引氣劑對混凝土早齡期抗開裂性能影響的研究

高志斌，劉巖

(中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司，北京 100101)

引氣劑對混凝土早齡期抗開裂性能影響的研究

高志斌，劉巖

(中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司，北京 100101)

本文針對混凝土早齡期抗開裂性能有重要影響因素之一的引氣劑進(jìn)行了相應(yīng)的定量測試試驗，對混凝土開裂性能影響和作用機(jī)理進(jìn)行了分析，從而提出了適合的引氣劑摻量，提高了混凝土早齡期抗開裂性能。

引氣劑；混凝土早齡期；抗開裂性能；平均裂縫寬度；含氣量

裂縫是固體材料中的某種不連續(xù)現(xiàn)象，混凝土材料有裂縫是絕對的，無裂縫是相對的，微裂的存在是混凝土材料本身所固有的物理性質(zhì)[1]。由于荷載和結(jié)構(gòu)的變形，早齡期微裂隨著齡期延長逐漸延伸擴(kuò)展，容易造成結(jié)構(gòu)性貫穿開裂，從而影響正常結(jié)構(gòu)受力。在混凝土中加入引氣劑可以改善混凝土早齡期開裂性能，以滿足混凝土耐久性、抗凍性和抗?jié)B性等性能的要求。引氣劑是在混凝土攪拌過程中能引入大量均勻分布、 穩(wěn)定而封閉的微小氣泡且能保留在硬化混凝土中的外加劑[2]。引氣劑能夠有效改善混凝土的孔結(jié)構(gòu) , 是大幅提高混凝土耐久性的最有效的技術(shù)措施之一；引氣劑能經(jīng)濟(jì)有效地改善新拌混凝土的和易性及黏聚力，特別是對水泥用量少或骨料表面粗糙的混凝土效果更顯著，如貧混凝土、機(jī)制砂混凝土、輕骨料混凝土等；可以提高硬化混凝土抗凍融能力，且在水工工程中規(guī)定，有抗凍融要求的混凝土必須適當(dāng)引氣；可提高混凝土抗?jié)B性，適用于抗硫酸鹽混凝土和抗?jié)B混凝土；公路路面使用氯化鈣、氯化鈉除冰時，這種混凝土必須摻入引氣劑；摻入引氣劑的混凝土，由于和易性好，易于抹面，能使混凝土表面光潔，因此有飾面要求的混凝土也宜摻加引氣劑[3]。外加劑在現(xiàn)代混凝土中得到了廣泛的應(yīng)用，已成為混凝土的第五組分，各種外加劑組分的復(fù)配也越來越多，多組分的外加劑組合對混凝土的性能會產(chǎn)生重要影響。本文主要研究復(fù)配引氣劑對混凝土早齡期開裂性能方面產(chǎn)生的影響，以尋求科學(xué)合理的引氣劑類型和摻量比例，提高混凝土的耐久性、抗凍性和抗?jié)B性，延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

1 試驗內(nèi)容與試驗結(jié)果

在各組配合比相同且坍落度相同的情況下，分別對不同摻量的三類引氣劑（引氣劑Ⅰ為脂肪醇磺酸鹽類、引氣劑Ⅱ為十二烷基磺酸鹽類、引氣劑Ⅲ為松香樹脂類）的混凝土，采用啞鈴型混凝土開裂性能測定儀定量測試試驗，研究其對混凝土早齡期開裂性能的影響。混凝土中引氣劑多與減水劑復(fù)配后使用，試驗選用聚羧酸系高性能減水劑PCA、消泡劑與引氣劑復(fù)配。其中引氣劑Ⅰ的摻量（占PCA質(zhì)量比例）分別為1%、1.5%和2%；引氣劑Ⅱ的摻量（占PCA質(zhì)量比例）分別為0.01%、0.02%和0.03%；引氣劑Ⅲ的摻量（占PCA質(zhì)量比例）分別為0.5%、1%和1.5%。引氣劑Ⅰ的摻量（占水泥質(zhì)量比例）分別為0.008%、0.012%和0.016%；引氣劑Ⅱ的摻量（占水泥質(zhì)量比例）分別為0.00008%、0.00016%和0.00024%；引氣劑Ⅲ的摻量（占水泥質(zhì)量比例）分別為0.004%、0.008%和0.012%。

