引气剂对硬化混凝土结构和性能的影响

　　摘要：研究了引气剂对硬化混凝土强度和气泡特征参数的影响规律。结果表明:适宜的含气量不会对混凝土的抗压强度产生较大影响,但却使气泡间隔系数大大降低,从而极大提高了其抗冻性能。引气剂品种对新拌混凝土含气量与硬化混凝土含气量的相关性、硬化混凝土气泡间隔系数会产生显著影响,仅通过测定新拌混凝土含气量来评价抗冻质量,可能会出现较大偏差。

　　关键词：混凝土; 　引气剂; 　抗压强度; 　气泡特征; 　抗冻性

　　20世纪90年代以来,我国水泥混凝土路面得到了前所未有的迅猛发展,截至2005 年底,我国有铺装路面53. 27 万公里,其中水泥混凝土路面30. 66 万公里,约占58 %[1 ] 。但在不少高寒和寒冷地区,水泥混凝土路面冻害相当严重,造成了巨大的经济损失。掺加引气剂使硬化混凝土具有合理的气泡结构是提高其抗冻性最有效的措施,但目前道路混凝土中引气剂的应用并不普遍。究其原因,除担心引气剂会过多降低混凝土的强度,还主要与我国引气剂品牌众多,质量良莠不齐,应用中经常出现质量问题有关[2 ] 。表征硬化混凝土气泡结构特征的参数主要有3 个,即含气量、平均气泡径和气泡间隔系数,其中气泡间隔系数最为重要[3 ] 。因此,该文选取国内常用的5 种引气剂,通过试验研究了含气量、引气剂品种对硬化混凝土强度、气泡特征参数的影响规律,以期对推广应用引气剂、提高混凝土路面的抗冻耐久性有所裨益。

　　1试验

　　1. 1原材料

　　水泥:北水京都42. 5 级普硅水泥;粗集料:5 —25 mm 连续继配碎石,石粉含量0. 4 % ,压碎指标5. 5 %;细集料:细砂,细度模数1. 0 ,属特细砂;机制砂,细度模数3. 5 ,属Ⅰ区粗砂;粉煤灰:山东德州华能Ⅰ级低钙粉煤灰;减水剂:SHP21 缓凝型减水剂;引气剂:A(皂素类引气剂,非离子型表面活性剂,主要成份三萜皂甙,褐色粉剂) ,B(松香类引气剂,阴离子表面活性剂,主要成份改性松香酸盐,棕色液体) ,C(烷基磺酸盐类引气剂,阴离子表面活性剂,主要成份十二烷基苯磺酸钠,白色粉剂) ,D(松香类引气剂,阴离子表面活性剂,主要成份松香热聚物,液体) ,E(松香类引气剂,阴离子表面活性剂,主要成份改性松香酸盐,液体。

　　1. 2配合比

　　分别采用0. 60 、0. 50 、0. 40 、0. 30 的水胶比,配合比设计如表1 所示。试件采取统一成型制度( 振动台15 —20s) , 设计含气量为0 % —2 %(基准, 不掺引气剂) 、3 % —4 %、4 % —5 %、5 % —6 % 4 个等级。测定新拌混凝土含气量,硬化混凝土28 d 抗压强度,硬化混凝土的气泡特征参数。

　　1. 3方法

　　1) 含气量与抗压强度　参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程(J TG E30 —2005) 》的相关规定进行, 新拌混凝土含气量使用SAN YO 直读式含气量测定仪测定,抗压强度采用边长为100 mm 的立方体试件。

　　2) 硬化混凝土气泡特征参数　采用MIC2840201 型硬化混凝土孔隙结构测定仪,该设备为我国首次引进,能自动测定硬化混凝土的气孔特征参数,减少测试中的人工误差,提高精度和速度。其测试面积为60 mm ×60 mm ,圆形度值取0. 60 ,像素删除标准值取10 ,阈值取200 左右。该设备的组装配置如图1 所示。将混凝土试件标养28 d ,切割成厚度为1 —2 cm 试样,表面经研磨、清洁并涂荧光剂,将试样表面的荧光剂仔细研磨掉,仅使气孔中充满荧光剂,用于气泡特征参数测定。

　　2引气剂对混凝土抗压强度的影响分析

　　我国许多混凝土设计规范都是以强度作为指标,掺用引气剂会使混凝土抗压强度下降成为工程技术人员的顾虑。由图2 可见,硬化混凝土抗压强度随含气量的增加线性下降,基本上每增加1 %的含气量,抗压强度降低4 % —5 %。但当含气量小于4 %时,抗压强度损失均在15 %以内。实践表明,通过适当降低水灰比、增加水泥用量等措施可轻而易举的补偿含气量造成的强度损失,却能使混凝土的抗冻性能成倍提高。适宜的含气量还可以改善混凝土的界面特性,提高抗折强度,这对道路混凝土具有更重要的实用价值[4 ] 。

　　由图3 还可看到,在新拌混凝土含气量相同(4. 0 % ±0. 5 %) 条件下,掺不同品种引气剂混凝土的28 d抗压强度差别不大。这是因为混凝土的强度主要取决于水灰比和水泥用量,虽然不同品种引气剂引入的气泡尺寸和分布有所不同,但这种差异对混凝土强度的影响并不明显。

