引氣劑與混凝土高性能化 |
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2016-04-12 16:24:41 |
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1.引氣劑的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀
混凝土引氣劑是最古老的外加劑之一，四十年代開始應(yīng)用于混凝土抗凍工程中。引氣劑在混凝土中的應(yīng)用在國(guó)外已得到許多國(guó)家的公認(rèn)。在國(guó)外，尤其是日本，幾乎大部分混凝土，包括高強(qiáng)高性能混凝土（HPC）都要摻用引氣劑、引起減水劑，而將不用引氣劑或只摻用其他外加劑的混凝土定為特殊混凝土。在日本規(guī)范中規(guī)定，砼中必須摻入引氣劑(AE劑)或引氣減水劑(AE減水劑)。美國(guó)北部地區(qū)和加拿大所有露天使用的混凝土規(guī)定要摻用引氣劑，主要是考慮改善混凝土耐久性。我國(guó)五十年代開始開發(fā)引氣劑，用于提高水工混凝土的抗凍性。目前，我國(guó)只有在水工和港工混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程中有明確的摻引氣劑要求。然而，隨著混凝土技術(shù)發(fā)展的需要，特別是引進(jìn)國(guó)外施工設(shè)備和國(guó)外工程公司進(jìn)入我國(guó)施工市場(chǎng)，引氣劑也開始在其它場(chǎng)合使用。例如，在上海高層建筑物有泵送要求的混凝土中，廣泛使用了引氣劑。在秦山核電站二期工程中，外方也要求在混凝土中必須摻引氣劑。我國(guó)黃士元教授也一再撰寫論文呼吁引氣劑的使用，這說(shuō)明引氣劑確是改善砼耐久性的優(yōu)良外加劑。
引氣劑在我國(guó)的混凝土工程中使用并不普遍，摻引氣劑的混凝土僅占混凝土總量的百分之幾。究其原因，除了擔(dān)心引氣劑降低混凝土的強(qiáng)度外，缺少更多性能優(yōu)異、價(jià)格適宜的引氣劑可供選擇及由于引氣劑使用不當(dāng)致使效果不顯著，對(duì)提高混凝土的抗?jié)B性、耐久性重視不足，也是主要因素。
2.作用機(jī)理
引氣劑大部分是陰離子表面活性劑，在水-氣界面上，憎水基向空氣一面定向吸附，在水泥-水界面上，水泥或其水化粒子與親水基相吸附，憎水基背離水泥及其水化粒子，形成憎水化吸附層，并力圖靠近空氣表面，由于這種粒子向空氣表面靠近和引氣劑分子在空氣—水界面上的吸附作用，顯著降低水的表面張力，使混凝土在拌和過(guò)程中產(chǎn)生大量的微氣泡，這些氣泡有帶相同電荷的定向吸附層，所以相互排斥并能均勻分布；另一方面，許多陰離子引氣劑在含鈣量高的水泥水溶液中有鈣鹽沉淀，吸附在氣泡膜上，能有效地防止氣泡破滅，引入的細(xì)小均勻的氣泡能在一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在。引氣劑主要作用首先是引入氣泡，其次是分散和潤(rùn)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一種外加劑。其主要原理是引氣劑引入的小氣泡切斷毛細(xì)管的通路，降低毛細(xì)管作用，從而提高混凝土的抗?jié)B性。這些微氣孔在冰凍過(guò)程中能釋放毛細(xì)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。
3.引氣劑對(duì)混凝土性能的影響
3.1引氣劑對(duì)新拌混凝土性能的影響
引氣劑能顯著改變新拌混凝土的性能。引氣劑由于在混凝土中引入大量微小且獨(dú)立的氣泡，這些球狀氣泡如滾珠一樣使混凝土和易性得到較大程度的改善。由于氣泡增加了漿體體積和對(duì)拌和料的潤(rùn)滑作用，以及增加了漿體的粘度和屈服應(yīng)力，因此引氣混凝土的工作性、塑性和內(nèi)聚性得到顯著提高，明顯比非引氣混凝土的好。引氣劑所引入的微細(xì)泡宛如微細(xì)集料，對(duì)級(jí)配不良，尤其是細(xì)顆粒缺少的細(xì)集料有補(bǔ)償作用，可以使混凝土顯得砂漿富余；這些微小氣泡結(jié)和支撐著水泥顆粒，填塞了水泥顆粒間的空隙，從而阻或減少了水泥和集料顆粒周圍的水流，減少混凝土的泌水、沉降和離析。同時(shí)，由于這些氣泡的“撥開”或“分散”作用，極大地增加了水泥或細(xì)集料的自由(非凝聚)表面積，增強(qiáng)拌和物的粘性和工作性。在原材料比例不變的條件下，引氣可以提高混凝土的流動(dòng)性，而在相同塌落度下，摻有引氣劑的混凝土，其漿體和易性、流動(dòng)性、塑性、澆注性、搗實(shí)性等非測(cè)量指標(biāo)是不摻引氣劑的混凝土漿體所不能比擬的，引氣可以降低拌和用水量。另外，引氣還可降低新拌混凝土的坍落度損失。