圖1是引氣劑Ⅰ，CG1(0.008%),CG2(0.012%),CG3(0.016%)和基準(zhǔn)混凝土平均裂縫寬度隨時間變化的曲線圖。從測量開始至5h，各組裂縫寬度增長速率很快，10h以后趨于平穩(wěn)直至24h試驗結(jié)束。各組平均裂縫寬度和初始開裂時間見圖2和圖3。

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，24h時CG1，CG2，CG3和基準(zhǔn)混凝土平均裂縫寬度分別是1.54mm，2.47mm，3.08mm，1.81mm，依次是CG1＜CONTROL＜CG2＜CG3。從四組試件的初始開裂時間來看，CG1，CG2，CG3和CONTROL組分別是2：00，1：40，1：20，1：50，各組出現(xiàn)初始裂縫時間CG3最短, CG1組最長，依次是CG1＞CONTROL＞CG2＞CG3。即摻量為0.016%的CG3組最先開裂，摻量為0.008%的CG1組最晚開裂。因此對引氣劑Ⅰ來說，摻量為0.008%，可以提高混凝土早齡期抗開裂性能；當(dāng)摻量增加到0.012%和0.016%則會降低混凝土抗開裂性能且此時混凝土抗裂性能會隨著引氣劑摻量增加而降低，如圖10所示。

引氣劑Ⅱ，CG4(0.00008%)，CG5(0.00016%)，CG6(0.00024%)和基準(zhǔn)混凝土平均裂縫寬度隨時間變化的曲線見圖4。可以看出10h后各組混凝土平均裂縫寬度基本趨于平穩(wěn)直至24h試驗結(jié)束。最終24h測試結(jié)束時CG4，CG5，CG6和基準(zhǔn)混凝土平均裂縫寬度圖5顯示分別是1.63mm，1.59mm，2.37mm， 2.10mm，依次是CG5＜CG4＜CONTROL＜CG6。從四組試件的初始開裂時間來看，如圖6所示，CG4,CG5,CG6和CONTROL組分別是1：45，1：55，1：15，1：30，各組出現(xiàn)初始裂縫時間CG5最長，CG6組最短，依次是CG5＞CG4＞CONTROL＞CG6，即摻量為0.00024%的CG6組最先開裂，摻量為0.00008%的CG5組最晚開裂。可見當(dāng)引氣劑摻量為0.00008%和0.00016%時，可以提高混凝土抗開裂性能且隨著摻量的增加對混凝土抗開裂性能改善越大；當(dāng)摻量為0.00024%時，摻量增加會降低混凝土抗開裂性能，如圖11所示。

引氣劑Ⅲ，CG7(0.004%)，CG8(0.008%)，CG9(0.012%)和基準(zhǔn)混凝土平均裂縫寬度隨時間變化的曲線見圖7。從曲線看，CG8，CG9曲線明顯高于CG7和基準(zhǔn)混凝土，12h以后趨于平穩(wěn)直至24h試驗結(jié)束。最終24h時CG7，CG8，CG9和基準(zhǔn)混凝土平均裂縫寬度分別為1.51mm，2.35mm，2.47mm，1.72mm，依次是CG7＜CONTROL＜CG8＜CG9。從四組試件的初始開裂時間來看，CG7，CG8，CG9和CONTROL組開裂時間（h：min）分別是1：50，1：25，0：55，1：35，各組出現(xiàn)初始裂縫時間CG9最短,CG7組最晚，依次是CG7＞CONTROL＞CG8＞CG9（圖8、圖9）。從平均裂縫寬度和初始裂縫時間總體看，對引氣劑Ⅲ來說，摻量為0.004%時，可以提高混凝土早齡期抗開裂性能；當(dāng)摻量增加到0.008%和0.012%則會降低混凝土抗開裂性能且此時混凝土抗裂性能會隨著引氣劑摻量增加呈降低趨勢。試驗圖片見圖10～圖12。

2 引氣劑對混凝土開裂性能影響分析

從以上試驗數(shù)據(jù)可以看出，摻不同引氣劑對混凝土早齡期抗開裂性能方面都表現(xiàn)出一定的規(guī)律，對引氣劑Ⅰ摻量為0.008%，引氣劑Ⅱ摻量為0.00008%和0.00016%，引氣劑Ⅲ摻量為0.004%時，可以提高混凝土早齡期抗開裂性能。即當(dāng)引氣劑低于一定摻量時，混凝土早齡期抗開裂性能隨摻量增加而增加；當(dāng)引氣劑超過一定摻量時，混凝土的早齡期抗開裂性能隨摻量增加而下降。其原因正是引氣劑本身的作用機(jī)理引起的。摻入引氣劑的各組混凝土的含氣量見表1及圖13。引氣劑Ⅰ摻量為0.008%的空氣含量為3.1%，引氣劑Ⅱ摻量為0.00008%時含氣量為1.0%，為0.00016%時含氣量為3.00%，引氣劑Ⅲ摻量為0.004%時含氣量為1.9%。可以看出，引氣劑Ⅰ、引氣劑Ⅱ含氣量控制在3%左右，引氣劑Ⅲ含氣量控制在2%左右為最優(yōu)含氣量，可以提高混凝土早齡期抗開裂性能。

