引氣劑在水泥混凝土中的應(yīng)用

高 濤

1 概述

引氣劑是混凝土中使用得最早的外加劑。美國(guó)最早開(kāi)始研究,并在20世紀(jì)40年代應(yīng)用于混凝土抗凍工程中。我國(guó)是50年代開(kāi)始引氣劑的研究,現(xiàn)在隨著混凝土技術(shù)發(fā)展的需要,特別是引進(jìn)國(guó)外施工設(shè)備和國(guó)外工程公司進(jìn)入我國(guó)施工市場(chǎng),引氣劑也開(kāi)始得到廣泛重視。引氣劑是一種攪拌過(guò)程中具有在砂漿和混凝土中引入大量均勻分布的微氣泡,而且在硬化后能保留在其中的一種外加劑。引氣劑的摻量通常在0.002%～0.01%,使混合物中引氣量達(dá)到3%～5%。據(jù)估計(jì),在此情況下,每立方米混凝土中將引入5 000億～8 000億個(gè)小氣泡,因此引氣劑改善了新拌混凝土的和易性,使硬化混凝土的抗凍融性、耐久性得到了顯著的提高,它的使用是混凝土發(fā)展史上的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)。

2 引氣劑的種類(lèi)

1)松香鹽。松香鹽是國(guó)內(nèi)最廣泛使用的引氣劑,松香的化學(xué)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜,其中含有松脂酸類(lèi)、芳香烴類(lèi)、芳香醇類(lèi)和中性物質(zhì)等。將松香與石碳酸(苯酚)、硫酸按一定比例投入反應(yīng)釜,在一定溫度和合適條件下反應(yīng),生成一種分子量比較大的物質(zhì),再用氫氧化鈉處理成為鈉鹽的縮合熱聚物。這種縮合熱聚物因引氣而有一定的減水作用,但減水率比較低。

2)烷芳基磺酸鹽。烷芳基磺酸鹽是最普遍的合成洗滌劑,是普通的表面活性物質(zhì),是烷基與苯縮合的復(fù)雜石油殘余物,這種產(chǎn)物經(jīng)磺化、中和得到可溶性的鈉鹽。

3)磺化木質(zhì)素鹽。磺化木質(zhì)素鹽是造紙工業(yè)的副產(chǎn)品,它在混凝土中引入氣泡的性能比較差,是一種較差的引氣劑。

4)石油酸鹽。它是精制石油的副產(chǎn)品,為了生產(chǎn)輕油,石油用硫酸處理后留下的殘?jiān)兴苄曰撬猁},以后再用氫氧化鈉中和。如果用三乙醇胺中和,就得到了另一種類(lèi)型的產(chǎn)品,即磺化的碳?xì)浠衔镉袡C(jī)鹽,它可作為引氣劑使用。此外,還有三帖皂苷類(lèi)引氣劑和蛋白質(zhì)鹽類(lèi)引氣劑等。

3 引氣劑的作用機(jī)理

引氣劑主要作用是引入氣泡,其次是分散和潤(rùn)濕作用。引氣劑最早是作為提高混凝土抗?jié)B性、抗凍性、抗鹽凍剝蝕性而使用的外加劑。其主要原理是引氣劑引入的小氣泡切斷毛細(xì)管的通路,降低毛細(xì)管作用,從而提高混凝土的抗?jié)B性。這些微氣孔在冰凍過(guò)程中能釋放毛細(xì)管內(nèi)的冰晶膨脹壓力,從而避免生成破壞壓力,減少和防止凍融的破壞作用,提高混凝土的抗凍性。

4 引氣劑對(duì)混凝土性能的影響

4.1 引氣劑對(duì)新拌混凝土性能的影響

由于引氣劑能在混凝土中引入大量微小而獨(dú)立的氣泡,這些球狀氣泡如同滾珠一樣,改變了混凝土內(nèi)部集料間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦機(jī)制,變集料間的滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦,減小了內(nèi)摩擦阻力,這就使新拌混凝土具有了更好的和易性和流動(dòng)性。隨含氣量每增加1%,坍落度可增加1 cm左右。

此外,由于氣泡吸附在水泥粒子表面,使水泥粒子的表面積增大,導(dǎo)致體系粘度增加,加之氣泡對(duì)細(xì)小集料的浮托和支撐作用,都會(huì)使混凝土泌水和沉降現(xiàn)象減輕。降低泌水的作用因引氣劑種類(lèi)而異,引氣劑品種對(duì)混凝土泌水率的影響如表1所示。

表1 引氣劑品種對(duì)混凝土泌水率的影響

4.2 引氣劑對(duì)硬化混凝土物理力學(xué)性能的影響

1)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。引氣劑增加了混凝土中的氣泡,因而減小了漿體的有效面積,造成了混凝土抗壓強(qiáng)度的降低。一般規(guī)律如混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定,混凝土含氣量每增加1%,混凝土抗壓強(qiáng)度降低4%～6%,抗折強(qiáng)度降低2%～3%。在混凝土材料配合比不變的情況下(坍落度增加),引氣的混凝土強(qiáng)度降低的典型曲線如圖1所示。含氣量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響與水泥用量,或者說(shuō)與混凝土的強(qiáng)度等級(jí)有關(guān),對(duì)于低水泥用量的貧配合比混凝土,由引氣所引起的強(qiáng)度降低幾乎可以忽略不計(jì)。對(duì)于高強(qiáng)混凝土而言,則必須重視由于引氣而帶來(lái)的強(qiáng)度損失。

