摘要: 針對高性能混凝土高施工性、高耐久性要求,通過摻用具有梳型結構的聚羧酸類引氣劑實現高性能混凝土,研究了聚羧酸類引氣劑對混凝土含氣量、氣泡間距系數、工作性、強度和抗凍融耐久性的影響及其與減水劑的相容性, 分析了聚羧酸類引氣劑改善混凝土性能的機理. 研究表明:聚羧酸類引氣劑在摻量為0.006%時,混凝土含氣量和氣泡間距系數便可滿足高性能混凝土工程使用要求;該類引氣劑與常用混凝土減水劑、緩凝劑相容,可與減水劑、緩凝劑復合使用; 除引氣作用外,聚羧酸類引氣劑還具有塑化和保塑作用,尤其適用于低水膠質量比混凝土,可在不降低混凝土強度的情況下,提高混凝土抗凍融耐久性. 因此,聚羧酸類引氣劑可用于配制高性能混凝土和自密實混凝土.

      關鍵詞: 混凝土外加劑;引氣劑;聚羧酸鹽;氣泡間距;凍融耐久性

      自從水泥問世以來,水泥混凝土科學技術史上發(fā)生了2次革命性的飛躍: 1940年代引氣概念的提出是混凝土技術的一次突破;高效減水劑的應用對高性能混凝土、自密實混凝土等新型混凝土生產和應用產生了重要影響[ 1 ] . 目前, 發(fā)達國家?guī)缀踉谒械幕炷两Y構中都采用引氣混凝土. 除提高混凝土抗凍融和抗除冰鹽破壞的能力外,引氣還可以改善混凝土工作性和硬化混凝土的氣泡結構、降低水膠質量比、減輕混凝土泌水、離析, 使其更加致密、滲透性降低,因而可抵御各種侵蝕性離子的破
壞作用[ 2 ] . 引氣劑的副作用是降低混凝土強度, 通常強度降低幅度為10% ～20% , 但強度降低
可通過減少細集料和水的用量加以補償[ 3 6 ] . 引氣劑多為表面活性物質,分布于氣液界面,使水的
表面張力降低、氣泡易于形成并穩(wěn)定. 松香熱聚物是常用的引氣劑品種,其缺陷是氣泡直徑較大、性
能不穩(wěn) 定,與某些減水劑、緩凝劑相容性較差,常導致引氣劑分離或附壁. 本文根據高性能混凝土對
引氣劑性能的要求,參照梳型高分子設計理論, 合成了聚羧酸類引氣劑并對該品種引氣劑的工程性能
進行了評價. 

      1　原材料與試驗方法
      1.1　原材料
　　膠凝材料: P. I5215 級水泥和Ⅰ級粉煤灰( FA ) (中國海螺) ;預水化粉煤灰( PFA )和礦渣微
粉(SL ) (課題組自制) ,化學成分如表1所示.

表1　膠凝材料的化學成分

      集料:細度模數2163的中砂; 粒徑5～25 mm的石灰石碎石.
      外加劑:聚羧酸系減水劑和聚羧酸類引氣劑(課題組合成) ;高濃型萘系減水劑(江蘇交科建材技術有限公司) ; JC22000保塑劑; PC22松香類引氣劑;木質素磺酸鹽減水劑;糖蜜減水劑.

