不同海拔下引气剂气泡及引气水泥净浆性能研究

2021-07-01袁广学王俊杰李立辉陈黎

新型建筑材料 2021年6期

袁广学，王俊杰，李立辉，陈黎

(1.昭通市高速公路投资发展有限责任公司，云南昭通 657000；2.昭通市昆巧高速公路投资开发有限公司，云南昭通 657000；3.云南省公路科学技术研究院，云南昆明 650051；4.交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

云贵高原气候复杂，部分地区昼夜温差较大，冻融频繁，这对在役混凝土结构抗冻性和耐久性产生不利影响。通过引入微小气泡以缓冲冻胀压力，提高混凝土结构的抗冻性[1-2]。目前，多数研究主要集中在具体环境条件下混凝土应具有什么样的气孔结构体系，气泡能否稳定存在的因素包括矿物掺合料[3]、化学外加剂[4]、混凝土振捣方式[5]等。但是，实际上高原环境下硬化混凝土孔结构是否符合当初设计至关重要，高海拔下引气剂的气泡尺寸与引气性能如何发展，研究结论尚不清晰。Ley M T 等[6]研究了混凝土硬化前后气泡融合与破灭等现象。李雪峰和付智[7]认为，低气压环境下气泡尺寸大、稳定性差、混凝土引气困难导致了混凝土性能的劣化。Yan 等[8]的研究指出，西藏地区新鲜混凝土的空气含量比湖北地区低30%～47%。李扬等[9]的研究表明，低气压下混凝土含气量降低的原因不是由于引气剂泡沫稳定性变差造成。伍毅等[10]认为，一些表面活性剂起泡量和稳定性与溶液温度和材料性质相关，与环境气压高低无绝对关系。为此，本文讨论不同引气剂在昆明和巧家引气气泡的几何参数演变规律，以及不同海拔下引气剂对砂浆的孔结构影响规律。

1 实验

1.1 原材料与配合比

原材料：市售混凝土引气剂AES，主要成分为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠；市售混凝土引气剂SJ-2，主要成分为三萜皂苷类；水泥：中国建筑材料科学研究总院产基准水泥；厦门ISO 标准砂；水：当地自来水。

配合比：水泥净浆和砂浆配合比见表1。

表1 水泥净浆和砂浆配合比

1.2 实验方法

(1)气泡几何参数测试

第一步：准确量取自来水200 g，将其置于500 mL 烧杯中，用电子天平精确量取0.100 g 的引气剂，并将其溶于200 g水溶液中，再从上述配制的溶液中准确移取100 mL 质量浓度为0.050%引气剂溶液于1000 mL 的量筒中，将量筒端口胶皮套管密封，固定一个操作人员，按照水平方向往返为1 次震荡，幅度约30 cm，如此30 s 内完成30 次震荡，震荡后将量筒顶端密封胶皮打开后，测量不同时刻(0、2、5 10、15、20、25、30 min)气泡柱高度，并在静置5 min 时，用微距相机拍摄量筒表面气泡。第二步：将图片导入ImageJ 软件中，准确切取4 mm×4 mm 区域，并通过Find edges+Threshold 将图片中气泡壁画出，经Measure+Analyze particles 计算出气泡的平均直径、最大气泡直径和单位面积气泡个数。

(2)压汞测试

采用美国麦克AutoPore IV 9500 压汞仪，试件在成型地方标准养护28 d 后，从水泥净浆中间夹取微小试样，其体积略小于测孔仪的样品管体积，质量约3.0 g，测孔前将试样在60 ℃的烘箱中烘约6 h，冷却至室温后放入干燥箱中待测。

2 结果与讨论

2.1 海拔高度对引气剂溶液气泡稳定性与尺寸的影响

分别在昆明和巧家两地，按1.2 的实验方法震荡摇泡，不同海拔高度下引气剂气泡高度随时间变化见图1。用引气剂溶液同时刻的高度差ΔH(ΔH=昆明气泡高度-巧家气泡高度)表征所形成气泡的稳定性，见图2。

图1 不同海拔下气泡引气剂高度随时间的变化

图2 不同海拔下引气剂溶液的高度差的变化

结合图1 和图2 可知，仅从引气剂溶液发泡性能比较，海拔越高SJ-2 溶液震荡所形成的气泡柱越高(ΔH＜0)，即海拔高程对SJ-2 的发泡性能有负面影响；AES 的规律则相反。无论海拔高程多大，SJ-2 溶液震荡所形成的气泡柱高度均小于AES 所形成的气泡柱。另外，SJ-2 和AES 震荡所形成的气泡柱高度均随着时间延长而下降，前10 min 的下降幅度最大，之后下降均趋于平稳。从图 2 还可知，同一时刻下|ΔH|SJ-2＜|ΔH|AES，说明相同海拔高差下SJ-2 泡沫较AES 更稳定。