隨著施工技術(shù)和高層建筑的發(fā)展需要，混凝土的可泵性能顯得愈來(lái)愈重要。實(shí)際上，可泵性是混凝土工作性良好的一種特殊表現(xiàn)形式，由于引氣增加了混凝土的內(nèi)聚性和物料間的潤(rùn)滑作用，降低了脹流，使泵送時(shí)不會(huì)過(guò)度離析和泌水，因此引氣可提高新拌混凝土的可泵性能。但是，泵送混凝土的含氣量也不宜太高，因?yàn)檫^(guò)大的含氣量造成的空氣可壓縮性提高足產(chǎn)生不飽和狀態(tài)，增加泵送時(shí)的泵壓損失和降低混凝土的泵送效率。這類混凝土的含氣量一般以小于6%為好。正是由于上述這些原因，導(dǎo)致泵送混凝土和大體積混凝土工程，以及道路和其它土木建筑工程廣泛采用引氣混凝土，即使是沒(méi)有抗凍或抗除冰鹽要求的環(huán)境中也是如此。在貧混凝土和干硬性混凝土或碾壓混凝土，以及輕骨料混凝土中，引氣可以最大地改善其性能和最大地發(fā)揮引氣劑的這些好外。
混凝土的可泵性不僅與坍落度有關(guān)，還與混凝土的壓力泌水量有關(guān)，在同樣的條件下，減少了泌水也就意味著提高了混凝土的可泵性。因此，在國(guó)外及我國(guó)的上海幾乎所有的泵送劑均含有引氣成分。
3.2引氣劑對(duì)硬化混凝土性能的影響
3.2.1引氣劑對(duì)強(qiáng)度的影響
引氣將使混凝土的強(qiáng)度降低，特別是當(dāng)含量很大時(shí)(>4%)降低更明顯，這是引氣劑的最大缺點(diǎn)，也是制約引氣劑在我國(guó)大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要原因，因?yàn)樵谖覈?guó)許多混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范中都是以強(qiáng)度作為指標(biāo)。長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為摻引氣劑就一定降低混凝土強(qiáng)度的觀點(diǎn)是不全面的。
（1）混凝土強(qiáng)度不僅與混凝土中空氣引入量有關(guān)，也與引入空氣泡的結(jié)構(gòu)和孔徑等有關(guān)。在某種意義上，孔的結(jié)構(gòu)和孔徑比孔隙率對(duì)混凝土宏觀性能的影響更重要。不同孔徑的氣孔對(duì)混凝土性能的影響并不是一致的，國(guó)外一些學(xué)者認(rèn)為，孔徑50nm以下的孔屬于無(wú)害孔。不同品種的引氣劑對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)形成的影響是不同的，因而對(duì)混凝土強(qiáng)度、滲透性等的影響也是不同的，不能一概而論。
（2）使用性能優(yōu)異的引氣劑，一般可減少混凝土用水量的8%～10%，從而可補(bǔ)償因氣孔率增加而引起的強(qiáng)度下降。
（3）引氣劑的應(yīng)用改善了混凝土的和易性、工作性、極大地減少了混凝土的泌水、離析，從而使混凝土的界面特性得以提高。在高水膠比的普通混凝土中，界面特性對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響較少，但界面特性對(duì)C70以上的高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響就較大，所以在低水膠比的高強(qiáng)混凝土中摻入適量的引氣劑改善界面特性，往往使混凝土由于界面缺陷引起的強(qiáng)度，特別是抗折強(qiáng)度的損失得以補(bǔ)償。交通部公路研究所在對(duì)道路混凝土研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，引氣反而可以提高混凝土的抗折強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度。引氣引起的混凝土抗折強(qiáng)度降低率遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度的降低率，即引氣可以提高混凝土的抗壓比或者說(shuō)韌性。這一點(diǎn)對(duì)道路工程特別重要和有實(shí)用意義。
