引气剂在水泥混凝土中的应用

高 涛

1 概述

引气剂是混凝土中使用得最早的外加剂。美国最早开始研究,并在20世纪40年代应用于混凝土抗冻工程中。我国是50年代开始引气剂的研究,现在随着混凝土技术发展的需要,特别是引进国外施工设备和国外工程公司进入我国施工市场,引气剂也开始得到广泛重视。引气剂是一种搅拌过程中具有在砂浆和混凝土中引入大量均匀分布的微气泡,而且在硬化后能保留在其中的一种外加剂。引气剂的掺量通常在0.002%～0.01%,使混合物中引气量达到3%～5%。据估计,在此情况下,每立方米混凝土中将引入5 000亿～8 000亿个小气泡,因此引气剂改善了新拌混凝土的和易性,使硬化混凝土的抗冻融性、耐久性得到了显著的提高,它的使用是混凝土发展史上的一个重要发现。

2 引气剂的种类

1)松香盐。松香盐是国内最广泛使用的引气剂,松香的化学结构很复杂,其中含有松脂酸类、芳香烃类、芳香醇类和中性物质等。将松香与石碳酸(苯酚)、硫酸按一定比例投入反应釜,在一定温度和合适条件下反应,生成一种分子量比较大的物质,再用氢氧化钠处理成为钠盐的缩合热聚物。这种缩合热聚物因引气而有一定的减水作用,但减水率比较低。

2)烷芳基磺酸盐。烷芳基磺酸盐是最普遍的合成洗涤剂,是普通的表面活性物质,是烷基与苯缩合的复杂石油残余物,这种产物经磺化、中和得到可溶性的钠盐。

3)磺化木质素盐。磺化木质素盐是造纸工业的副产品,它在混凝土中引入气泡的性能比较差,是一种较差的引气剂。

4)石油酸盐。它是精制石油的副产品,为了生产轻油,石油用硫酸处理后留下的残渣含有水溶性磺酸盐,以后再用氢氧化钠中和。如果用三乙醇胺中和,就得到了另一种类型的产品,即磺化的碳氢化合物有机盐,它可作为引气剂使用。此外,还有三帖皂苷类引气剂和蛋白质盐类引气剂等。

3 引气剂的作用机理

引气剂主要作用是引入气泡,其次是分散和润湿作用。引气剂最早是作为提高混凝土抗渗性、抗冻性、抗盐冻剥蚀性而使用的外加剂。其主要原理是引气剂引入的小气泡切断毛细管的通路,降低毛细管作用,从而提高混凝土的抗渗性。这些微气孔在冰冻过程中能释放毛细管内的冰晶膨胀压力,从而避免生成破坏压力,减少和防止冻融的破坏作用,提高混凝土的抗冻性。

4 引气剂对混凝土性能的影响

4.1 引气剂对新拌混凝土性能的影响

由于引气剂能在混凝土中引入大量微小而独立的气泡,这些球状气泡如同滚珠一样,改变了混凝土内部集料间作相对运动时的摩擦机制,变集料间的滑动摩擦为滚动摩擦,减小了内摩擦阻力,这就使新拌混凝土具有了更好的和易性和流动性。随含气量每增加1%,坍落度可增加1 cm左右。

此外,由于气泡吸附在水泥粒子表面,使水泥粒子的表面积增大,导致体系粘度增加,加之气泡对细小集料的浮托和支撑作用,都会使混凝土泌水和沉降现象减轻。降低泌水的作用因引气剂种类而异,引气剂品种对混凝土泌水率的影响如表1所示。

表1 引气剂品种对混凝土泌水率的影响

4.2 引气剂对硬化混凝土物理力学性能的影响

1)对混凝土强度的影响。引气剂增加了混凝土中的气泡,因而减小了浆体的有效面积,造成了混凝土抗压强度的降低。一般规律如混凝土外加剂应用技术规范中所规定,混凝土含气量每增加1%,混凝土抗压强度降低4%～6%,抗折强度降低2%～3%。在混凝土材料配合比不变的情况下(坍落度增加),引气的混凝土强度降低的典型曲线如图1所示。含气量对混凝土强度的影响与水泥用量,或者说与混凝土的强度等级有关,对于低水泥用量的贫配合比混凝土,由引气所引起的强度降低几乎可以忽略不计。对于高强混凝土而言,则必须重视由于引气而带来的强度损失。