      1.2　試驗方法
      1.2.1　聚羧酸類引氣劑的應用技術
　　控制混凝土中膠凝材料用量為350 kg /m3 ,摻用礦物外摻料時,礦物外摻料等量取代20%水泥; 砂率42%;水膠質量比0145;通過調節(jié)聚羧酸系減水劑摻量,控制混凝土坍落度; 引氣劑摻量為0 ～
0.0.8%. 參照GB 8077—2001《混凝土外加劑勻質性試驗方法》測定新拌混凝土含氣量. 調節(jié)新拌混凝土坍落度為17～19 cm,分別測定了新拌混凝土和標準養(yǎng)護28 d 的硬化混凝土含氣量與氣泡間距系數. 對比試驗了聚羧酸類引氣劑、PC22 松香熱聚物引氣劑與木質素磺酸鹽減水劑、糖蜜減水劑的相容性. 試驗時,引氣劑∶減水劑∶水為5 ∶50 ∶45.11212　摻聚羧酸類引氣劑混凝土的性能評價試驗采用上述水泥、砂、石和配合比,摻用占水泥質量014%的高濃型萘系高效減水劑,引氣劑摻量為0.005%、0.007%和0.009% , 摻用JC—2000保塑劑0.003%、0.006%、0.009% ,  測定新拌混凝土初始和60 m in坍落度.固定膠凝材料用量為400 kg /m3 ,分別以20% 預水化粉煤灰和礦渣微粉取代水泥,取水膠質量比0.35, 0.40和0.45,每一配比的混凝土中引氣劑摻量分別為膠凝材料用量的0.008%、0.010%和0.012% ,控制混凝土坍落度為7～9 cm. 混凝土試件經標準養(yǎng)護28 d進行抗壓強度試驗和經300次凍融循環(huán)的相對動彈性模量測定. 測定抗壓強度時,對比試驗了非引氣的基準混凝土抗壓強度.

      2　試驗結果與分析
      2.1　聚羧酸類引氣劑摻量

　　由試驗結果可知, 在較低摻量( 0.006% )時, 混凝土含氣量便可滿足正常使用要求( 3% ～
4.5% ) . 通常情況下,混凝土引氣劑摻量為膠凝材料用量的0.01% ～0.015% ,而聚羧酸類混凝土引氣劑在該摻量下的引氣量達到6.1% ～8.6% , 可滿足特殊使用要求(見表2) .

表2　引氣劑含量與引氣劑摻量的關系(質量分數) %

      由試驗結果可知,礦物外摻料對聚羧酸類引氣劑的引氣效果存在一定影響. 粉煤灰中含有少量的
未燃碳,會吸附引氣劑分子, 使引氣量下降0.5% ～1.7%;預水化粉煤灰和礦渣微粉不僅能夠改善
新拌混凝土的工作性,而且有助于聚羧酸類引氣劑引氣效果的發(fā)揮,分別使混凝土含氣量增加0.3%
～0.9%和0.2% ～1.1% ,因為預水化粉煤灰中含有部分低溫熟料礦物,可促進聚羧酸類引氣劑的吸附分散作用,而礦渣微粉可使引氣劑表面活性作用增強.

      2.2　聚羧酸類引氣劑與普通減水劑的相容性
      試驗結果表明:松香熱聚物與木質素磺酸鈉、木質素磺酸鈣以及糖蜜混合后產生化學反應,所生成的物質屬于皂化物類, 漂浮在混合溶液表面, 使溶液渾濁,大幅度降低了松香熱聚物的引氣作用.而聚羧酸類引氣劑與木質素磺酸鈉、木質素磺酸鈣以及糖蜜則具有較好的化學相容性.

      2. 3　含氣量與氣泡間距系數
      混凝土含氣量與混凝土中的氣泡間距系數的關系如圖1、圖2 所示. 當氣泡間距小于等于0.2
mm 時,混凝土具有優(yōu)良的抗凍融耐久性. 試驗結果顯示,無論是處于塑性狀態(tài)還是硬化狀態(tài), 當混
凝土含氣量大于等于4%時, 氣泡間距小于等于0.2 mm,這一試驗結果優(yōu)于常用非聚羧酸類引氣劑. 但對同一組混凝土而言, 硬化混凝土比塑性混凝土氣泡間距系數略大,因為混凝土含氣量不僅在
塑性狀態(tài)存在經時損失,而且在成型時尺度較大的氣泡將消失.