（4）在混凝土拌和物中單獨(dú)摻加引氣劑是極少的。通常引氣劑和高效減水劑同時(shí)使用，或者在高效減水劑中復(fù)合適量的引氣劑，這樣因減水劑的高減水率而提高的混凝土強(qiáng)度，完全可補(bǔ)償因使用引氣劑使混凝土孔隙率增加而導(dǎo)致的強(qiáng)度損失。
（5）有許多研究資料表明，對(duì)于貧混凝土和干硬性混凝土或碾壓混凝土，以及輕骨料混凝土，適量引氣不但不降低強(qiáng)度，反而增加強(qiáng)度，這主要與引氣可提高混凝土的漿體體積、工作性、塑性和內(nèi)聚性有關(guān)。
3.2.2引氣劑對(duì)混凝土耐久性的影響
3.2.2.1抗凍性
眾所周知，摻引氣劑的主要作用是提高混凝土的抗凍耐久性。目前，引氣劑作為提高混凝土抗凍性的最主要技術(shù)措施已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中(如水工和港工等混凝土工程)，其效果也得到認(rèn)可。
一般非引氣混凝土的含氣量都小于1.8%，且這部分氣泡多為截留大氣泡，對(duì)混凝土性能有很不利的影響。然而，引氣劑產(chǎn)生的氣泡多為均勻的微小氣泡，它們對(duì)混凝土性能有許多有利的作用，與截留大氣泡相比有很大的不同。
普通混凝土引進(jìn)的最佳含氣量為3%～6%，砂漿為9%～10%。在以上的控制范圍內(nèi)，隨著含氣量的增加，混凝土的抗凍性能逐漸提高，最大可提高幾十倍。由于引氣劑在砼中能引入很多均勻分布的微小氣泡，徹底改變了原來(lái)僅有1.8%含氣量的砼中內(nèi)部結(jié)構(gòu)。引氣劑在砼中引入的各級(jí)配氣泡，對(duì)砼中的各類材料具有抑制沉降泌水與防止砼材料不均勻配置的作用，從而防止了空白混凝土中大氣泡對(duì)砼抗凍性不利局面的發(fā)生。試驗(yàn)表明引入2.2%的含氣量，使砼的總含氣量達(dá)到4%時(shí)，砼的耐久性指數(shù)DF可達(dá)到120%，而原來(lái)僅含1.8%含氣量的砼耐久性指數(shù)僅為15%。
然而，并非含氣量越大越好，含氣量超過(guò)一定限值后，混凝土抗凍性能反而會(huì)降低，如引氣量增加1%，混凝土強(qiáng)度下降3%～5%。
3.2.2.2抗鹽凍性
現(xiàn)在許多混凝土高等級(jí)公路和城市道路，在冬季常撒除冰鹽(主要為NaCl)以清除路面冰雪。在鹽和凍結(jié)的共同作用下，混凝土的破壞特別嚴(yán)重?；炷聋}凍剝蝕破壞是指在除冰鹽存在的條件下，混凝土因受凍產(chǎn)生的一種特殊破壞形式，主要表現(xiàn)為表面嚴(yán)重剝蝕，骨料暴露。迄今不止，已在北京、天津等城市立交橋，以及黑龍江等東北地區(qū)高等級(jí)混凝土路面上發(fā)現(xiàn)了多起嚴(yán)重的鹽凍剝蝕破壞實(shí)例。這些破壞實(shí)例的最主要原因是混凝土中沒(méi)有采取防治鹽凍破壞的技術(shù)措施，如摻引氣劑。由于鹽凍剝蝕破壞本質(zhì)上也是因水結(jié)冰膨脹而破壞，因此引氣劑同樣對(duì)改善混凝土抗鹽凍性能有非常好的效果。
北方道路由于冬季下雪之故，從第一年的10月開始到第二年3月約需灑2～3次的除冰鹽，才能保證道路路面積雪的清除，然而在鹽和冰凍的共同作用下，砼的破壞尤為嚴(yán)重。砼的鹽凍剝蝕破壞是指在除冰鹽的存在條件下，砼因受凍產(chǎn)生的一種特殊破壞形式，主要表現(xiàn)為表面剝蝕、骨料暴露、將砼表層的一層水泥砂漿殼體層全部剝蝕掉。摻入引氣劑可有效地阻止混凝土向上的泌水過(guò)程，引入眾多微小氣泡而防止冰鹽的剝蝕破壞。
3.2.2.3抗?jié)B性
黃士元教授研究表明，砼中引入4%的含氣量，可使砼的抗?jié)B性提高的約15%以上，原因是引氣劑改變了砼的孔結(jié)構(gòu)體系，封閉了許多毛細(xì)孔通道，同時(shí)在水泥顆粒表面上形成憎水膜，從而降低了毛細(xì)管的抽吸作用。
