大氣壓強對引氣劑氣泡發育特征和硬化混凝土氣孔結構的影響

胡宴斌 傅子千 李立輝 姬建瑞

（1.西藏自治區重點公路建設項目管理中心，西藏 拉薩 850015；2.交通運輸部公路科學研究所，北京 100882；3.北京建工四建工程建設有限公司，北京 100020）

0 引言

青藏高原獨特的高海拔、低氣壓以及高頻次的正負溫交替環境對該地區混凝土結構的抗凍耐久性產生不利影響[1-4]，在混凝土中摻加引氣劑引入大量微小氣泡可阻斷毛細孔連通，從而緩解凍脹應力對混凝土結構的破壞作用[5-6]。然而，有關低氣壓環境下混凝土的引氣效果，不同學者持有不同觀點。Y·Li[7]和X·Li[8]在北京和拉薩兩地測試新拌混凝土含氣量，并認為低氣壓環境會降低這一指標，但前者認為降低幅度同引氣劑種類有關，而后者明確表示低氣壓會削弱引氣劑的引氣能力，導致引氣困難。

在實際工程中，研究人員為簡化工作步驟，有時會根據引氣劑溶液經振蕩-起泡后的泡沫柱體積和經時變化，近似判斷其在混凝土中的引氣效果和穩定性。朱長華[9]分別在北京和格爾木進行搖泡試驗，結果表明，兩地氣泡初始體積相近，但拉薩地區氣泡尺寸更大、數量更少且穩定性差。岑國平[10]采用與朱長華相同方法試驗，發現玉樹地區引氣劑溶液的起泡性和持久性均低于西安地區。為明確引氣劑泡沫特征與混凝土含氣量的關聯性，二人還測試了不同氣壓下新拌混凝土的含氣量[9-10]，結果均表明低氣壓環境在一定程度上會降低混凝土的含氣量。李立輝[11]在不同氣壓下對兩種引氣劑溶液振蕩-起泡，發現隨氣壓下降（101.2～63.8kPa），兩種引氣劑經振蕩后形成的氣泡初始尺寸分別增加81%和72%，且氣泡發育速率更快，穩定性差。李揚[12]使用自制泡沫性能測試儀測試不同氣壓下3種引氣劑的泡沫體積，發現氣壓由100kPa下降至60kPa，3種引氣劑5min時刻泡沫體積降低2%～14%；同時，對應引氣混凝土初始含氣量降低8%～36%。然而，劉旭[13]采用交變沖擊方式起泡，發現氣壓對引氣劑泡沫起泡性和穩定性的影響與引氣劑種類有關，對應砂漿含氣量與泡沫體積并沒有明顯相關性，低氣壓環境對混凝土引氣效果沒有明顯影響。

目前，研究人員對于低氣壓環境下混凝土的引氣效果和氣泡發育試驗結論存在諸多爭議，對于引氣劑的研究也多集中在泡沫的宏觀表現，而對于不同氣壓下氣泡的尺度變化、穩定性以及氣泡尺度與混凝土氣孔尺度之間的關聯性研究較少。因此，本研究通過測試北京（海拔50m，氣壓101.2kPa）和拉薩（海拔3650m，氣壓63.1kPa）兩地3種引氣劑溶液不同時刻下的泡沫衰減情況和氣泡發育情況，同時測試對應引氣混凝土含氣量和氣孔特征參數，來研究兩種體系中氣泡的尺度差異以及大氣壓強對混凝土引氣效果的影響規律，為青藏高原地區混凝土中引氣劑的使用和篩選提供參考，對提高青藏高原地區混凝土的抗凍耐久性具有重要意義。

1 試驗設計

1.1 原材料

引氣劑使用AES、22066和226S 3種引氣劑，其中AES和22066為市售引氣劑（AES簡稱TM-O，22066簡稱226A）；226S以226A引氣劑為母液，根據陰陽離子復合協同效應配制而成。各組引氣劑參數見表1。

表1 引氣劑相關參數

水泥為P·I 42.5水泥；細骨料使用天然河砂，細度模數為2.5；粗骨料粒徑為5～20mm的連續級配石灰巖碎石，含泥量為0.5%；減水劑為540P高性能聚羧酸減水劑。各組試驗用水均為當地自來水。

