烷基酯硫酸鈉引氣劑用量對水泥凈漿、砂漿和 混凝土性能的影響研究

何必平，鄧其林，劉興龍，宋海洋

（科之杰新材料集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000）

0 緒論

眾所周知，我國是一個(gè)基建大國，混凝土在基建中的作用不言而喻。隨著現(xiàn)代建筑業(yè)的發(fā)展，各種復(fù)雜的現(xiàn)場情況對于現(xiàn)代混凝土行業(yè)有著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，混凝土外加劑的出現(xiàn)及發(fā)展，可謂是緩解了當(dāng)前混凝土行業(yè)各種棘手的疑難雜癥。環(huán)境的艱難，則對于外加劑提出了更高的要求，引氣劑在解決混凝土和易性、抗凍性、抗?jié)B性等耐久性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，也是延長混凝土壽命、解決耐久性等嚴(yán)峻問題的必備外加 劑[1]。本文通過采用引氣劑梯度變化試驗(yàn)，來探究引氣劑適應(yīng)性的影響規(guī)律，為今后混凝土行業(yè)中引氣劑的用量選擇方面提供一定的理論指導(dǎo)。

江西、湖北地域的區(qū)域跨度大，河砂、海砂供求不足，機(jī)制砂占比高，品種波動(dòng)幅度較大，且砂石粒徑粗，級配不佳，在實(shí)際生產(chǎn)中易出現(xiàn)泌水、離析等問題。因此對于外加劑行業(yè)也提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，出于對當(dāng)下混凝土市場材料紛繁復(fù)雜的情況的憂慮，為更好應(yīng)對材料導(dǎo)致的一些情況，特研究引氣劑的適應(yīng)性，尤其是在混凝土中。

1 引氣劑的引氣特性

根據(jù)研究，混凝土引氣劑引氣特性的表現(xiàn)形式，主要分為三個(gè)方面：（1）水溶性；（2）起泡性；（3）穩(wěn)泡性。

1.1 水溶性

引氣劑是一種表面活性劑，其中引氣劑水溶性的高低起著非常關(guān)鍵的作用。當(dāng)混凝土中加入引氣劑后，在混凝土空氣體系中，引氣劑分子很快吸附在相界面上。引氣劑分子由憎水基和親水基組成，當(dāng)其引入水泥混凝土中時(shí)，憎水基指向空氣，親水基指向氣泡液面，并且形成定向排列，發(fā)生作用。如果引氣劑的水溶性較好，由于吸附作用，引氣劑加入后能大大降低整個(gè)體系的自由能，使得在攪拌過程中，容易引入較小的氣泡[2]。

1.2 起泡性

混凝土中引入的氣泡屬于溶膠性氣泡，這與純凈水起泡作用不同。一般來說，純凈水是不會(huì)起泡的，當(dāng)人為地快速攪動(dòng)或振蕩作用下，使水中卷入很多小氣泡，但是靜置后，氣泡立即上浮而破滅。但是當(dāng)混凝土或水中加入引氣劑后，經(jīng)過攪拌，便引入大量氣泡，而且這些氣泡不會(huì)隨即上浮破滅（圖 1 為混凝土內(nèi)部氣泡）。這是因?yàn)橐后w表面具有自動(dòng)縮小的趨勢，而起泡是一種界面面積大量增加的過程，在表面張力不變的情況下，必然導(dǎo)致體系自由能大大增加，這是熱力學(xué)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致氣泡縮小、破 滅[3]。但在引氣劑存在的情況下，由于它的吸附作用，降低了系統(tǒng)界面能，即降低了其表面張力，因而改善了其起泡性，使起泡較容易。

圖1 混凝土內(nèi)部氣泡

1.3 穩(wěn)泡性

引氣劑的穩(wěn)泡性是引氣劑同樣重要的特征之一，通過研究發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)泡性差的引氣劑加入混凝土中，在攪拌過程中也能引入大量微小氣泡，但是當(dāng)混凝土靜置一定時(shí)間，或經(jīng)過運(yùn)輸或澆注過程中，混凝土的含氣量卻大大下降，大部分氣泡都溢出消失了，這就涉及到引氣劑穩(wěn)泡性能的重要性。而穩(wěn)泡性較好的引氣劑則不同，摻入后，不但能使混凝土在攪拌過程中引入大量微小氣泡，而且這些氣泡能較穩(wěn)定地存在，這是使硬化混凝土中存在一定結(jié)構(gòu)的氣孔的重要保證，也是對改善混凝土抗凍性、耐久性等性能的關(guān)鍵[4]。