許多引入封閉式小孔不能被水全部填充，多余下來(lái)用以緩物理膨脹—有機(jī)鹽結(jié)晶體或礦物結(jié)晶體；或化學(xué)膨脹—骨料反應(yīng)或硫酸鹽反應(yīng)造成的破壞，從而改善抗?jié)B性能。
水灰比是影響滲透性能的主要因素。水灰比越大包圍水泥顆粒的防水層越厚，許多拌和水在水泥石中形成相互通連而無(wú)規(guī)則的毛細(xì)孔通道，增加混凝土的透水性，摻加引氣劑及高效減水劑的混凝土水灰比都在0.5以下，甚至可達(dá)0.3以下，混凝土中孔隙率的改變，加之引氣劑產(chǎn)生的細(xì)小均勻獨(dú)立而不相通的氣泡，有效地隔斷了混凝土中的毛細(xì)孔通道，防止水分滲透。我們采用多種方法測(cè)試表明，摻用引氣劑的混凝土抗?jié)B標(biāo)號(hào)可達(dá)S12以上，即在2MPa以上水壓下也不會(huì)透水。工程實(shí)踐證明，以引氣劑及減水劑配制的混凝土無(wú)需再采用其它防水措施，即可達(dá)到防水抗?jié)B目的，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
3.2.2.4冬季施工混凝土
混凝土在成型和凝結(jié)后，如早期遭受凍結(jié)，混凝土中的未水化水受凍膨脹，破壞了混凝土內(nèi)部的凝聚結(jié)構(gòu)，從而形成硬化混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)損傷，這是混凝土冬施中最易發(fā)生的質(zhì)量事故，為了保證混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不因早期凍結(jié)引起破壞，在受凍前必須達(dá)到最小強(qiáng)度，也稱為臨界強(qiáng)度。目前，混凝土早期受凍引起的破壞程度一般都用抗壓強(qiáng)度損失來(lái)表示，試驗(yàn)室中用早期受了凍結(jié)的標(biāo)養(yǎng)28天強(qiáng)度與未受凍的標(biāo)養(yǎng)8天強(qiáng)度作比較，國(guó)內(nèi)外許多試驗(yàn)資料表明，臨界強(qiáng)度在3.5～7.0MPa。為了保證混凝土的質(zhì)量，在受凍前的強(qiáng)度必須高于臨界強(qiáng)度。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有不少文章建議在冬施使用防凍劑時(shí)復(fù)合引氣劑，他們認(rèn)為引氣劑能減少混凝土早期受凍的凍脹力。摻引氣劑混凝土早期受凍的強(qiáng)度損失比不摻引氣劑的普通混凝土減少，臨界強(qiáng)度也可減少至2～4MPa。引氣混凝土抵抗早期受凍融循環(huán)的能力提高尤為顯著。
由此可見，在冬施混凝土中摻加引氣劑，既能提高結(jié)構(gòu)物的耐久性，又能提高混凝土抵抗早期受凍的能力，降低臨界強(qiáng)度，提高冬施安全度。在考慮到摻防凍鹽對(duì)混凝土抗凍性的不利影響，須提倡在冬施中摻加引氣劑，甚至應(yīng)該在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，在冬施中必須摻加引氣劑。
3.2.2.5抗侵蝕性能
提高混凝土的抗侵蝕能力關(guān)鍵在于提高混凝土密實(shí)性及抗?jié)B性能。混凝土摻加高效減水劑后，可以明顯提高混凝土的密實(shí)性，再摻加適量的引氣劑，引入微氣泡，可提高混凝土的抗?jié)B能力，因此具有較好的抗侵蝕性能。
3.2.2.6抗碳化性能
試驗(yàn)資料表明，摻引氣劑及減水劑的混凝土孔隙率小，混凝土密實(shí)，加之微小氣泡，可使混凝土碳化速度降低，提高了混凝土的抗碳化性能，減少了鋼筋銹蝕危害。
3.2.3引氣劑對(duì)混凝土干縮和徐變的影響
空氣含量的增加會(huì)使混凝土的干縮值有所增大，但引氣劑的減水作用又可以使干縮下降，因而當(dāng)混凝土的強(qiáng)度、和易性相同時(shí)，在一定范圍內(nèi)引氣不會(huì)對(duì)混凝土的徐變產(chǎn)生影響。
4引氣劑應(yīng)用中存在的問(wèn)題及解決方法
