引氣劑對(duì)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(duì)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(duì)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(yàn)，對(duì)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(duì)的，無裂縫是相對(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)混凝土的性能會(huì)產(chǎn)生重要影響。本文主要研究復(fù)配引氣劑對(duì)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(yàn)內(nèi)容與試驗(yàn)結(jié)果

在各組配合比相同且坍落度相同的情況下，分別對(duì)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?yàn)槭榛撬猁}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(yàn)，研究其對(duì)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(yàn)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(shí)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(yàn)結(jié)束。各組平均裂縫寬度和初始開裂時(shí)間見圖2和圖3。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，24h時(shí)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(shí)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(shí)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(duì)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(huì)降低混凝土抗開裂性能且此時(shí)混凝土抗裂性能會(huì)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(shí)間變化的曲線見圖4?？梢钥闯?0h后各組混凝土平均裂縫寬度基本趨于平穩(wěn)直至24h試驗(yàn)結(jié)束。最終24h測試結(jié)束時(shí)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(shí)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(shí)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?？梢姰?dāng)引氣劑摻量為0.00008%和0.00016%時(shí)，可以提高混凝土抗開裂性能且隨著摻量的增加對(duì)混凝土抗開裂性能改善越大；當(dāng)摻量為0.00024%時(shí)，摻量增加會(huì)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(shí)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(yàn)結(jié)束。最終24h時(shí)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(shí)間來看，CG7，CG8，CG9和CONTROL組開裂時(shí)間（h：min）分別是1：50，1：25，0：55，1：35，各組出現(xiàn)初始裂縫時(shí)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(shí)間總體看，對(duì)引氣劑Ⅲ來說，摻量為0.004%時(shí)，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(huì)降低混凝土抗開裂性能且此時(shí)混凝土抗裂性能會(huì)隨著引氣劑摻量增加呈降低趨勢。試驗(yàn)圖片見圖10～圖12。

2 引氣劑對(duì)混凝土開裂性能影響分析

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，摻不同引氣劑對(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)含氣量為1.0%，為0.00016%時(shí)含氣量為3.00%，引氣劑Ⅲ摻量為0.004%時(shí)含氣量為1.9%?？梢钥闯?，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(duì)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(qiáng)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(jì)(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(gè)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(gè)體系的表面積大大增大，比不摻引氣劑時(shí)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(qiáng)度的下降遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)，混凝土產(chǎn)生大量微氣泡，彈性模量很低的大量氣泡會(huì)降低混凝土抵抗收縮的能力；當(dāng)摻量過大時(shí)，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(huì)降低混凝土強(qiáng)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(huì)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)。

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

[1]王鐵夢(mèng)(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(jí)工程師。

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