外加劑對(duì)機(jī)制砂混凝土表面氣泡參數(shù)影響試驗(yàn)研究

溫金保，樊金光，唐修生，杜志芹，劉興榮，夏強(qiáng)，季海

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京210029；2.南京瑞迪高新技術(shù)有限公司，江蘇 南京210024；3.水利部水工新材料工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京210024；4.寧波航通預(yù)制構(gòu)件工程有限公司，浙江 寧波315207）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展和對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，使得混凝土發(fā)展正面臨自然資源（天然砂）消耗的挑戰(zhàn)，在不少地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)天然砂逐步減少、甚至無(wú)砂可用的情況[1-2]。相對(duì)于天然砂，機(jī)制砂的原材料來(lái)源廣泛，機(jī)制砂用作混凝土的細(xì)集料，既可解決天然砂資源短缺問(wèn)題，又能降低運(yùn)輸成本，保護(hù)環(huán)境，而且混凝土強(qiáng)度能夠得到保障。機(jī)制砂替代天然砂用作混凝土細(xì)骨料已經(jīng)成為混凝土行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[3]。在機(jī)制砂混凝土配制過(guò)程中，由于機(jī)制砂比表面積大、粒形不規(guī)整、級(jí)配不合理等原因?qū)е掠不炷帘砻娉霈F(xiàn)大量氣孔結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響混凝土質(zhì)量，而且對(duì)混凝土的耐久性也有不利的影響。目前，混凝土質(zhì)量不僅對(duì)強(qiáng)度、完整性、幾何尺寸及其他技術(shù)指標(biāo)有越來(lái)越高的標(biāo)準(zhǔn)，而且對(duì)于混凝土外觀要求也越來(lái)越嚴(yán)格。

混凝土表面氣泡質(zhì)量是清水混凝土驗(yàn)收的關(guān)鍵指標(biāo)[4]，且硬化混凝土表面氣泡質(zhì)量問(wèn)題是工程界亟需解決的難題。國(guó)內(nèi)外眾多研究工作者對(duì)混凝土表面氣泡質(zhì)量問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究工作[5－7]。外加劑作為混凝土重要組成原材料也勢(shì)必成為表面氣泡重要影響因素之一。因此，探討混凝土外加劑對(duì)混凝土表觀質(zhì)量的影響規(guī)律對(duì)于混凝土工程界具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，可為混凝土表觀質(zhì)量的改善提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 混凝土原材料

水泥：中國(guó)海螺P·O42.5水泥，其物理力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1；礦粉（SL）：南京梅寶S95級(jí)；粉煤灰（FA）：鎮(zhèn)江諫壁Ⅱ級(jí)灰；砂（S）：鵝卵石破碎機(jī)制砂，產(chǎn)地為江蘇揚(yáng)中，其物理性能見(jiàn)表2；碎石（G）：5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配的石灰?guī)r，產(chǎn)地為安徽和縣。

表1 水泥的物理力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

表2 機(jī)制砂的物理性能測(cè)試結(jié)果

1.1.2 外加劑

聚羧酸系減水劑PC102B1（減水型）與PC203A1（保坍型）由安徽瑞和新材料有限公司提供，其勻質(zhì)性檢測(cè)結(jié)果為：PC102B1，含固量39.6%，pH值6.87，密度1.081 g/cm3，堿含量0.72%，氯離子含量0.024%，硫酸鈉含量0.13%；PC203A1，含固量39.49%，pH值5.82，密度1.079 g/cm3，堿含量0.46%，氯離子含量0.011%，硫酸鈉含量0。引氣劑：淺黃色液體，含固量為33.65%，東邦化學(xué)（上海）有限公司；消泡劑：無(wú)色透明液體，含固量為31.28%，東邦化學(xué)（上海）有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

機(jī)制砂混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（礦粉）∶m（機(jī)制砂）∶m（碎石）∶m（水）＝252∶54∶54∶757∶1046∶210，且外加劑均按原液摻量計(jì)算，摻量按占膠凝材料質(zhì)量計(jì)?；炷帘砻鏆馀輩?shù)測(cè)試試件采用200 mm×200 mm×200 mm立方體試模成型?；炷翑嚢杈鶆蛞淮涡匀肽?，統(tǒng)一用振動(dòng)臺(tái)經(jīng)高頻振搗25 s后刮平，在（20±3）℃下養(yǎng)護(hù)48 h拆模后晾干，立即測(cè)試混凝土表面氣泡參數(shù)，測(cè)試方法如下：首先用數(shù)碼相機(jī)對(duì)試件測(cè)試面表面圖像進(jìn)行采集，然后采用Image－Pro－Plus6.0圖像分析軟件對(duì)待測(cè)圖像的氣泡參數(shù)如氣泡直徑、氣泡面積、不同直徑氣泡數(shù)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行計(jì)算分析獲得氣泡面積百分率（μ）、氣泡最大孔徑（Dmax）、氣泡直徑（D）分布等參數(shù)。氣泡面積百分率是指混凝土表面氣泡總面積相對(duì)于混凝土表面面積的比值；不同直徑（D）的氣泡數(shù)量是指在混凝土表面積為40 000 mm2時(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 減水型聚羧酸系減水劑的影響