影響引氣劑推廣應(yīng)用的原因主要是在許多工程技術(shù)人員中還存在一種陳舊觀念，即摻用引氣劑會(huì)降低混凝土強(qiáng)度及增加引氣量會(huì)影響混凝土的體積穩(wěn)定性，在高強(qiáng)混凝土中更不敢摻用引氣劑，這些觀念是很不全面的。高效減水劑同摻適當(dāng)?shù)囊龤鈩?，完全可以配?/span>C70甚至更高標(biāo)號(hào)的HPC，所配制混凝土的主要技術(shù)性能可超越單一摻用高效減水劑的混凝土。引氣劑的推廣過(guò)程中，除了要改變對(duì)引氣劑的舊觀念外，就是要開發(fā)出高質(zhì)量的引氣劑。一種優(yōu)良的引氣劑，首先本身必須具備良好的發(fā)泡能力和穩(wěn)定性能，同時(shí)具有良好的氣泡結(jié)構(gòu)和小的強(qiáng)度損失率；其次要具有強(qiáng)的適應(yīng)性能，如能適應(yīng)不同的水泥品種和攪拌施工方式、溫度環(huán)境等；第三，與其它外加劑具有強(qiáng)的復(fù)合性能；最后，要使用方便和安全，價(jià)格也合理。
因此，新型高性能引氣劑的研制開發(fā)是擺在我們面前的重要課題。此外，隨著混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，集優(yōu)異的工作性、力學(xué)性能和耐久性能于一體的高性能混凝土已成為混凝土技術(shù)的主要方向，如何將引氣劑的應(yīng)用拓展到高性能混凝土領(lǐng)域，使其在改善混凝土耐久性和工作性的同時(shí)，不致于對(duì)其強(qiáng)度造成很大程度的負(fù)效應(yīng)，也是新型高性能引氣劑的研制開發(fā)所應(yīng)關(guān)注的主要問(wèn)題。
5引氣劑與高性能混凝土技術(shù)
高性能混凝土（HPC）技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展的一項(xiàng)混凝土技術(shù)，目前不同學(xué)派對(duì)其概念有著不同的定義，這主要是在強(qiáng)度方面的爭(zhēng)論。但是，他們一致認(rèn)為高性能混凝土必須體現(xiàn)“高性能”，即必須具備好的工作性和優(yōu)良的耐久性，至于強(qiáng)度，雖也要求高強(qiáng)但并不僅限于高強(qiáng)或過(guò)分追求高強(qiáng)。
耐久性和工作性在高性能混凝土中具有十分重要的地位。通過(guò)上面的介紹分析可以看出，摻加引氣劑的混凝土，其工作性能得到明顯的改善，減少混凝土的泌.水、分層和離析，提高混凝土的流動(dòng)性和可泵性；同時(shí)硬化體的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)都得到明顯的改善，提高了混凝土耐久性?；炷列阅艿奶岣撸沟没炷帘旧砀咝阅芑?，具有普通混凝土不可比擬的優(yōu)勢(shì)。引氣劑的使用適應(yīng)當(dāng)前和以后混凝土高性能化的要求，因此，我們認(rèn)為引氣劑在高性能混凝土的推廣應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)該發(fā)揮相當(dāng)重要的作用，高性能混凝土應(yīng)該加入引氣劑來(lái)提高混凝土性能。
6總結(jié)
6.1在混凝土工程中使用一定量的引氣劑對(duì)提高新拌混凝土的流動(dòng)性、和易性、可泵性，減少拌和物的離析和泌水，提高混凝土的均勻性、耐久性(抗?jié)B性、抗凍性等)都是十分有益的。
6.2在商品混凝土中使用性能優(yōu)異的引氣劑，可顯著提高塑性混凝土和硬化混凝土的各項(xiàng)性能，而且還可以降低外加劑和混凝土的成本。
6.3優(yōu)良引氣劑的研究和應(yīng)用是我國(guó)混凝土及其外加劑發(fā)展的需要和必然。
6.4引氣劑的使用順應(yīng)混凝土技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，適應(yīng)高性能混凝土發(fā)展的需要，因此引氣劑的開發(fā)、推廣和應(yīng)用意義深遠(yuǎn)，它應(yīng)是今后發(fā)展高性能混凝土的必備外加劑。
——摘自：薛慶
《中國(guó)混凝土外加劑網(wǎng)》