不同类型引气剂对混凝土含气及气孔结构的影响

宋 欣，倪 涛，汪咏梅，刘昭洋,2，王建春,2

(1.石家庄市长安育才建材有限公司，河北 石家庄 051430；2.四川砼道科技有限公司，四川 成都 610200)

0 前 言

混凝土在搅拌过程中会卷入空气形成气泡，小气泡会聚集形成较大的气泡，并在浮力作用下向表面移动，进而从表面破裂，最后离开混凝土基体[1]。在混凝土中掺加引气剂，可以降低混凝土体系的表面张力，从而引入大量均匀、稳定的微小气泡，进而有效改善混凝土的气孔结构，提高混凝土的和易性和耐久性[2]。因此，引气剂被广泛应用于混凝土中。然而，引气剂品种繁多，化学结构和成分各异，对混凝土各方面性能的改善程度也有很大区别[3]。实际工程中一般采用含气量的方法来评价引气效果，并对混凝土的气泡结构进行评价。因此，本文分别对比研究四种不同类型的引气剂在水溶液和水泥溶液中起泡性能和气泡稳定性，对新拌混凝土含气量及含气损失的影响，对硬化混凝土气泡结构的影响。从而探讨了引气剂的性能对混凝土含气及气孔结构的影响及新拌混凝土含气损失与硬化混凝土气泡结构之间的关系，为今后引气剂的研发及应用提供参考。

1 实验原材料与实验方法

1.1 原材料

水泥：峨胜P.O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰：凌云1级粉煤灰；砂：天然砂石集料，细度模数2.65；石头：粒径为5～25 mm的卵石破碎。水：普通自来水。实验中选用的四种不同类型的引气剂其主要成分及物理性能见表1。

表1 引气剂的性能指标

1.2 实验方法

1.2.1 引气剂起泡性能及气泡稳定性的研究

由于引气剂引入的气泡是不稳定体系，很多文献都说明气泡的形成和稳定是非常复杂的过程，受很多因素的影响，气泡液膜的表面张力、弹性模量、表面粘度和粘度等都是起泡及泡沫稳定的影响因素[4-5]。因此，本文首先直观地研究了引气剂起泡性能与泡沫稳定性。

本实验采用振荡法检测引气剂溶液的起泡能力及气泡稳定性[6]。实验步骤如下。

1)在20oC下，将引气剂配制成5wt%的溶液。

2)取10 g水泥，溶于25 mL水中，振荡60s后，取20 mL置于100 mL的具塞量筒中，再取20 mL去离子水置于另一100 mL的具塞量筒中。

3)分别向水和水泥浆中加入2 mL引气剂溶液，剧烈振荡10 s，振荡停止后记录下泡沫的体积，并作为溶液起泡性能的度量，分别记下5、10、20 min 时泡沫的体积，用于表征泡沫的稳定性。

1.2.2 引气剂对混凝土的含气与气泡结构的研究

本实验的混凝土配合比如表2所示，混凝土的搅拌方式为机械搅拌，振捣方式采用人工插捣和振动台振捣；通过控制不同引气剂的掺量，使新拌混凝土的含气量控制在3.5%±0.5%，并测定1 h含气量损失，以及28 d硬化混凝土气泡结构参数。新拌混凝土的含气量采用气压式含气量测定仪测定。

表2 混凝土配合比

依据国家标准《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080—2016)，使用气压式含气量测定仪测定新拌混凝土含气量。

依据《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)中的硬化混凝土气泡参数试验(直线导线法)进行测定，用显微镜观察硬化混凝土的气孔结构。《Standard Test Method forMicroscopical Determination of Parameters of the Air-Void System in Hardened Concrete》(《硬化混凝土气泡参数显微镜测定方法标准》)(ASTM C457)测试硬化混凝土气泡结构参数。

2 实验结果及分析

2.1 引气剂起泡能力及泡沫稳定性的研究

图1为引气剂在纯水和水泥浆中气泡体积随时间的变化曲线。

(a)纯水

(b)水泥浆图1引气剂泡沫体积随时间变化曲线

在纯水中，起泡能力的大小关系为AE-A>AE-B>AE-C>AE-D，AE-A、AE-B、AE-C的起泡能力比较接近，AE-D的起泡能力比较低；但是，AE-D的泡沫稳定性明显高于另外三种引气剂，AE-A、AE-B、AE-C的泡沫稳定性比较一致。这是由于AE-A、AE-B、AE-C都属于阴离子引气剂，而且分子量都较小，能够快速吸附在界面上，并定向排列，所以起泡能力较高，但是从液体逸出的速度也较快。AE-D属于三铁皂苷类引气剂，皂苷分子中的葡萄糖单元具有很多羟基，分子量较大，不容易被吸附在气液界面上，形成两种基团的定向排列，起泡能力较差，但是分子量越大，分子间的范德华力越大，形成的分子膜越厚，气泡壁的弹性和强度也越高[6]，因而其泡沫稳定性也明显高于其他三种引气剂。

