不同海拔下引氣劑氣泡及引氣水泥凈漿性能研究

袁廣學(xué) ，王俊杰 ，李立輝 ，陳黎

(1.昭通市高速公路投資發(fā)展有限責(zé)任公司，云南 昭通 657000；2.昭通市昆巧高速公路投資開發(fā)有限公司，云南 昭通 657000；3.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，云南 昆明 650051；4.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

云貴高原氣候復(fù)雜，部分地區(qū)晝夜溫差較大，凍融頻繁，這對在役混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性和耐久性產(chǎn)生不利影響。通過引入微小氣泡以緩沖凍脹壓力，提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性[1-2]。目前，多數(shù)研究主要集中在具體環(huán)境條件下混凝土應(yīng)具有什么樣的氣孔結(jié)構(gòu)體系，氣泡能否穩(wěn)定存在的因素包括礦物摻合料[3]、化學(xué)外加劑[4]、混凝土振搗方式[5]等。但是，實際上高原環(huán)境下硬化混凝土孔結(jié)構(gòu)是否符合當(dāng)初設(shè)計至關(guān)重要，高海拔下引氣劑的氣泡尺寸與引氣性能如何發(fā)展，研究結(jié)論尚不清晰。Ley M T 等[6]研究了混凝土硬化前后氣泡融合與破滅等現(xiàn)象。李雪峰和付智[7]認(rèn)為，低氣壓環(huán)境下氣泡尺寸大、穩(wěn)定性差、混凝土引氣困難導(dǎo)致了混凝土性能的劣化。Yan 等[8]的研究指出，西藏地區(qū)新鮮混凝土的空氣含量比湖北地區(qū)低30%～47%。李揚等[9]的研究表明，低氣壓下混凝土含氣量降低的原因不是由于引氣劑泡沫穩(wěn)定性變差造成。伍毅等[10]認(rèn)為，一些表面活性劑起泡量和穩(wěn)定性與溶液溫度和材料性質(zhì)相關(guān)，與環(huán)境氣壓高低無絕對關(guān)系。為此，本文討論不同引氣劑在昆明和巧家引氣氣泡的幾何參數(shù)演變規(guī)律，以及不同海拔下引氣劑對砂漿的孔結(jié)構(gòu)影響規(guī)律。

1 實 驗

1.1 原材料與配合比

原材料：市售混凝土引氣劑AES，主要成分為脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉；市售混凝土引氣劑SJ-2，主要成分為三萜皂苷類；水泥：中國建筑材料科學(xué)研究總院產(chǎn)基準(zhǔn)水泥；廈門ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂；水：當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

配合比：水泥凈漿和砂漿配合比見表1。

表1 水泥凈漿和砂漿配合比

1.2 實驗方法

(1)氣泡幾何參數(shù)測試

第一步：準(zhǔn)確量取自來水200 g，將其置于500 mL 燒杯中，用電子天平精確量取0.100 g 的引氣劑，并將其溶于200 g水溶液中，再從上述配制的溶液中準(zhǔn)確移取100 mL 質(zhì)量濃度為0.050%引氣劑溶液于1000 mL 的量筒中，將量筒端口膠皮套管密封，固定一個操作人員，按照水平方向往返為1 次震蕩，幅度約30 cm，如此30 s 內(nèi)完成30 次震蕩，震蕩后將量筒頂端密封膠皮打開后，測量不同時刻(0、2、5 10、15、20、25、30 min)氣泡柱高度，并在靜置5 min 時，用微距相機拍攝量筒表面氣泡。第二步：將圖片導(dǎo)入ImageJ 軟件中，準(zhǔn)確切取4 mm×4 mm 區(qū)域，并通過Find edges+Threshold 將圖片中氣泡壁畫出，經(jīng)Measure+Analyze particles 計算出氣泡的平均直徑、最大氣泡直徑和單位面積氣泡個數(shù)。

(2)壓汞測試

采用美國麥克AutoPore IV 9500 壓汞儀，試件在成型地方標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d 后，從水泥凈漿中間夾取微小試樣，其體積略小于測孔儀的樣品管體積，質(zhì)量約3.0 g，測孔前將試樣在60 ℃的烘箱中烘約6 h，冷卻至室溫后放入干燥箱中待測。