表3為減水型聚羧酸系減水劑PC102B1摻量分別為0.15%、0.20%、0.25%與0.30%時(shí)的混凝土表面氣泡參數(shù)。

表3 減水型聚羧酸系減水劑與混凝土表面氣泡參數(shù)的關(guān)系

由表3可知，隨減水劑摻量的增加，氣泡面積百分率（μ）總體呈減小趨勢(shì)，在摻量0.30%時(shí)具有最小值，為0.39%，相對(duì)于摻量0.15%時(shí)的最大值0.93%減小了58.1%；最大孔徑則為先減小后增大再減小的無(wú)規(guī)律變化，同樣在摻量0.30%時(shí)具有最小值，為3.6 mm，相對(duì)于摻量0.25%時(shí)的最大值5.2 mm減小了30.8%；直徑D≤1 mm與D＞1 mm氣泡數(shù)量總體均呈逐漸減少趨勢(shì)，均在摻量0.15%時(shí)具有最大值，分別為272個(gè)、70個(gè)，且均在摻量0.30%時(shí)具有最小值，分別為196個(gè)、39個(gè)，相對(duì)于最大值，最小值分別減小了27.9%、44.3%。上述4個(gè)參數(shù)總體上均隨減水劑摻量增加而減小，主要是因?yàn)闇p水型聚羧酸系減水劑的減水率相對(duì)比較高，隨著摻量的增加，混凝土坍落度逐漸增大，而混凝土流動(dòng)性的增加則有利于混凝土表面氣泡的排出。

2.2 保坍型聚羧酸系減水劑的影響

表4為保坍型聚羧酸系減水劑PC203A1摻量分別為0.30%、0.35%、0.40%與0.45%時(shí)的混凝土表面氣泡參數(shù)。

表4 保坍型聚羧酸系減水劑與混凝土表面氣泡參數(shù)的關(guān)系

由表4可知，隨減水劑摻量的增加，氣泡面積百分率（μ）先增大后減小，在摻量0.45%時(shí)具有最小值，為0.70%，相對(duì)于摻量0.35%時(shí)的最大值1.48%減小了52.7%；最大孔徑則為先不變后減小再增大，在摻量0.40%時(shí)具有最小值，為3.6 mm，相對(duì)于摻量0.30%與0.35%時(shí)的最大值6.0 mm減小了40.0%；直徑D≤1 mm與D>1 mm氣泡數(shù)量均先增加后減少，其中D≤1 mm氣泡數(shù)量在摻量0.30%與0.40%時(shí)分別出現(xiàn)最小值605個(gè)、最大值1400個(gè)，最小值相對(duì)于最大值減小了56.8%，D>1 mm氣泡數(shù)量在摻量0.45%與0.35%時(shí)分別出現(xiàn)最小值58個(gè)、最大值110個(gè)，最小值相對(duì)于最大值減小了47.3%。氣泡面積百分率、直徑D≤1 mm與D>1 mm氣泡數(shù)量隨減水劑摻量增加先增大后減小，主要是保坍型聚羧酸系減水劑的減水率相對(duì)比較低且具有一定的引氣作用，因此，在達(dá)到臨界摻量之前，隨摻量的增加坍落度變化較小且含氣量逐漸增大，當(dāng)達(dá)到臨界摻量后，隨摻量增加坍落度變化增大，有利于表面氣泡的排出。同時(shí)，與表3對(duì)比可知，相對(duì)減水型聚羧酸系減水劑，混凝土表面氣泡參數(shù)均有所增大，氣泡面積百分率的最大值與最小值分別增大了59.1%、79.5%，直徑D≤1 mm氣泡數(shù)量的最大值與最小值分別增大了4.15倍、2.09倍，直徑D>1 mm氣泡數(shù)量的最大值與最小值分別增大了57.1%、48.7%。

2.3 引氣劑的影響

表5為引氣劑摻量分別為0、0.003%、0.006%與0.010%時(shí)混凝土表面氣泡參數(shù)，同時(shí)摻入0.25%PC102B1聚羧酸系減水劑。