在水泥浆中，AE-B、AE-C和AE-D的起泡能力有明显下降，但是AE-B的下降趋势明显低于AE-C，三者的泡沫稳定性也有所提升，AE-A的泡沫稳定性则出现了明显下降，这与纯水中的趋势有较大不同。说明水泥的加入，降低了引气剂的起泡能力，但是也同时增加了AE-B、AE-C、AE-D的泡沫稳定性。这可能是由于AE-B和AE-C的分子中均含有羧基，羧基容易与水泥中的钙离子反应，生成不可溶的钙皂，造成起泡能力的下降，但同时由于不溶性钙皂吸附在气泡的液膜表面，增加了气泡膜的厚度，有效防止了气泡的破灭，提高了气泡的稳定性[7]。而AE-B的下降趋势要高于AE-C的下降趋势，这可能是由于AE-C为天然脂肪酸类引气剂，碳链长度分布比较宽，所受影响较小，这也说明天然脂肪酸类引气剂由于其分布较广的碳链长度，在起泡能力和泡沫稳定性方面要优于单一的脂肪酸类引气剂。由于，表面粘度越高，泡沫寿命越长。当盐对静电排斥作用的影响大于对疏水缔合作用的影响时，溶液粘度降低；当盐对疏水缔合作用的影响大于对静电作用的影响时，溶液粘度则表现为上升，这就是盐增粘[8]，AE-D为非离子型引气剂，水泥浆增大AE-D的粘度，提高了引气剂的泡沫稳定性。

引气剂的起泡能力与泡沫稳定性在水和水泥浆中表现出较大的不同，在水中起泡能力和泡沫稳定性高的引气剂，在水泥浆中并不一定具有较好的起泡能力和泡沫稳定性。因此，不能只通过单纯的进行水中的摇泡实验进行筛选及研发引气剂。

2.2 不同种类引气剂的掺量变化及含气损失

由图2可以看出，新拌混凝土含气量达到3.5%±0.5%时，不同引气剂所需掺量为AE-A

图2 新拌混凝土含气量为3.5%±0.5%时不同种类引气剂掺量

图3显示1 h后掺入不同引气剂的混凝土的含气损失，说明AE-D的稳泡能力最好，AE-C次之，AE-B略差于AE-C，AE-A最差。三铁皂苷分子量较大，而分子量愈大，分子间的范德华力愈大，形成的分子膜愈厚，气泡壁的弹性和强度愈高[4]，因而三铁皂苷的稳泡能力最强。AE-C由于碳链分布较宽，其稳泡性能略高于AE-B。二者稳泡能力均高于磺酸类引气剂，这是由于引气剂形成的不溶性钙皂吸附在气泡的液膜表面，增加了气泡膜的厚度，有效防止了气泡的破灭，提高了气泡的稳定性[7]。磺酸类引气剂表面张力低，形成的气泡容易聚集形成大气泡，从而破裂，气泡逸出速度也较快，因而稳泡能力差。这也与水泥浆中四种引气剂的泡沫稳定性相一致。

图3 1 h后不同种类引气剂含气量损失

2.3 引气剂种类对硬化混凝土气孔结构的影响

图4给出了掺入不同引气剂后的硬化混凝土气孔分布情况。由图4可以看出，掺入AE-D引气剂的混凝土硬化后直径为0～100 μm的气孔数量最多，掺入AE-A引气剂的混凝土硬化后直径为0～100 μm的气孔数量最少。随着孔径增大，AE-A引气剂孔含量降低趋势明显最快，AE-B和AE-C孔含量降低趋势相近，AE-D引气剂孔含量降低趋势最慢。这说明AE-A引气剂引入的微小气孔最多，气孔结构明显优于其他几种；AE-D引气剂引入的气孔结构最差。

气泡间距系数是评价混凝土抗冻性的重要参数，间距系数小，则混凝土抗冻性好[5]。由图5可以看出，硬化混凝土的间距系数大小排序为AE-A>AE-B>AE-C>AE-D。通过与图4比较可以看出，引入的微小气泡越多，越有助于降低混凝土间距系数，混凝土的抗冻融性越好。

图4 硬化混凝土气孔分布

图5 硬化混凝土间距系数与新拌混凝土含气损失

掺入不同种类引气剂的硬化混凝土的间距系数与新拌混凝土的含气损失趋势、引气剂在水泥浆中的泡沫稳定性比较一致，这说明引气剂的稳泡性能越好，引入的微小气泡越多，新拌混凝土的含气损失越低，硬化混凝土中微小气孔越多，硬化混凝土的间距系数越小。

3 结 论

1)引气剂的起泡能力与泡沫稳定性在水和水泥浆中表现出较大的不同，在水中起泡能力和泡沫稳定性高的引气剂，在水泥浆中并不一定具有较好的起泡能力和泡沫稳定性。因此，不能只通过单纯的进行水中的摇泡实验进行筛选及研发引气剂。

2)天然脂肪酸类引气剂由于其较宽的碳链分布，性能明显优于单一碳链的脂肪酸类引气剂，因而在研发引气剂时，可考虑选用成分略复杂的天然类引气剂。

3)新拌混凝土的含气损失小，则硬化混凝土中微小气孔多，气孔结构优越，气泡间距系数小，抗冻融性好。因此，可以通过含气损失来对比硬化混凝土的气泡间距系数。

4)对于单一组分的引气剂而言，起泡能力强的引气剂稳泡能力较差，稳泡能力强的引气剂起泡能力差。若要获得显著提高混凝土抗冻性的引气剂，应兼顾起泡能力和稳泡能力，选择不同性能的引气剂组分进行复配。

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