2 試驗(yàn)原材料

2.1 引氣劑

代號為 Y，上海某公司生產(chǎn)，其性質(zhì)如表1 所示。

表1 引氣劑的相關(guān)性質(zhì)

2.2 聚羧酸減水劑

聚羧酸系減水劑，代號為 Ad：試驗(yàn)采用福建某公司生產(chǎn)的母液 A（含固量 49.17%，醚類常溫工藝保坍母液）、母液 B（含固量 48.81%，醚類常溫工藝減水母液）。試驗(yàn)用母液配制成品減水劑，配制成品減水劑過程只采用葡萄糖酸鈉（含固量 98.52%）作為緩凝劑，并以水稀釋成高效減水劑。引氣劑按照外加劑配方總量的 0、0.3‰、0.6‰、0.9‰、1.2‰、1.5‰ 梯度添加，編號為 A～F 組，即 A 組為空白組，其余為試驗(yàn)組。如表2 所示。

表2 外加劑試驗(yàn)配方 g

2.3 水

水為飲用自來水，代號為 W，符合 JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的拌合用水。

2.4 碎石

代號為 G，5～25mm 連續(xù)級配，各性能指標(biāo)如表3 所示。

表3 碎石的性能指標(biāo)

2.5 砂

江西贛江河砂，代號為 S，細(xì)度模數(shù) 2.4，含泥量 0.3%，松散堆積密度 1470 kg/m3。

2.6 粉煤灰

Ⅱ級粉煤灰，代號為 FA，細(xì)度 18.3%，需水量比 101%，燒失量 3.6%。

2.7 水泥

水泥共有 3 種，分別為洋房 P·O42.5 水泥、南豐 P·O42.5 水泥和萬年青 P·O42.5 水泥。其各種性能指標(biāo)如表4 所示。

表4 水泥性能指標(biāo)

3 試驗(yàn)方法

水泥凈漿和膠砂試驗(yàn)按照 GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》規(guī)定進(jìn)行，混凝土拌合物性能試驗(yàn)按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進(jìn)行，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

4.1 凈漿試驗(yàn)分析

凈漿試驗(yàn)配合比如表5 所示。不同外加劑配方下水泥凈漿試驗(yàn)結(jié)果如表6 和圖 2 所示。

圖2 不同水泥凈漿流動(dòng)度與引氣劑摻量的關(guān)系

表5 水泥凈漿配合比 g

表6 不同外加劑配方下水泥凈漿流動(dòng)度 mm

如圖 2 所示，隨著引氣劑摻量的提高，三種水泥基本上初始凈漿流動(dòng)度都是減小的，呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢。三種水泥，1h 凈漿流動(dòng)度均比初始凈漿流動(dòng)度大。總體上，隨著引氣劑摻量的增加，初始凈漿流動(dòng)度和 1h 凈漿流動(dòng)度均逐漸減小。

4.2 水泥砂漿試驗(yàn)分析

砂漿試驗(yàn)配合比如表7 所示。砂漿試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表8 所示。

表7 水泥砂漿配合比 g

表8 砂漿測試分析

對于砂漿而言，各水泥初始均無較大幅度波動(dòng)，損失也在正常范圍以內(nèi)，引氣劑含量增加，砂漿表面起泡越明顯，蓬松感越強(qiáng)烈，其容重也都是隨著引氣含量的增加而逐漸遞減。

4.3 混凝土試驗(yàn)分析

4.3.1 C30 混凝土性能試驗(yàn)

C30 混凝土配合比如表9 所示。依次選擇 A～F 組減水劑，按照相同摻量進(jìn)行 C30 混凝土試驗(yàn)，對比初始坍落度、擴(kuò)展度、1h 經(jīng)時(shí)損失變化及強(qiáng)度。其性能對比數(shù)據(jù)如表10 所示。

表9 C30 混凝土試驗(yàn)配合比 kg/m3

表10 C30 配合比混凝土性能

通過表10 可以明顯看出，隨著外加劑配方中引氣成分的增高，含氣量逐漸遞增，容重越來越小。

由圖 3 及表10 可知，除去不同水泥適應(yīng)性不同的影響外，C30 混凝土的初始坍落度和擴(kuò)展度及 1h 坍落度和擴(kuò)展度均呈現(xiàn)隨著引氣含量的提高先增大后減小的現(xiàn)象。由此可見，適當(dāng)?shù)囊龤鈩┰诘蛷?qiáng)度等級混凝土中能夠有效提高混凝土的和易性，減少離析和泌水的發(fā)生。引氣含量過高，漿體孔隙間的填充水被吸附在氣泡表面，使膠材顆粒間的水分減少，骨料間填充的漿體變得干稠，導(dǎo)致混凝土的和易性降低。