　　3引气剂对混凝土气泡特征参数的影响分析

　　3. 1新拌混凝土含气量与硬化混凝土含气量

　　如图4 所示,掺引气剂A、B、D、E 的混凝土拌和物含气量与硬化混凝土含气量具有很高的相关性,相关系数可达到0. 90 、0. 87 、0. 84 和0. 91 ,而使用引气剂C 的混凝土则不存在相关性。可见,引气剂品种对新拌混凝土含气量与硬化混凝土含气量的相关性具有显著影响。目前工程中普遍通过测定新拌混凝土含气量来控制抗冻质量,受引气剂品种与质量的影响,这可能会出现较大偏差。建议对选用的引气剂进行新拌混凝土含气量与硬化混凝土含气量的相关性检验。

　　3. 2硬化混凝土气泡间隔系数

　　1) 含气量对气泡间隔系数的影响　图5 显示了水胶比为0. 40 时含气量对混凝土气泡间隔系数的影响(不包含引气剂C) 。可看到,含气量和气泡间隔系数的关系,与许丽萍等收集国外资料的数据进行回归得到的指数关系有所不同[5 ] 。掺加引气剂可使硬化混凝土的气泡间隔系数大大降低,非引气混凝土的气泡间隔系数高达560μm ,而含气量在3 %时,气泡间隔系数即减小到250μm 左右,基本可满足混凝土路面在冻融环境下对气泡间隔系数的要求[6 ] 。当新拌混凝土含气量大于4 %时,气泡间隔系数随含气量增加而减小的趋势则趋于平缓,因此,含气量的控制不宜过高,应在一个合理范围内。

　　2) 引气剂品种对气泡间隔系数的影响　由图6 可见,虽然新拌混凝土含气量相同(4 % ±0. 5 %) ,但使用不同品种引气剂混凝土的气泡间距系数有明显差别。笔者认为,这主要与引气剂引入的气泡体系稳定性不同有关。图7 显示了新拌混凝土含气量相同(4 % ±0. 5 %) 条件下,使用不同品种引气剂的硬化混凝土含气量差别很大,掺加引气剂C 的混凝土硬化后含气量仅为1. 892 % ,相当于使用引气剂E 的50 % ,这是造成掺引气剂C 的混凝土气泡间隔系数偏大的主要原因。目前,我国引气剂品牌众多,质量差异较大,仅通过引气剂本身的理化指标或消泡时间来评定其质量显然不能满足要求,应尽快建立起与掺引气剂混凝土性能密切相连的质量评价体系,这对推广优质引气剂的使用具有重要意义。

　　3. 3 　硬化混凝土平均气泡直径

　　由图8 可见,新拌混凝土含气量相同(4 % ±0. 5 %) 条件下,使用不同品种引气剂混凝土的平均气泡直径差别不大。试验表明,平均气泡直径主要受水灰比的影响,如图9 所示,含气量相同时,水灰比越大,则混凝土的平均气泡直径越大。

　　硬化混凝土含气量一定时,平均气泡直径越小,则气泡间隔系数越小。但前面的试验结果表明,新拌混凝土含气量相同条件下,使用不同品种引气剂的硬化混凝土含气量差别很大。使用引气剂C 的混凝土平均气泡直径较小,但由于硬化后含气量偏低,导致气泡间隔系数仍然很大。可见,仅通过平均气泡直径并不能很好的反映气泡结构的优劣。

　　4结论

　　a. 硬化混凝土的抗压强度随含气量的增加线形下降,但当含气量小于4 %时,抗压强度损失均在15 %以内。

　　b. 气泡间隔系数随含气量的增加而减小,但并不是指数关系。当含气量大于4 %时,气泡间隔系数的减小趋势会趋于平缓。

　　c. 引气剂品种对新拌混凝土含气量与硬化混凝土含气量的相关性,硬化混凝土的气泡间隔系数有显著的影响。仅通过测定新拌混凝土含气量来评价抗冻质量,可能会出现较大偏差。

　　d. 平均气泡直径主要受水灰比的影响,仅通过平均气泡直径并不能很好的反映气泡结构的优劣。

参考文献：

[1]中华人民共和国交通部. 2005 年公路水路交通行业发展统计公报[J ] . 交通世界,2006 ,(5) :25227.

[2]张春林,李彦昌,杨荣俊. 引气剂质量对混凝土性能的影响[J ] . 市政技术,2004 ,22 (1) :53254.

[3]吴学礼,杨全兵,朱蓓蓉,等. 混凝土抗冻性的评估[J ] . 混凝土, 1999 , (6) :9212.

[4]傅智. 水泥混凝土路面滑模施工技术[M] . 北京:人民交通出版社,2001.

[5]许丽萍,吴学礼. 抗冻混凝土的设计[J ] . 上海建材学院学报,1993 ,6 (2) :1122123.

[6]交通部公路科学研究院. J TG F3022003 公路水泥混凝土路面施工技术规范[ S] . 北京:人民交通出版社,2004.