2)对混凝土耐久性的影响。a.混凝土的抗渗性。由于引气剂具有一定的减水作用,所以引气混凝土用水量减少,拌合物的离析和泌水性降低,这样使混凝土中连通的大毛细孔,即水分迁移的主要通道减少,因而混凝土的抗渗性有所提高。同时,引气剂引入大量封闭的微小气泡,占据了混凝土中的自由空间,破坏了毛细管的连续性,这也使混凝土的抗渗性得到了改善。b.混凝土的抗化学腐蚀性及抗碳化性。引气剂提高了混凝土的抗渗性,从而降低了侵蚀气体和液体的侵入作用,因此,与抗渗性有关的混凝土抗化学腐蚀性(如抗硫酸盐侵蚀性)和抗碳化性均有所改善。由于引气混凝土中大量气孔为膨胀反应提供了容纳空间,因而在一定程度上可缓解膨胀应力,所以引气剂可提高混凝土抗碱—骨料反应能力。c.混凝土的抗冻性。引气剂可显著地提高混凝土的抗冻性。非引气混凝土只要掺入少量引气剂,使含气量提高到约4%,在绝大多数自然环境中均可获得良好的抗冻性能。要使混凝土的抗冻性能良好,气泡间距 L最好控制在200 μ m以下。当含气量在3%～6%的范围内时,混凝土的耐久性随含气量的增加而大幅度提高,但超过6%以后,随着含气量的继续增加,耐久性反而降低。

5 引气剂的工程应用及技术要点

5.1 工程应用

1)适用抗冻融、抗结冰盐破坏作用的混凝土;2)适用骨料质量差、泌水严重的普通混凝土和轻骨料混凝土;3)适用泵送混凝土、预拌商品混凝土、滑模施工混凝土、抗渗混凝土、冬季施工混凝土;4)适用水工、海工、道路工程混凝土以及有表面装饰要求的混凝土。

5.2 技术要求

常用的引气剂量为水泥用量的0.005%～0.05%,建筑工程混凝土掺量接近低限,可参考表2。

表2 混凝土常用引气剂掺量及性能

使用引气剂时需要注意下列事项:

1)引气剂配制溶液时,必须充分溶解,若有絮凝现象则应加热使其溶解,或适当加入乳化剂。2)混凝土原材料的性质,混凝土拌合物的配合比及拌和、装卸、浇筑、环境温度,必须尽量保持平衡,才能使混凝土含气量的波动尽量小。当施工条件有变化时,要相应增加或减小引气剂用量。3)对含气量有考核要求的混凝土,施工时需要有规律地间隔时间进行现场测试,以控制含气量。并且在浇筑时要检测含气量,以避免在运输、装卸等过程中含气量损失产生误差。4)由于近年来在施工中普遍采用高频振捣棒(频率12 000次/分～19 000次/分),振捣力大大增加。在强大的振动作用下,混凝土中气泡大量逸出,致使含气量下降。因此,在施工中要保持不同部位振捣时间均匀,并且同一部分振捣时间不宜超过20 s。在实验室试验的振捣方式和时间长短要尽可能与现场一致。5)掺引气剂的混凝土含气量增大,从而引起混凝土体积增大,故应在配合比设计中予以考虑,以保证混凝土的制成量和在比较试验中单位水泥用量不变。因此,在用假定容重法或绝对体积法计算配合比时,可根据湿容重或含气量的大小对配合比进行适当调整,以避免每立方米混凝土中实际水泥用量不足。

6 结语

引气剂是混凝土外加剂中一个重要的独立品种。随着科技的发展,提高引气剂的质量是摆在我们面前的重要课题。一种优良的引气剂必须具备良好的发泡能力和稳定性能,同时具有良好的气泡结构和小的强度损失率,并与其他外加剂具有强的复合性,使用起来方便安全,价格合理。因此如何将引气剂的应用拓展到高性能混凝土领域,使其在改善混凝土耐久性和工作性的同时,不至于对其强度造成很大程度的负效应,是今后研制开发的重点课题。

[1] 何树廷.混凝土外加剂[M].西安:陕西科学技术出版社,2003.

[2] 陈建奎.混凝土外加剂原理与应用[M].第 2版.北京:中国计划出版社,2004.

[3] 陈文豹.混凝土外加剂及其在工程中的应用[M].北京:煤炭工业出版社,1998.

[4] 蒋亚清.混凝土外加剂应用基础[M].北京:化学工业出版社,2004.

[5] 中国混凝土外加剂协会.混凝土外加剂标准[S].

[6] 昝宝林.浅谈混凝土引气剂的作用机理及应用技术[J].内蒙古石油化工,2007(7):37-38.