引氣劑在水泥混凝土中的應用

高 濤

1 概述

引氣劑是混凝土中使用得最早的外加劑。美國最早開始研究,并在20世紀40年代應用于混凝土抗凍工程中。我國是50年代開始引氣劑的研究,現(xiàn)在隨著混凝土技術發(fā)展的需要,特別是引進國外施工設備和國外工程公司進入我國施工市場,引氣劑也開始得到廣泛重視。引氣劑是一種攪拌過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到3%～5%。據(jù)估計,在此情況下,每立方米混凝土中將引入5 000億～8 000億個小氣泡,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)展史上的一個重要發(fā)現(xiàn)。

2 引氣劑的種類

1)松香鹽。松香鹽是國內(nèi)最廣泛使用的引氣劑,松香的化學結構很復雜,其中含有松脂酸類、芳香烴類、芳香醇類和中性物質(zhì)等。將松香與石碳酸(苯酚)、硫酸按一定比例投入反應釜,在一定溫度和合適條件下反應,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渣含有水溶性磺酸鹽,以后再用氫氧化鈉中和。如果用三乙醇胺中和,就得到了另一種類型的產(chǎn)品,即磺化的碳氫化合物有機鹽,它可作為引氣劑使用。此外,還有三帖皂苷類引氣劑和蛋白質(zhì)鹽類引氣劑等。

3 引氣劑的作用機理

引氣劑主要作用是引入氣泡,其次是分散和潤濕作用。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管的通路,降低毛細管作用,從而提高混凝土的抗?jié)B性。這些微氣孔在冰凍過程中能釋放毛細管內(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 引氣劑對混凝土性能的影響

4.1 引氣劑對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)部集料間作相對運動時的摩擦機制,變集料間的滑動摩擦為滾動摩擦,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,導致體系粘度增加,加之氣泡對細小集料的浮托和支撐作用,都會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而異,引氣劑品種對混凝土泌水率的影響如表1所示。

表1 引氣劑品種對混凝土泌水率的影響

4.2 引氣劑對硬化混凝土物理力學性能的影響

1)對混凝土強度的影響。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度的降低。一般規(guī)律如混凝土外加劑應用技術規(guī)范中所規(guī)定,混凝土含氣量每增加1%,混凝土抗壓強度降低4%～6%,抗折強度降低2%～3%。在混凝土材料配合比不變的情況下(坍落度增加),引氣的混凝土強度降低的典型曲線如圖1所示。含氣量對混凝土強度的影響與水泥用量,或者說與混凝土的強度等級有關,對于低水泥用量的貧配合比混凝土,由引氣所引起的強度降低幾乎可以忽略不計。對于高強混凝土而言,則必須重視由于引氣而帶來的強度損失。

2)對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,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性有關的混凝土抗化學腐蝕性(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提供了容納空間,因而在一定程度上可緩解膨脹應力,所以引氣劑可提高混凝土抗堿—骨料反應能力。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。當含氣量在3%～6%的范圍內(nèi)時,混凝土的耐久性隨含氣量的增加而大幅度提高,但超過6%以后,隨著含氣量的繼續(xù)增加,耐久性反而降低。

5 引氣劑的工程應用及技術要點

5.1 工程應用

1)適用抗凍融、抗結冰鹽破壞作用的混凝土;2)適用骨料質(zhì)量差、泌水嚴重的普通混凝土和輕骨料混凝土;3)適用泵送混凝土、預拌商品混凝土、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

使用引氣劑時需要注意下列事項:

1)引氣劑配制溶液時,必須充分溶解,若有絮凝現(xiàn)象則應加熱使其溶解,或適當加入乳化劑。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盡量小。當施工條件有變化時,要相應增加或減小引氣劑用量。3)對含氣量有考核要求的混凝土,施工時需要有規(guī)律地間隔時間進行現(xiàn)場測試,以控制含氣量。并且在澆筑時要檢測含氣量,以避免在運輸、裝卸等過程中含氣量損失產(chǎn)生誤差。4)由于近年來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。在強大的振動作用下,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間均勻,并且同一部分振搗時間不宜超過20 s。在實驗室試驗的振搗方式和時間長短要盡可能與現(xiàn)場一致。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,故應在配合比設計中予以考慮,以保證混凝土的制成量和在比較試驗中單位水泥用量不變。因此,在用假定容重法或絕對體積法計算配合比時,可根據(jù)濕容重或含氣量的大小對配合比進行適當調(diào)整,以避免每立方米混凝土中實際水泥用量不足。

6 結語

引氣劑是混凝土外加劑中一個重要的獨立品種。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,同時具有良好的氣泡結構和小的強度損失率,并與其他外加劑具有強的復合性,使用起來方便安全,價格合理。因此如何將引氣劑的應用拓展到高性能混凝土領域,使其在改善混凝土耐久性和工作性的同時,不至于對其強度造成很大程度的負效應,是今后研制開發(fā)的重點課題。

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