.35%時的最大值6.0 mm減小了40.0%；直徑D≤1 mm與D>1 mm氣泡數(shù)量均先增加后減少，其中D≤1 mm氣泡數(shù)量在摻量0.30%與0.40%時分別出現(xiàn)最小值605個、最大值1400個，最小值相對于最大值減小了56.8%，D>1 mm氣泡數(shù)量在摻量0.45%與0.35%時分別出現(xiàn)最小值58個、最大值110個，最小值相對于最大值減小了47.3%。氣泡面積百分率、直徑D≤1 mm與D>1 mm氣泡數(shù)量隨減水劑摻量增加先增大后減小，主要是保坍型聚羧酸系減水劑的減水率相對比較低且具有一定的引氣作用，因此，在達到臨界摻量之前，隨摻量的增加坍落度變化較小且含氣量逐漸增大，當達到臨界摻量后，隨摻量增加坍落度變化增大，有利于表面氣泡的排出。同時，與表3對比可知，相對減水型聚羧酸系減水劑，混凝土表面氣泡參數(shù)均有所增大，氣泡面積百分率的最大值與最小值分別增大了59.1%、79.5%，直徑D≤1 mm氣泡數(shù)量的最大值與最小值分別增大了4.15倍、2.09倍，直徑D>1 mm氣泡數(shù)量的最大值與最小值分別增大了57.1%、48.7%。

2.3 引氣劑的影響

表5為引氣劑摻量分別為0、0.003%、0.006%與0.010%時混凝土表面氣泡參數(shù)，同時摻入0.25%PC102B1聚羧酸系減水劑。

表5 引氣劑與混凝土表面氣泡參數(shù)的關(guān)系

由表5可知，隨引氣劑摻量的增加，氣泡面積百分率（μ）逐漸增大，相對于最小值，最大值增大了1.59倍；最大孔徑的變化無明顯規(guī)律性，在摻量0.003%時具有最大值為8.3 mm，相對于未摻引氣劑時的最小值5.2 mm增大了59.6%；直徑D≤1 mm的氣泡數(shù)量逐漸增加，相對于最小值，最大值增大了3.05倍；直徑D>1 mm氣泡數(shù)量先增加后保持不變，在摻量0.006%時具有最大值118個，相對于未摻引氣劑時的最小值58個增加了1.03倍。由此可見，在PC102B1聚羧酸系減水劑的基礎(chǔ)上摻入引氣劑時，混凝土氣泡面積百分率、最大孔徑、直徑D>1 mm氣泡數(shù)量均明顯增多，對混凝土外觀質(zhì)量有不利影響。

2.4 消泡劑的影響

表6為消泡劑摻量分別為0.001%、0.002%、0.004%與0.008%時混凝土表面氣泡參數(shù)，同時摻入0.25%的PC102B1聚羧酸系減水劑。

表6 消泡劑與混凝土表面氣泡參數(shù)的關(guān)系

由表6可知，隨消泡劑摻量的增加，氣泡面積百分率（μ）先減小后增大，在摻量0.004%時具有最小值，為0.09%，相對于摻量0.001%時的最大值0.74%減小了87.8%，在摻量進一步提高到0.008%時，氣泡面積百分率依然相對較小，僅為0.16%；最大孔徑的變化規(guī)律也是先減小后增大，在摻量0.004%時具有最小值2.5 mm，相對于摻量0.001%時的最大值4.2 mm減小了40.5%；直徑D≤1 mm的氣泡數(shù)量先減少后增多，在摻量0.004%時具有最小值67個，相對于摻量0.001%時的最大值264個減小74.6%；直徑D>1 mm氣泡數(shù)量逐漸減少，在摻量0.008%時的最小值僅為9個，相對于摻量0.001%時的最大值60個減小了85.0%。綜上可見，在PC102B1聚羧酸系減水劑的基礎(chǔ)上摻入消泡劑時，混凝土氣泡面積百分率、最大孔徑、直徑D≤1 mm與D>1 mm氣泡數(shù)量均顯著下降。氣泡面積百分率的最小值相對于減水型聚羧酸系減水劑、保坍型聚羧酸系減水劑及引氣劑的各自最小值分別降低了76.9%、87.1%與94.2%，氣泡面積百分率的最大值相對于減水型聚羧酸系減水劑、保坍型聚羧酸系減水劑及引氣劑的各自最大值分別降低了20.4%、50%與61.9%?？梢姡輨┑膿饺肟蓸O大改善混凝土表面氣泡外觀質(zhì)量。

2.5 含氣量與表面氣泡參數(shù)的關(guān)系

針對上述4種外加劑對混凝土表面氣泡參數(shù)影響試驗所測得的含氣量，建立了含氣量與混凝土表面氣泡參數(shù)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 含氣量與混凝土表面氣泡參數(shù)的關(guān)系

由圖1可知，氣泡面積百分率與直徑D>1 mm氣泡數(shù)量均隨含氣量的提高而不斷增多。由此可見，含氣量的提高，總體上將導致氣泡面積百分率與直徑D>1 mm氣泡數(shù)量增多的概率上升，不利于混凝土外觀質(zhì)量的改善，這與引氣劑或消泡劑對混凝土表面氣泡參數(shù)的影響規(guī)律相吻合。

3 結(jié)論

（1）無論是減水型還是保坍型聚羧酸系減水劑，其摻量均對機制砂混凝土表面氣泡參數(shù)影響比較大，且摻保坍型聚羧酸系減水劑的機制砂混凝土表面氣泡參數(shù)數(shù)值相對于摻減水型聚羧酸系減水劑要大。

（2）機制砂混凝土摻入引氣劑時，混凝土氣泡面積百分率、最大孔徑、直徑D>1 mm氣泡數(shù)量均明顯增大，對混凝土外觀質(zhì)量有明顯的不利影響。

（3）機制砂混凝土摻入消泡劑時，混凝土氣泡面積百分率、最大孔徑、直徑D≤1 mm與D>1 mm氣泡數(shù)量均顯著下降?？梢?，消泡劑的摻入可極大改善混凝土表面氣泡外觀質(zhì)量。

（4）機制砂混凝土含氣量的提高，總體上將導致氣泡面積百分率與直徑D>1 mm氣泡數(shù)量增大的概率均增大，不利于混凝土外觀質(zhì)量的改善。