表1 各摻量引氣劑含氣量

3 引氣劑對混凝土開裂影響的作用機(jī)理

混凝土的內(nèi)部泌水是水分在骨料表面集聚成水膜，從而使水泥漿-骨料過渡區(qū)減弱。內(nèi)部泌水易使粗集料下方集中泌水，骨料-水泥漿過渡區(qū)趨于變?nèi)醪⒁子诋a(chǎn)生裂縫，使混凝土的抗拉強度下降，尤其在坍落度較大或泌水較多的混凝土中，這種現(xiàn)象較明顯。

當(dāng)摻入適量的引氣劑后，混凝土在拌合過程中產(chǎn)生大量微細(xì)封閉氣泡，氣泡直徑多在20～250μm，這些氣泡有帶相同電荷的定向吸附層，相互排斥并能均勻分布，形成較為牢固的液膜，使氣泡穩(wěn)定而不破裂，按混凝土含氣量3%計(不加引氣劑的混凝土含氣量為1%)，1m3混凝土拌合物中含數(shù)百億個氣泡，由于大量微小封閉球狀氣泡在混凝土拌合物內(nèi)形成，整個體系的表面積大大增大，比不摻引氣劑時的黏聚力大得多，因而泌水與沉降顯著減小。由于氣泡的存在，泌水的毛細(xì)管通道被阻斷，而且氣泡里氣體的遷移和氣泡再分布，能進(jìn)一步破壞這種通道。另外引氣劑能顯著降低水的表面張力和界面能，使內(nèi)部毛細(xì)孔壓力降低，從而減小了混凝土收縮。引氣劑引起的混凝土抗彎拉強度的下降遠(yuǎn)小于抗壓強度的下降 , 在一定條件下 , 還可能反而提高混凝土的抗彎拉強度[4]。所以當(dāng)摻入適量的引氣劑后，適量的引入氣泡可以提高混凝土的抗拉強度，有利于混凝土的早齡期抗開裂性能。

當(dāng)引氣劑摻量過大時，混凝土產(chǎn)生大量微氣泡，彈性模量很低的大量氣泡會降低混凝土抵抗收縮的能力；當(dāng)摻量過大時，引氣劑的減水作用又使得混凝土的泌水有所增加，導(dǎo)致水分蒸發(fā)較快，失水率明顯高于單摻高效減水劑的基準(zhǔn)混凝土。任意增大摻量或采用性能較差的引氣劑不但會降低混凝土強度，增大混凝土泌水，水泥漿與骨料粘結(jié)性能下降，抗拉性能也會大幅度降低，混凝土早齡期裂縫增加。含氣量大量增加，1d的抗壓強度低于基準(zhǔn)混凝土，說明引氣劑摻量過大，含氣量過多增加使混凝土早齡期的抗拉、抗壓強度下降幅度較大，導(dǎo)致混凝土的早齡期抗開裂性能下降。

4 結(jié)論

（1）摻入脂肪醇磺酸鹽類、十二烷基磺酸鹽類引氣劑含氣量控制在3.0%左右，松香樹脂類含氣量控制在2.0%左右，可使混凝土早齡期抗開裂性能增強。

（2）適量摻加引氣劑有利于提高混凝土的抗拉強度，使混凝土早齡期抗收縮開裂性能提高。但使用引氣劑時應(yīng)注意摻量適當(dāng)，過量使用強度下降過多，造成早齡期抗開裂性能快速下降。

[1]王鐵夢(著).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[2]中國建筑材料科學(xué)研究院. GB/T8075-2005混凝土外加劑定義、分類、命名與術(shù)語[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2005.

[3]中國建筑科學(xué)研究院. GB 50119-2003混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].北京：建筑工業(yè)出版社，2003.

[4]代明，柯國軍，張春雨.淺談引氣劑在混凝土中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)，2007( 2 ).

高志斌(1974-)，男，中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司高級工程師。

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