圖1　塑性混凝土含氣量與氣泡間距系數關系曲線

圖2　硬化混凝土含氣量與氣泡間距系數關系曲線

      2.4　摻聚羧酸類引氣劑混凝土的性能
      2.4.1　新拌混凝土的工作性

　　試驗結果(見表3)表明,聚羧酸類引氣劑具有較好的塑化、保塑作用, 例如: 當引氣劑用量為
0.005%、保塑劑用量為0.06%時, 混凝土初始坍落度為18.6 cm, 1 h坍落度保留值為17.1 cm. 因此,合理摻用引氣劑和保塑劑, 既可優(yōu)化混凝土性能,又可節(jié)省外加劑應用成本.

表3　摻保塑劑和引氣劑的混凝土坍落度及其經時保持能力

      2.4.2　摻引氣劑混凝土的強度變化規(guī)律根據試驗結果, 摻粉煤灰或礦渣微粉的混凝土,對應于不同的水膠質量比, 都有一個臨界含氣量,此時混凝土抗壓強度比為100%; 而低水膠質量比時,即使混凝土含氣量達到6% ～8% ,混凝土抗壓強度比仍能大于100% (見圖3) . 這充分說明,聚羧酸類引氣劑較適用于配制低水膠質量比混凝土(高強混凝土、高性能混凝土等) .

圖3　摻聚羧酸類引氣劑及礦物外摻料的混凝土28 d抗壓強度百分比等高線

      2.4.3　混凝土抗凍融耐久性
      試驗結果表明,所測試的混凝土均具有較好的抗凍融耐久性(見表4) . 在負溫度地區(qū),處于飽水狀態(tài)下的混凝土結構內部孔隙中的水結冰膨脹產生應力,使混凝土結構內部受損, 在多次凍融循環(huán)作用后,損傷逐步加劇, 最終導致混凝土結構開裂或裂散. 事實上,當飽和狀態(tài)的混凝土處于0 ℃以下時,水泥石中的大部分水并不立即結冰, 因為根據熱力學理論,毛細孔中的水是否結冰, 取決于毛細孔的細徑. 孔徑為10 nm 時, 水在- 5 ℃時才結冰;而孔徑為315 nm 時, 水在- 20 ℃時才結冰;
C—S —H凝膠表面的水從來不結冰, 盡管其遷移到毛細孔中會結冰. 引氣后不僅膨脹消除, 而且可能會產生較大的收縮[ 1 ] .

表4　摻引氣劑的混凝土抗凍融性能

      2.5　聚羧酸類引氣劑的作用機理
      聚羧酸類引氣劑是具有烯丙醇聚乙二醇醚支鏈的梳型高分子聚合物. 該類引氣劑除具有一般引氣劑的特性外,在低摻量時引氣量高、引入混凝土中的氣泡直徑小, 且具有空間位阻效應[ 7 8 ] , 主鏈
上的陰離子吸附于水泥顆粒表面,支鏈的位阻使水泥粒子分散,同時由于分子結構中還含有羧酸根離
子、磺酸根離子陰離子,因而ζ電位小于傳統(tǒng)的陰離子減水劑[ 9 ] ,其表面活性作用更強, 分散和分散
保持性能優(yōu)異,符合高性能混凝土和自密實混凝土對引氣劑的性能要求[ 10 ] .

      3　結　論

      1)聚羧酸類混凝土引氣劑在摻量為0.006%時,混凝土含氣量和氣泡間距系數便可滿足高性能
混凝土高施工性和高耐久性使用要求.

      2)聚羧酸類混凝土引氣劑與常用混凝土減水劑和緩凝劑相容,可與減水劑、緩凝劑復合使用.

      3)聚羧酸類混凝土引氣劑具有塑化和保塑作用,尤其適用于低水膠質量比混凝土, 可在不降低混凝土強度的情況下, 提高混凝土抗凍融耐久性,因而可用于配制高性能混凝土和自密實混凝土.


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