摘要: 對比研究了摻6 種引氣劑混凝土的含氣量、氣泡間距系數、孔徑分布及氣泡平均直徑等氣泡特征參數. 結果表明,除個別引氣劑外,摻不同引氣劑的新拌混凝土,其含氣量與硬化混凝土含氣量及氣泡間距系數之間不存在相關性;即使新拌混凝土含氣量相同,摻加不同品種引氣劑混凝土的氣泡間距系數、孔徑分布依然有顯著差別. 同一品種引氣劑,隨含氣量增加,氣泡間距系數先減小后增加,小氣泡和氣泡總數先增加后減少;含氣量過大,氣泡結構變差. 用含氣量來評價摻不同品種引氣劑混凝土的抗凍性,可能會產生較大的偏差.
關鍵詞: 引氣; 含氣量; 氣泡間距系數; 氣泡平均直徑
中圖分類號: TU 528. 1 文獻標識碼: A 文章編號: 0253 - 374X(2008) 03 - 0374 - 05
影響混凝土抗凍性的材料因素很多,其中引氣作用最為重要. 表征硬化混凝土氣泡體系特征的參數主要有3 個,即含氣量、氣泡平均直徑和氣泡間距系數,其中,氣泡間距系數最為重要[1 ] . 這3 個參數相互之間有一定的關系,含氣量一定時,氣泡越小,氣泡間距就越小. Saucier 等人[2 ]收集了許多數據,建立了新拌混凝土的含氣量與硬化混凝土氣泡間距系數的關系圖,認為二者之間存在定量關系,即新拌混凝土的含氣量(體積分數,后同) 在相當大的程度上反映出混凝土中氣泡體系的基本狀況,可作為混凝土抗凍性的材料特征參數之一. 由于氣泡間距系數測試較困難,在實際工程中一般通過控制新拌混凝土含氣量來保證混凝土的抗凍性. 許麗萍等人[3 ]收集了國內外有關資料,對新拌混凝土和硬化混凝土的含氣量進行了回歸分析,發(fā)現二者之間存在一定的相關性. 然而上述研究中絕大部分數據來源于國外相關文獻的報導. 引氣劑在一些發(fā)達國家的應用已有幾十年的歷史,應用技術比較完善,質量也比較穩(wěn)定,而我國的引氣劑尚處于推廣應用階段,種類和牌號很多,質量良莠不齊. 目前,對國內引氣劑的性能及其對混凝土氣孔特征參數的影響研究少之又少,開展此方面的研究對引氣劑合理使用及其推廣應用意義重大. 筆者選取國內幾種常見的引氣劑,對比研究其氣泡特征參數,希望對引氣劑的推廣應用有所幫助.
1 原材料及試驗方法
1. 1 原材料
水泥:寶山水泥廠42. 5 級普硅水泥;砂:中砂,細度模數2. 63 ;粗集料:5～20 mm碎石,級配見表1.
引氣劑選用了6 中不同的牌號,分別是: SJ 三萜皂甙引氣劑;改性松香熱聚物類引氣劑(以B ,C表示) ;合成引氣劑,成分不詳(以D 表示) ;烷基磺酸鹽類引氣劑(以E 表示) ;皂素類復合引氣劑(以F表示) .
1. 2 混凝土配合比(質量比)
水泥∶水∶砂∶石= 350∶178∶600∶1 240引氣劑按水泥用量的百分比(質量分數) 摻加,不同引氣劑摻量根據新拌混凝土的含氣量調整,混凝土的坍落度控制在30～50 mm ,低頻振動臺振動15 s 成型,測試新拌混凝土的含氣量或成型試件用于測試硬化混凝土氣泡特征參數.
1. 3 混凝土拌和物含氣量測試
參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法》( GB/T50080 —2002) ,采用SAN YO 直讀式含氣量測定儀測定含氣量.
1. 4 硬化混凝土氣孔參數測試
混凝土試件為10 cm ×10 cm ×10 cm 的立方體,標準養(yǎng)護28 d , 切割成厚度為1～2 cm 試件,經打磨、拋光、清潔并噴涂熒光劑,待干燥后放入試驗臺測試. 在測試軟件中,輸入水泥漿體含量、測試范圍、閾值等參數,并用模板標定尺寸后,由硬化混凝土氣泡參數測定儀自動采集數據. 本試樣測試區(qū)域為60 mm ×60 mm ,氣泡圓形度值取0. 25 ,閾值取33. 設置完成后,系統(tǒng)由COSMOS 軟件自動采集數據并自動計算得到結果.