表5 引氣劑與混凝土表面氣泡參數(shù)的關(guān)系

由表5可知，隨引氣劑摻量的增加，氣泡面積百分率（μ）逐漸增大，相對(duì)于最小值，最大值增大了1.59倍；最大孔徑的變化無(wú)明顯規(guī)律性，在摻量0.003%時(shí)具有最大值為8.3 mm，相對(duì)于未摻引氣劑時(shí)的最小值5.2 mm增大了59.6%；直徑D≤1 mm的氣泡數(shù)量逐漸增加，相對(duì)于最小值，最大值增大了3.05倍；直徑D>1 mm氣泡數(shù)量先增加后保持不變，在摻量0.006%時(shí)具有最大值118個(gè)，相對(duì)于未摻引氣劑時(shí)的最小值58個(gè)增加了1.03倍。由此可見(jiàn)，在PC102B1聚羧酸系減水劑的基礎(chǔ)上摻入引氣劑時(shí)，混凝土氣泡面積百分率、最大孔徑、直徑D>1 mm氣泡數(shù)量均明顯增多，對(duì)混凝土外觀質(zhì)量有不利影響。

2.4 消泡劑的影響

表6為消泡劑摻量分別為0.001%、0.002%、0.004%與0.008%時(shí)混凝土表面氣泡參數(shù)，同時(shí)摻入0.25%的PC102B1聚羧酸系減水劑。

表6 消泡劑與混凝土表面氣泡參數(shù)的關(guān)系

由表6可知，隨消泡劑摻量的增加，氣泡面積百分率（μ）先減小后增大，在摻量0.004%時(shí)具有最小值，為0.09%，相對(duì)于摻量0.001%時(shí)的最大值0.74%減小了87.8%，在摻量進(jìn)一步提高到0.008%時(shí)，氣泡面積百分率依然相對(duì)較小，僅為0.16%；最大孔徑的變化規(guī)律也是先減小后增大，在摻量0.004%時(shí)具有最小值2.5 mm，相對(duì)于摻量0.001%時(shí)的最大值4.2 mm減小了40.5%；直徑D≤1 mm的氣泡數(shù)量先減少后增多，在摻量0.004%時(shí)具有最小值67個(gè)，相對(duì)于摻量0.001%時(shí)的最大值264個(gè)減小74.6%；直徑D>1 mm氣泡數(shù)量逐漸減少，在摻量0.008%時(shí)的最小值僅為9個(gè)，相對(duì)于摻量0.001%時(shí)的最大值60個(gè)減小了85.0%。綜上可見(jiàn)，在PC102B1聚羧酸系減水劑的基礎(chǔ)上摻入消泡劑時(shí)，混凝土氣泡面積百分率、最大孔徑、直徑D≤1 mm與D>1 mm氣泡數(shù)量均顯著下降。氣泡面積百分率的最小值相對(duì)于減水型聚羧酸系減水劑、保坍型聚羧酸系減水劑及引氣劑的各自最小值分別降低了76.9%、87.1%與94.2%，氣泡面積百分率的最大值相對(duì)于減水型聚羧酸系減水劑、保坍型聚羧酸系減水劑及引氣劑的各自最大值分別降低了20.4%、50%與61.9%。可見(jiàn)，消泡劑的摻入可極大改善混凝土表面氣泡外觀質(zhì)量。

2.5 含氣量與表面氣泡參數(shù)的關(guān)系

針對(duì)上述4種外加劑對(duì)混凝土表面氣泡參數(shù)影響試驗(yàn)所測(cè)得的含氣量，建立了含氣量與混凝土表面氣泡參數(shù)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 含氣量與混凝土表面氣泡參數(shù)的關(guān)系

由圖1可知，氣泡面積百分率與直徑D>1 mm氣泡數(shù)量均隨含氣量的提高而不斷增多。由此可見(jiàn)，含氣量的提高，總體上將導(dǎo)致氣泡面積百分率與直徑D>1 mm氣泡數(shù)量增多的概率上升，不利于混凝土外觀質(zhì)量的改善，這與引氣劑或消泡劑對(duì)混凝土表面氣泡參數(shù)的影響規(guī)律相吻合。

3 結(jié)論

（1）無(wú)論是減水型還是保坍型聚羧酸系減水劑，其摻量均對(duì)機(jī)制砂混凝土表面氣泡參數(shù)影響比較大，且摻保坍型聚羧酸系減水劑的機(jī)制砂混凝土表面氣泡參數(shù)數(shù)值相對(duì)于摻減水型聚羧酸系減水劑要大。

（2）機(jī)制砂混凝土摻入引氣劑時(shí)，混凝土氣泡面積百分率、最大孔徑、直徑D>1 mm氣泡數(shù)量均明顯增大，對(duì)混凝土外觀質(zhì)量有明顯的不利影響。

（3）機(jī)制砂混凝土摻入消泡劑時(shí)，混凝土氣泡面積百分率、最大孔徑、直徑D≤1 mm與D>1 mm氣泡數(shù)量均顯著下降?？梢?jiàn)，消泡劑的摻入可極大改善混凝土表面氣泡外觀質(zhì)量。

（4）機(jī)制砂混凝土含氣量的提高，總體上將導(dǎo)致氣泡面積百分率與直徑D>1 mm氣泡數(shù)量增大的概率均增大，不利于混凝土外觀質(zhì)量的改善。