由圖 4 可以看出，低強(qiáng)度等級混凝土強(qiáng)度變化較為平緩，整體變化趨勢與混凝土坍落擴(kuò)展度的變化較為一致。這種情況的產(chǎn)生，主要是氣泡帶有一定的“滾珠效應(yīng)”，引氣劑的增加，減小了骨料之間的摩擦力，很大程度上增加了漿體的潤滑作用，提高了混凝土自身的流動(dòng)性，增強(qiáng)了混凝土的密實(shí)程度，從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的稍有提高，但隨著引氣劑摻量的進(jìn)一步提高，混凝土各齡期強(qiáng)度稍有降低。

4.3.2 C50 混凝土性能試驗(yàn)

C50 混凝土配合比如表11 所示。依次選擇 A～F 組減水劑，按照相同摻量進(jìn)行 C50 混凝土試驗(yàn)，對比初始坍落度、擴(kuò)展度、1h 經(jīng)時(shí)損失變化及強(qiáng)度。其性能對比數(shù)據(jù)如表12 所示。

表12 C50 配合比混凝土性能

由表12 可以明顯看出，在高強(qiáng)混凝土中，依舊呈現(xiàn)出和低強(qiáng)混凝土相同的情況，即隨著外加劑中引氣組分的提高，混凝土含氣量逐漸遞增，容重逐漸遞減。但相比較而言可以發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)混凝土比低強(qiáng)混凝土較易引氣，但由于膠凝材料高的原因，容重的變化又略顯緩慢。

由圖 5 及表12 可以看出，高強(qiáng)混凝土與低強(qiáng)混凝土相比，隨著引氣劑摻量增大，混凝土初始坍落度、擴(kuò)展度變化小，但混凝土 1h 坍落度、擴(kuò)展度逐漸減小，這是因?yàn)楦邚?qiáng)混凝土本身就處于自流平狀態(tài)，黏稠性及包裹性更佳，坍落度較平穩(wěn)，擴(kuò)展度損失也沒有低強(qiáng)混凝土那么大，保水性較強(qiáng)。

圖5 C50 混凝土擴(kuò)展度

由圖 6 可以明顯看出，高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度受引氣組分烷基酯硫酸鈉的摻量變化的影響較大，表現(xiàn)為強(qiáng)度先提高后下降，呈現(xiàn)類似拋物線的軌跡，增加的原因和低強(qiáng)混凝土類似，高強(qiáng)混凝土本身就很黏稠，適當(dāng)引氣劑提高其流動(dòng)性后，使得它更加密實(shí)，導(dǎo)致強(qiáng)度提高較為明顯，這是引氣劑對于混凝土的“正作用”。引氣劑的“負(fù)作用”，是引氣越高強(qiáng)度越低，是由于過量引氣劑的增加，產(chǎn)生了大量的氣泡，導(dǎo)致混凝土的孔隙率增大，而混凝土的抗壓強(qiáng)度與其孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，最終使得混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。

圖6 C50 混凝土抗壓強(qiáng)度分析

5 結(jié)論

（1）水泥凈漿中摻入烷基酯硫酸鈉引氣劑，隨著摻量提高，初始水泥凈漿流動(dòng)度逐漸減小，同時(shí) 1h 水泥凈漿流動(dòng)度也逐漸減小。此外，砂漿容重隨著引氣劑用量的增高而下降。

（2）在混凝土中，隨著烷基酯硫酸鈉引氣劑用量的增加，混凝土含氣量遞增，混凝土容重呈遞減趨勢。

（3）在低強(qiáng)和高強(qiáng)混凝土試驗(yàn)中，除去水泥適應(yīng)性影響原因外，混凝土抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先上升后下降的特點(diǎn)。

（4）適當(dāng)摻入烷基酯硫酸鈉引氣劑，可有效提高混凝土和易性，降低離析和泌水。但是隨著烷基酯硫酸鈉引氣劑摻量的提升，混凝土各項(xiàng)性能會(huì)出現(xiàn)明顯的下降，混凝土經(jīng)時(shí)損失變大，和易性變差。

（5）烷基酯硫酸鈉引氣劑摻量占外加劑總量的 0.3‰ 時(shí)，各項(xiàng)性能最優(yōu)。