按1.2 的实验方法，观测了气泡柱表面5 min 和30 min 时气泡的几何参数，如表2 所示。

表2 不同海拔下引气剂气泡的几何参数

由表2 可知，AES 在巧家和昆明形成气泡平均直径分别为174、234 μm，而SJ-2 在巧家和昆明形成气泡平均直径较其减小了45%和40%。从单位面积气泡个数可知，在昆明AES形成初始气泡数量为944 个/cm2，而SJ-2 形成初始气泡数量约是AES 的2 倍，在昆明经30 min 静置后，AES 气泡数量为483 个/cm2，SJ-2 气泡数量仍然有 768 个/cm2。对比 AES 和SJ-2 气泡尺寸可知，SJ-2 所形成的初始气泡尺寸比AES 气泡更小，则高海拔稳定性越强。这主要取决于两方面因素，一是气泡尺寸越小，表面能越高，机械强度越大[11]，大气泡吞噬小气泡速率越慢，表现出更强的稳定性；二是，可能SJ-2 材料形成的气泡薄膜比AES 强度高、韧性大。该试验结果中海拔高差对SJ-2 溶液发泡、稳定性的影响规律与朱长华[12]的摇泡试验结论基本一致。

2.2 海拔高度对引气砂浆密度的影响

表3 为AES 和SJ-2 引气剂不同掺量(按占水泥质量计)时，巧家和昆明硬化水泥净浆和水泥砂浆的表观密度。为更加直观反映不同海拔下引气效果，假设在巧家搅拌形成基准水泥净浆含气量为1.5%，基准水泥砂浆含量为2.0%。则表3 数据经计算可转化为不同海拔下硬化水泥净浆和砂浆的含气量，结果见表4。

表3 不同海拔下硬化水泥净浆和砂浆的表观密度

由表3 可知，随着海拔升高，净浆的表观密度呈略微减小趋势，且该趋势随引气剂掺量的增加更显著。这可能是由于高海拔下形成气泡中大尺寸气泡占比较低海拔的略高，同时，净浆的液相较黏稠，搅拌过程形成的气泡尺寸比砂浆小，气泡膜机械强度高，不易破碎，且这种现象随着引入气泡数量(引气剂掺量)的增加而表现得更显著，因此，高海拔下单位体积净浆中气体含量较低海拔气泡体积略高，即海拔越高水泥净浆含气量越大(见表4)。经重复性验证，水泥砂浆的表观密度随着海拔升高呈小幅增加，其幅度均小于1.5%。

表4 不同海拔下硬化水泥净浆和砂浆的含气量

由表4 可知，相同环境和引气剂掺量下，水泥砂浆比水泥净浆更容易引入气泡，且海拔高度变化对水泥砂浆含气量影响较小，其原因可能是相同水胶比时砂浆液相黏度较小，气泡更容易形成，黏度和海拔高度也影响气泡稳定性。结合表3 和表4 可以说明，海拔高度变化与引气剂引入气泡难易程度无直接关系，试验甚至发现，在高原环境下水泥净浆的引气效果要优于非高原地区。

2.3 海拔高度对引气净浆孔径分布的影响

图3 为未掺引气剂、掺0.050%AES 引气剂和掺0.050%SJ-2 引气剂净浆的孔径分布。

图3 不同海拔下净浆的孔径分布

由图3(a)可知，未掺引气剂的基准净浆，50～500 nm 之间的累计分布毛细孔含量巧家比昆明少，即高海拔下成型的基准净浆气泡平均直径较其他地区偏大。这一现象在引气硬化净浆中表现为更为显著。

水泥混凝土内部的孔隙主要由胶凝孔、过渡孔、毛细孔和大孔等组成，引气剂引入的气孔孔径大多集中分布在1～300 μm。由图3(b)可知，当AES 掺量为0.050%时，昆明孔径最高峰(0.1254 ml/g)出现在2052 nm 处，巧家孔径最高峰(0.0424 ml/g)出现在1600 nm 处；且100～10 000 nm 区域气孔累计分布含量昆明＞巧家。另根据压汞测试报告，昆明平均孔径为30.2 nm，而巧家平均孔径为15.5 nm，同样，图3(c)中SJ-2 引气剂也表现出相同规律，为此可以认为，高海拔下硬化净浆平均孔径明显大于常压下平均孔径，这是由于低气压下引气气泡平均直径增大的缘故。对于净浆中引入的气泡，稳定存在的前提是气泡内外压差等于气泡膜可抵抗机械强度，根据杨氏方程和帕斯卡定理，当环境气压变小，气泡只能通过增大半径来维持力学平衡，该测试结果与文献[7，9]中提到的气压增大气泡直径增大相一致。