1.2 混凝土配合比

本研究使用常壓下新拌混凝土含氣量為6%左右的試驗組進行探究，混凝土相關配合比見表2。

表2 混凝土配合比

1.3 試驗方案

1.3.1 泡沫高度和氣泡尺寸統計

將3種引氣劑配制質量濃度（w）t為0.3‰的引氣劑溶液各1000mL，移取各組溶液300mL至自制振蕩-起泡試驗裝置，手持裝置兩端沿水平方向以0.5s/次頻率、40cm振幅連續振蕩30次，結束后立即將裝置放置水平，記錄各組引氣劑溶液泡沫高度隨時間的變化情況；同時利用微距相機對氣泡中柱進行微距拍攝，見圖1（a）所示，記錄5min、15min和30min氣泡發育情況，隨后將拍攝圖片統一截取4mm×4mm平面區域，見圖1（b）所示，采用文獻[13]相同處理方法，利用Photoshop軟件對氣泡輪廓進行銳化處理，見圖1（c）所示，最后將圖片導入Image J中，統計區域內氣泡相關特征參數，見圖1（d）所示。

圖1 引氣劑溶液氣泡觀測與處理

1.3.2 含氣量和氣孔結構測試

根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG 3420-2020），在北京（101.2kPa）和拉薩（63.1kPa）兩地拌制混凝土，試驗環境溫度為（20±2）℃。利用直讀式混凝土含氣量測定儀測試新拌混凝土含氣量，然后將混凝土成型為100mm×100mm×100mm的立方體試塊并標準養護至28d，之后用Air-rapid 457型硬化混凝土氣孔分析儀[見圖2（a）所示]進行氣孔結構分析，每組測試3個切片取平均值，測試范圍設置為80mm×80mm，測試結果包含硬化混凝土的含氣量、氣孔平均半徑、氣泡間距系數等氣孔結構參數。

圖2 硬化混凝土氣孔分析儀與混凝土切片

在進行氣孔結構分析前，將混凝土試塊縱向貫通切割為（15±2）mm厚的切片，并用不同細度的碳化硅對其拋光打磨，然后用墨水對切片表面進行著色處理，待切片干燥后用白色納米碳酸鈣顆粒涂抹在切片表面以填充表面孔隙，增強氣孔邊緣的對比度，見圖2（b）所示。

2 結果與分析

2.1 大氣壓強對引氣劑溶液泡沫高度和氣泡尺寸的影響

引氣劑溶液經振蕩-起泡后處于氣液混合狀態，此時大量微小氣泡分散在溶液中，大約1min左右達到氣-液分離狀態。因此，將振蕩結束后1min時刻定義為泡沫衰減過程的初始時間。溶液-泡沫體系內泡沫高度隨時間和氣壓的變化規律如圖3所示。

圖3 引氣劑泡沫高度隨時間變化規律

由圖3可知，隨靜置時間延長，各組引氣劑溶液泡沫高度均有不同程度下降。其中，1～5min時段內泡沫降低幅度最大，5min之后泡沫消亡速率逐漸放緩。另外，氣壓下降并沒有大幅削減各組引氣劑溶液初始泡沫高度，僅TM-O組發泡量略微下降。由于不同種類引氣劑的起泡能力不同，僅憑泡沫高度變化無法判斷引氣劑的穩定性，這里引入泡沫高差比H(t)（式1），表征各組引氣劑泡沫的穩定性差異。

式中：

H(t)——泡沫高差比，%；

h1(t)——振蕩-起泡結束后泡沫初始高度，mm；

h2(t)——振蕩-起泡結束后t時刻泡沫高度，mm。

不同氣壓下各組引氣劑溶液在1～30min內的泡沫高差比H(t)如圖4所示。

圖4 1～30min引氣劑泡沫高差比

由圖4可以看出，隨氣壓下降（101.2～63.1kPa），各組引氣劑泡沫高差比增加，即氣泡穩定性變差。其中，TMO增長幅度略高，為2.4%，而226A和226S均為1%左右，受環境氣壓影響較小。同一種引氣劑在兩地經振蕩-起泡后，其泡沫柱體積并沒有發生明顯變化，但氣泡形態和數量受氣壓影響較為明顯，對兩地5min、15min、30min的氣泡平均直徑進行統計，結果如圖5所示。