2 結(jié)果與討論

2.1 海拔高度對引氣劑溶液氣泡穩(wěn)定性與尺寸的影響

分別在昆明和巧家兩地，按1.2 的實驗方法震蕩搖泡，不同海拔高度下引氣劑氣泡高度隨時間變化見圖1。用引氣劑溶液同時刻的高度差ΔH(ΔH=昆明氣泡高度-巧家氣泡高度)表征所形成氣泡的穩(wěn)定性，見圖2。

圖1 不同海拔下氣泡引氣劑高度隨時間的變化

圖2 不同海拔下引氣劑溶液的高度差的變化

結(jié)合圖1 和圖2 可知，僅從引氣劑溶液發(fā)泡性能比較，海拔越高SJ-2 溶液震蕩所形成的氣泡柱越高(ΔH＜0)，即海拔高程對SJ-2 的發(fā)泡性能有負(fù)面影響；AES 的規(guī)律則相反。無論海拔高程多大，SJ-2 溶液震蕩所形成的氣泡柱高度均小于AES 所形成的氣泡柱。另外，SJ-2 和AES 震蕩所形成的氣泡柱高度均隨著時間延長而下降，前10 min 的下降幅度最大，之后下降均趨于平穩(wěn)。從圖 2 還可知，同一時刻下|ΔH|SJ-2＜|ΔH|AES，說明相同海拔高差下SJ-2 泡沫較AES 更穩(wěn)定。

按1.2 的實驗方法，觀測了氣泡柱表面5 min 和30 min 時氣泡的幾何參數(shù)，如表2 所示。

表2 不同海拔下引氣劑氣泡的幾何參數(shù)

由表2 可知，AES 在巧家和昆明形成氣泡平均直徑分別為174、234 μm，而SJ-2 在巧家和昆明形成氣泡平均直徑較其減小了45%和40%。從單位面積氣泡個數(shù)可知，在昆明AES形成初始氣泡數(shù)量為944 個/cm2，而SJ-2 形成初始氣泡數(shù)量約是AES 的2 倍，在昆明經(jīng)30 min 靜置后，AES 氣泡數(shù)量為483 個/cm2，SJ-2 氣泡數(shù)量仍然有 768 個/cm2。對比 AES 和SJ-2 氣泡尺寸可知，SJ-2 所形成的初始氣泡尺寸比AES 氣泡更小，則高海拔穩(wěn)定性越強。這主要取決于兩方面因素，一是氣泡尺寸越小，表面能越高，機械強度越大[11]，大氣泡吞噬小氣泡速率越慢，表現(xiàn)出更強的穩(wěn)定性；二是，可能SJ-2 材料形成的氣泡薄膜比AES 強度高、韌性大。該試驗結(jié)果中海拔高差對SJ-2 溶液發(fā)泡、穩(wěn)定性的影響規(guī)律與朱長華[12]的搖泡試驗結(jié)論基本一致。

2.2 海拔高度對引氣砂漿密度的影響

表3 為AES 和SJ-2 引氣劑不同摻量(按占水泥質(zhì)量計)時，巧家和昆明硬化水泥凈漿和水泥砂漿的表觀密度。為更加直觀反映不同海拔下引氣效果，假設(shè)在巧家攪拌形成基準(zhǔn)水泥凈漿含氣量為1.5%，基準(zhǔn)水泥砂漿含量為2.0%。則表3 數(shù)據(jù)經(jīng)計算可轉(zhuǎn)化為不同海拔下硬化水泥凈漿和砂漿的含氣量，結(jié)果見表4。

表3 不同海拔下硬化水泥凈漿和砂漿的表觀密度

由表3 可知，隨著海拔升高，凈漿的表觀密度呈略微減小趨勢，且該趨勢隨引氣劑摻量的增加更顯著。這可能是由于高海拔下形成氣泡中大尺寸氣泡占比較低海拔的略高，同時，凈漿的液相較黏稠，攪拌過程形成的氣泡尺寸比砂漿小，氣泡膜機械強度高，不易破碎，且這種現(xiàn)象隨著引入氣泡數(shù)量(引氣劑摻量)的增加而表現(xiàn)得更顯著，因此，高海拔下單位體積凈漿中氣體含量較低海拔氣泡體積略高，即海拔越高水泥凈漿含氣量越大(見表4)。經(jīng)重復(fù)性驗證，水泥砂漿的表觀密度隨著海拔升高呈小幅增加，其幅度均小于1.5%。