硬化混凝土氣泡特征參數計算公式如下:
平均氣泡面積a = S / N
含氣量A s = 100 na
平均氣泡直徑 
比表面積 
氣泡間距系數
式中: S 為累計氣泡面積,μm2 ; N 為氣泡個數; n為單位面積內氣泡數; S i 為氣泡面積,μm2 ;α為比表面積,μm- 1 ; P 為漿體含量(體積分數) , %.
2 試驗結果及分析
2. 1 新拌混凝土含氣量與硬化混凝土含氣量
圖1 顯示了新拌混凝土含氣量A 與硬化混凝土含氣量A s 的關系. 從圖可看到,并不是所有新拌混凝土和硬化混凝土的含氣量存在相關性,除摻加SJ 引氣劑混凝土的拌和物含氣量與硬化混凝土含氣量存在相關性(相關系數R = 0. 927 1) 外,其余三種分別摻B ,C 和E 引氣劑混凝土的拌和物含氣量與硬化混凝土的含氣量之間沒有相關性. 這與文獻[3 ]得到結果存在差異,原因可能是其采用的數據大部分來源于國外的文獻,而國內的引氣劑品種較多,質量參差不齊,氣泡的穩(wěn)定性差別很大. 對不同引氣劑品種的勻質性對比試驗也發(fā)現,不同引氣劑的氣泡高度和穩(wěn)泡時間也存在很大的差異;此外,采用不同的振搗方式及時間,會使摻不同品種引氣劑新拌混凝土和硬化混凝土含氣量的差異更加明顯[4 ] .
2. 2 硬化混凝土氣泡間距系數
2. 2. 1 引氣劑品種對氣泡間距系數的影響
圖2 顯示了相同含氣量( (5. 5 ±0. 5) %) 下,引氣劑品種對混凝土氣泡間距系數L 的影響. 即使新拌混凝土的含氣量相同,摻加不同引氣劑混凝土的氣泡間距系數差別也很大,其中,用SJ 引氣劑的氣泡間距系數為248μm ,比用其他幾種引氣劑的混凝土低得多;摻加引氣劑B 和C 的混凝土最差,氣泡間距系數分別達到了528μm 和543μm.
由于原材料、水灰比、成型方式及測試方法的不同,國內外研究者測得的氣泡間距系數L 存在一定的差異[5 - 7 ] ,建議的臨界氣泡間距系數也有所不同. 本文僅對摻不同引氣劑的混凝土的氣泡特性參數進行比較試驗,并不能為混凝土抗凍融破壞臨界氣泡間距系數提供依據.
2. 2. 2 含氣量A 對間距系數L 的影響
圖3 顯示了摻加同一種引氣劑(SJ ) 后,新拌混凝土含氣量A 對氣泡間距系數的影響. 可看到,摻SJ 引氣劑的混凝土,隨含氣量增大,氣泡間距系數L 先減小后增大;含氣量過大,氣泡間距系數反而增大,對混凝土抗凍反而不利.
圖4 為采用不同品種引氣劑的混凝土(包含不同振動方式) 的含氣量與氣泡間距系數L 的關系.對摻不同類型引氣劑混凝土,新拌混凝土的含氣量A 與L 之間不存在相關性. 對于一些摻加劣質引氣劑的新拌混凝土,即使含氣量大于5. 0 % , L 依然高達500μm;而摻加優(yōu)質引氣劑的混凝土經高頻振搗后,盡管含氣量損失很大,在硬化混凝土中,含氣量小于2. 0 %. 但混凝土中損失的絕大部分是大氣泡和夾雜氣泡,大量微小氣泡在硬化漿體中保留了下來,氣泡間距系數L 依然可以小至150μm. 因此,用新拌混凝土含氣量來比較摻不同品種引氣劑混凝土的抗凍性,可能會產生較大的偏差.
三峽開發(fā)總公司試驗中心研究也發(fā)現,經高頻振搗后,大壩結構和大壩外部硬化混凝土的含氣量只有2. 3 %左右,遠低于設計要求的4. 5 %～5. 5 % ,但平均氣泡間距系數依然達到了300μm 左右. 并以此推定,大壩結構和外部混凝土的抗凍性均能滿足F 200 的技術要求[8 ] .