圖5 不同氣壓下引氣劑溶液氣泡平均直徑

由圖5（a）、（b）、（c）可知，氣壓由101.2kPa降至63.1kPa，TM-O、226A和226S 3種氣泡初始平均直徑均有不同程度增加（由于氣泡形成初期分散在溶液中不易觀測，這里將振蕩-起泡后靜置5min時刻的氣泡尺寸定義為“初始尺寸”），但不同類型的引氣劑所受氣壓影響程度不同，其中TM-O氣泡初始平均直徑由400μm增加至574μm，增加了43.5%，226A氣泡增加了17.5%，而226S氣泡相對比較穩定，僅增加了3.8%。此外，對比不同氣壓下各組氣泡在5min和30min時刻氣泡尺寸可以發現，相比常壓環境（101.2kPa），低氣壓環境（63.1kPa）下氣泡經時變化更快，以TM-O氣泡為例，北京地區靜置30min后的氣泡平均直徑為5min時的232%，而該增幅在拉薩地區達到253%，該現象說明低氣壓下大氣泡并聚、融合周圍小氣泡的速率更快，即氣泡發育速率更快。

2.2 大氣壓強對引氣混凝土含氣量和氣孔結構的影響

對北京（101.2kPa）和拉薩（63.1kPa）兩地的新拌混凝土進行含氣量測試，結果如圖6所示。

圖6 不同氣壓環境下新拌混凝土的含氣量

由圖6可知，隨氣壓下降（101.2～63.1kPa），各組引氣混凝土的初始含氣量并沒有大幅度削減。其中，C1組下降0.5%，C2組下降0.3%，而C3組甚至出現輕微增長。該試驗結果驗證了2.1小節中的試驗現象，即氣壓下降并未導致引氣劑泡沫高度大幅削減，對于本研究所選用的3種引氣劑，其在混凝土中的引氣效果與在水溶液中的泡沫性能具有一定關聯性。

對比圖6中各組混凝土在0～30min內含氣量的經時損失，相比常壓環境（101.2kPa），低氣壓環境（63.1kPa）下C1組和C2組的含氣量衰減速率有所下降，而C3組沒有變化。一般來說，混凝土的初始含氣量越高，其經時損失越快，低氣壓環境下C1、C2試驗組的初始含氣量均有所下降，因此含氣量的衰減速率下降。該現象與本文2.1小節中氣壓對引氣劑溶液氣泡發育速率的影響規律有所不同，對于同一種引氣劑，隨氣壓下降（101.2～63.1kPa），氣泡的發育速率增加、穩定性下降；而對應引氣混凝土中含氣量的衰減速率減緩。造成該現象的主要原因在于氣泡所處體系存在差異，溶液-泡沫體系中泡沫柱頂部氣泡與空氣直接接觸，且相鄰氣泡間不斷進行氣體擴散，氣泡發育受環境氣壓影響較大；而混凝土中的氣泡均勻分散在漿體內部無法與空氣接觸，氣泡間也無法進行氣體擴散，因此產生上述差異。

一般認為，凝膠孔的孔徑在10nm以下，毛細孔的孔徑范圍在10nm～10μm之間，而氣孔的孔徑在20μm以上[14]，對于提升混凝土抗凍性起主要作用的主要是混凝土在攪拌過程中摻加引氣劑引入的微小氣泡（氣孔）。對氣泡在溶液和混凝土兩種體相中隨氣壓下降的變化規律進行統計，結果如圖7所示（溶液氣泡選用5min時刻氣泡尺寸）。

圖7 不同體相中的氣泡尺寸隨氣壓下降的變化規律

由圖7可知，常壓下各組引氣劑溶液氣泡的初始直徑（5min）范圍在211～400μm之間，而引氣混凝土氣孔孔徑范圍在192～298μm之間，二者尺度范圍存在一定差異。原因在于，水溶液中的氣泡所受外力為相鄰氣泡間的擠壓作用以及上浮過程中周圍氣泡的粘滯阻力，外力作用對氣泡的約束較小；而混凝土中的氣泡表面被漿體所裹挾，外力作用致使氣泡要以較小的尺度維持原有形態，因此產生上述差異。