表4 不同海拔下硬化水泥凈漿和砂漿的含氣量

由表4 可知，相同環(huán)境和引氣劑摻量下，水泥砂漿比水泥凈漿更容易引入氣泡，且海拔高度變化對水泥砂漿含氣量影響較小，其原因可能是相同水膠比時砂漿液相黏度較小，氣泡更容易形成，黏度和海拔高度也影響氣泡穩(wěn)定性。結(jié)合表3 和表4 可以說明，海拔高度變化與引氣劑引入氣泡難易程度無直接關(guān)系，試驗甚至發(fā)現(xiàn)，在高原環(huán)境下水泥凈漿的引氣效果要優(yōu)于非高原地區(qū)。

2.3 海拔高度對引氣凈漿孔徑分布的影響

圖3 為未摻引氣劑、摻0.050%AES 引氣劑和摻0.050%SJ-2 引氣劑凈漿的孔徑分布。

圖3 不同海拔下凈漿的孔徑分布

由圖3(a)可知，未摻引氣劑的基準(zhǔn)凈漿，50～500 nm 之間的累計分布毛細孔含量巧家比昆明少，即高海拔下成型的基準(zhǔn)凈漿氣泡平均直徑較其他地區(qū)偏大。這一現(xiàn)象在引氣硬化凈漿中表現(xiàn)為更為顯著。

水泥混凝土內(nèi)部的孔隙主要由膠凝孔、過渡孔、毛細孔和大孔等組成，引氣劑引入的氣孔孔徑大多集中分布在1～300 μm。由圖3(b)可知，當(dāng)AES 摻量為0.050%時，昆明孔徑最高峰(0.1254 ml/g)出現(xiàn)在2052 nm 處，巧家孔徑最高峰(0.0424 ml/g)出現(xiàn)在1600 nm 處；且100～10 000 nm 區(qū)域氣孔累計分布含量昆明＞巧家。另根據(jù)壓汞測試報告，昆明平均孔徑為30.2 nm，而巧家平均孔徑為15.5 nm，同樣，圖3(c)中SJ-2 引氣劑也表現(xiàn)出相同規(guī)律，為此可以認(rèn)為，高海拔下硬化凈漿平均孔徑明顯大于常壓下平均孔徑，這是由于低氣壓下引氣氣泡平均直徑增大的緣故。對于凈漿中引入的氣泡，穩(wěn)定存在的前提是氣泡內(nèi)外壓差等于氣泡膜可抵抗機械強度，根據(jù)楊氏方程和帕斯卡定理，當(dāng)環(huán)境氣壓變小，氣泡只能通過增大半徑來維持力學(xué)平衡，該測試結(jié)果與文獻[7，9]中提到的氣壓增大氣泡直徑增大相一致。

3 結(jié) 論

(1)隨著環(huán)境海拔升高，SJ-2 和AES 兩種引氣劑溶液所形成的初始氣泡直徑均增大；相同海拔高度下，SJ-2 所形成的氣泡平均粒徑小于AES 的氣泡平均粒徑，表現(xiàn)出較強的穩(wěn)定性和高原適應(yīng)性。

(2)隨著環(huán)境氣壓降低，硬化水泥凈漿表觀密度呈減小趨勢，含氣量增加，平均孔徑呈增大趨勢，其中100～10 000 nm區(qū)域氣孔累計分布含量：昆明＞巧家，而水泥砂漿表觀密度則隨著氣壓降低小幅增加，含氣量略微減小，這一趨勢均隨著引氣劑摻量增加而更加顯著。

(3)海拔高低變化與引氣劑引入氣泡難易程度無直接關(guān)系，而與引氣劑的種類、材料性質(zhì)、氣泡初始尺寸等因素密切相關(guān)，為此，在高原地區(qū)應(yīng)該更加關(guān)注混凝土引氣劑引入氣泡尺寸對耐久性的影響。