2. 3 硬化混凝土氣孔孔徑d 的分布
2. 3. 1 不同品種引氣混凝土的孔徑分布
圖5 顯示了不同引氣劑對硬化混凝土孔徑d分布的影響. 可以看到,即使新拌混凝土具有相同含氣量,采用不同引氣劑的混凝土氣泡結構有顯著的差異. 其中,用SJ 引氣劑的混凝土氣泡總數和小于240μm 的氣孔,明顯比其他5 種引氣劑多;大量微小氣泡的引入有助于減小混凝土的氣泡間距系數.這與2. 2. 1結論是吻合的.
2. 3. 2 含氣量對孔徑分布的影響
圖6 顯示了新拌混凝土含氣量對硬化混凝土孔徑分布的影響;可看到,摻引氣劑SJ 的混凝土,隨含氣量的增加氣泡總數增加,但含氣量過大達到7. 0 %時,氣泡總數和小氣泡個數反而減少,說明當含氣量過大時小氣泡可能合并成了大氣泡,并有一部分氣泡溢出,使硬化混凝土中含氣量反而降低,這也可以很好地解釋2. 2. 2 中含氣量過大時導致硬化混凝土氣泡間距系數反而增大的原因.
2. 4 硬化混凝土的氣泡平均直徑
2. 4. 1 不同品種引氣混凝土的氣泡平均直徑
圖7 顯示了在新拌混凝土含氣量相近( (5. 5 ±0. 5) %) 條件下,摻不同品種引氣劑混凝土的氣泡平均直徑d′. 可看到,除B ,D 引入的氣泡平均直徑略大外,其余幾種的氣泡平均直徑的差別不大. 這與2. 2. 1 測得的氣泡間距系數沒有明顯的對應關系,原因主要與引氣劑的穩(wěn)定性有關. 根據前面的研究結果,可知盡管新拌混凝土的含氣量接近,但摻加不同品種引氣劑,硬化混凝土中的含氣量及氣泡個數都有很大的差別;即使硬化混凝土的含氣量很低、氣泡間距系數較大,依然能得到較低的氣泡平均直徑. 因此,氣泡平均直徑并不能準確反映出引氣混凝土氣泡結構的優(yōu)劣,用氣泡平均直徑評價摻不同引氣劑混凝土的抗凍性,可能會產生較大偏差.
2. 4. 2 含氣量對氣泡平均直徑的影響
圖8 顯示了摻SJ 引氣劑的新拌混凝土含氣量對氣泡平均直徑d′的影響. 可看到,當混凝土含氣量A 在3. 4 %～6. 0 %范圍內,氣泡平均直徑差別并不大;而到7. 0 %時,平均直徑明顯增大. 而對于非引氣混凝土,由于系統(tǒng)采集數據時剔除了大于2 000μm 的夾雜氣泡,只有很少量的小孔隙和氣泡,因而氣泡平均直徑反而很小.
3 結論
(1) 除SJ 引氣劑外,摻不同引氣劑的新拌混凝土含氣量與硬化混凝土含氣量之間沒有相關性.
(2) 摻不同類型引氣劑的新拌混凝土含氣量與氣泡間距系數之間沒有相關性,用新拌混凝土含氣量來評價摻不同品種引氣劑混凝土的抗凍性,可能會有較大偏差.
(3) 當新拌混凝土含氣量相同時,摻加不同品種引氣劑混凝土的氣泡間距系數、孔徑分布存在顯著差別;采用SJ 引氣劑混凝土的氣泡結構優(yōu)于其他品種引氣混凝土;對摻加同一品種引氣劑的混凝土,隨含氣量增加,氣泡間距系數先減小后增加,小氣泡和氣泡總數先增加后減少,含氣量過大,氣泡結構變差.
(4) 氣泡平均直徑不能有效表征引氣混凝土氣泡結構的優(yōu)劣,用氣泡平均直徑評價摻不同引氣劑混凝土的抗凍性,可能會產生較大偏差.感謝:本文試驗得到了北京工業(yè)大學交通研究中心張金喜教授、北京高強混凝土公司楊榮俊高工的大力支持,北京工業(yè)大學研究生杜輝參加了部分試驗工作,在此一并表示感謝!
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