隨氣壓下降（101.2～63.1kPa），各組溶液氣泡初始尺寸和硬化混凝土氣孔尺寸均出現不同幅度的增長，其中TM-O氣泡（氣孔）直徑在溶液和混凝土兩種體相中分別增長43.5%和20.8%；226A氣泡（氣孔）直徑在兩種體相中分別增長17.5%和11.4%。可以看出，氣壓對混凝土中氣孔的影響小于其對溶液氣泡的影響。分析認為，產生上述差異的主要原因是由于氣泡所處的體相不同，在溶液中，表面活性分子充分吸附到水-空氣界面上，親水基位于水相，疏水基向空氣一側定向吸附，體系自由能降低，氣泡在體系中暫時穩定存留。但由于氣泡密度小、浮力大，溶液中的氣泡會快速上浮聚集在頂部與空氣相接觸，氣泡受氣壓影響較大。而在混凝土體系中的水-空氣界面上，親水基位于水相而疏水基向空氣一側定向吸附；在水泥-水界面上，親水基溶于水或與水泥及其水化粒子相吸附。受限于漿體較高的黏度，所產生的氣泡只能均勻分散在漿體內部而無法與空氣接觸，氣泡尺寸受氣壓影響較小，因此存在上述差異。

文獻[12]中給出了氣體在混凝土中的體積壓縮系數Vc，可用于預測溶液氣泡尺寸在混凝土中的變化規律，如公式2。

式中：

Vc——氣體壓縮系數；

Vin——混凝土內氣體體積；

Vout——混凝土外氣體體積；

P1——外界環境壓強；

ρ——混凝土密度；

h——氣體進入混凝土深度；

g——重力加速度。

本試驗混凝土密度為2500kg/m3，攪拌過程中氣體進入混凝土深度約為0.4m，根據公式（2）換算，北京和拉薩兩地空氣進入混凝土中的體積壓縮系數分別為91.2%和86.6%，假定氣泡在混凝土體系中仍具有一定球適度，則氣泡體積分別縮小為原尺寸的91.2%和86.6%。根據不同氣壓下各組溶液氣泡的初始尺寸，計算其在混凝土中的理論值，見表3所示。各組混凝土中氣孔尺寸的理論值與實測值如圖8所示。

圖8 不同氣壓下混凝土氣孔尺寸理論值與實測值

表3 溶液氣泡尺寸和混凝土氣孔尺寸/（1×10-2mm3）

由圖8可知，C1、C2兩組混凝土的氣孔尺寸實測值與理論值相差較大，拉薩地區該指標的理論值分別高出實測值251%、100%，說明對于TM-O、226A兩種引氣劑，結合相應體積壓縮系數（式2），選取5min時刻氣泡平均尺寸預測其在混凝土中的氣孔尺寸，結果較實測值大很多，應進一步探究兩種引氣劑溶液在0～5min內的氣泡幾何特征參數；而對于C3組試驗，混凝土氣孔尺寸實測值與理論值差異較小，5min時刻溶液氣泡特征參數與混凝土氣孔尺寸具有一定關聯性。

3 結束語

本文對比了北京（海拔50m，氣壓101.2kPa）、拉薩（海拔3650m，氣壓63.1kPa）兩地不同氣壓下，3種引氣劑（TM-O、226A、226S）的泡沫性能、氣泡尺寸以及對應引氣混凝土含氣量和氣孔尺寸，主要結論如下：

（1）同一種引氣劑在兩地經振蕩-起泡后，其泡沫柱初始體積差異較小，但氣泡形態、數量受氣壓影響較大。隨氣壓下降（101.2～63.1kPa），TM-O、226A和226S三種引氣劑氣泡初始平均直徑分別增加43.5%、17.5%、3.8%；此外，各組氣泡發育速率增加，泡沫穩定性降低。

（2）相比常壓環境（101.2kPa），低氣壓（63.1kPa）下各組混凝土初始含氣量并未出現大幅削減，其中C1（TM-O）、C2（226A）兩組分別下降0.5%、0.3%，C3（226S）組輕微增長；然而，由于界面活性分子吸附差異及氣泡所處體相差異，各組氣泡在0～30min內的發育速率增加，而混凝土含氣量在0～30min內的衰減速率略有下降，二者并沒有呈現較好的關聯性，存在一定差異。

（3）氣壓對氣泡在兩種體系中的影響規律相似，隨氣壓下降（101.2～63.1kPa），各組溶液氣泡尺寸和混凝土氣孔尺寸均出現不同程度的增長。C1（TM-O）、C2（226A）兩組拉薩地區成型混凝土的氣孔尺寸理論值分別高出實測值251%、100%，C3（226S）組混凝土氣孔尺寸實測值與理論值差異較小，且在5min時刻溶液氣泡特征參數與混凝土氣孔尺寸具有一定關聯性。