2)對(duì)混凝土耐久性的影響。a.混凝土的抗?jié)B性。由于引氣劑具有一定的減水作用,所以引氣混凝土用水量減少,拌合物的離析和泌水性降低,這樣使混凝土中連通的大毛細(xì)孔,即水分遷移的主要通道減少,因而混凝土的抗?jié)B性有所提高。同時(shí),引氣劑引入大量封閉的微小氣泡,占據(jù)了混凝土中的自由空間,破壞了毛細(xì)管的連續(xù)性,這也使混凝土的抗?jié)B性得到了改善。b.混凝土的抗化學(xué)腐蝕性及抗碳化性。引氣劑提高了混凝土的抗?jié)B性,從而降低了侵蝕氣體和液體的侵入作用,因此,與抗?jié)B性有關(guān)的混凝土抗化學(xué)腐蝕性(如抗硫酸鹽侵蝕性)和抗碳化性均有所改善。由于引氣混凝土中大量氣孔為膨脹反應(yīng)提供了容納空間,因而在一定程度上可緩解膨脹應(yīng)力,所以引氣劑可提高混凝土抗堿—骨料反應(yīng)能力。c.混凝土的抗凍性。引氣劑可顯著地提高混凝土的抗凍性。非引氣混凝土只要摻入少量引氣劑,使含氣量提高到約4%,在絕大多數(shù)自然環(huán)境中均可獲得良好的抗凍性能。要使混凝土的抗凍性能良好,氣泡間距 L最好控制在200 μ m以下。當(dāng)含氣量在3%～6%的范圍內(nèi)時(shí),混凝土的耐久性隨含氣量的增加而大幅度提高,但超過(guò)6%以后,隨著含氣量的繼續(xù)增加,耐久性反而降低。

5 引氣劑的工程應(yīng)用及技術(shù)要點(diǎn)

5.1 工程應(yīng)用

1)適用抗凍融、抗結(jié)冰鹽破壞作用的混凝土;2)適用骨料質(zhì)量差、泌水嚴(yán)重的普通混凝土和輕骨料混凝土;3)適用泵送混凝土、預(yù)拌商品混凝土、滑模施工混凝土、抗?jié)B混凝土、冬季施工混凝土;4)適用水工、海工、道路工程混凝土以及有表面裝飾要求的混凝土。

5.2 技術(shù)要求

常用的引氣劑量為水泥用量的0.005%～0.05%,建筑工程混凝土摻量接近低限,可參考表2。

表2 混凝土常用引氣劑摻量及性能

使用引氣劑時(shí)需要注意下列事項(xiàng):

1)引氣劑配制溶液時(shí),必須充分溶解,若有絮凝現(xiàn)象則應(yīng)加熱使其溶解,或適當(dāng)加入乳化劑。2)混凝土原材料的性質(zhì),混凝土拌合物的配合比及拌和、裝卸、澆筑、環(huán)境溫度,必須盡量保持平衡,才能使混凝土含氣量的波動(dòng)盡量小。當(dāng)施工條件有變化時(shí),要相應(yīng)增加或減小引氣劑用量。3)對(duì)含氣量有考核要求的混凝土,施工時(shí)需要有規(guī)律地間隔時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,以控制含氣量。并且在澆筑時(shí)要檢測(cè)含氣量,以避免在運(yùn)輸、裝卸等過(guò)程中含氣量損失產(chǎn)生誤差。4)由于近年來(lái)在施工中普遍采用高頻振搗棒(頻率12 000次/分～19 000次/分),振搗力大大增加。在強(qiáng)大的振動(dòng)作用下,混凝土中氣泡大量逸出,致使含氣量下降。因此,在施工中要保持不同部位振搗時(shí)間均勻,并且同一部分振搗時(shí)間不宜超過(guò)20 s。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的振搗方式和時(shí)間長(zhǎng)短要盡可能與現(xiàn)場(chǎng)一致。5)摻引氣劑的混凝土含氣量增大,從而引起混凝土體積增大,故應(yīng)在配合比設(shè)計(jì)中予以考慮,以保證混凝土的制成量和在比較試驗(yàn)中單位水泥用量不變。因此,在用假定容重法或絕對(duì)體積法計(jì)算配合比時(shí),可根據(jù)濕容重或含氣量的大小對(duì)配合比進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,以避免每立方米混凝土中實(shí)際水泥用量不足。

6 結(jié)語(yǔ)

引氣劑是混凝土外加劑中一個(gè)重要的獨(dú)立品種。隨著科技的發(fā)展,提高引氣劑的質(zhì)量是擺在我們面前的重要課題。一種優(yōu)良的引氣劑必須具備良好的發(fā)泡能力和穩(wěn)定性能,同時(shí)具有良好的氣泡結(jié)構(gòu)和小的強(qiáng)度損失率,并與其他外加劑具有強(qiáng)的復(fù)合性,使用起來(lái)方便安全,價(jià)格合理。因此如何將引氣劑的應(yīng)用拓展到高性能混凝土領(lǐng)域,使其在改善混凝土耐久性和工作性的同時(shí),不至于對(duì)其強(qiáng)度造成很大程度的負(fù)效應(yīng),是今后研制開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)課題。

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