大气压强对混凝土引气剂引气效果的影响

李立辉, 陈 歆, 田 波, 葛 勇, 王子豪

(1.交通运输部公路科学研究院, 北京 100088; 2.重庆交通大学 土木工程学院, 重庆 400074; 3.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150090)

青藏高原有着世界屋脊之称,平均海拔在4000m以上,空气干燥稀薄、昼夜温差大、冻融交替频繁,气候条件极为恶劣.这些气候特征会对在役的混凝土结构产生不利影响[1-4].在混凝土中掺加引气剂,能够引入大量的微小气泡以缓冲冻融循环中混凝土内部自由水的冻胀应力,有效提升混凝土的抗冻性[5-6].然而,部分工程和科研人员发现,混凝土引气剂在青藏高原地区的发泡引气性能要逊于在普通低海拔地区,并将之归因于高海拔地区特有的低气压环境[3,7-8].但是,关于低气压环境对混凝土引气剂发泡性能的具体影响则众说纷纭.朱长华等[7]认为气压不会影响初始起泡体积,但会影响气泡的稳定性.岑国平等[3]认为低气压环境对起泡体积与起泡稳定性都有明显的不良影响.李扬等[9]研究了高速搅拌下引气剂溶液中气泡的产生和发展,认为空气压强对气泡产生、气液混合、气液分离和气泡衰亡等4个阶段都没有影响.伍毅等[10]认为低气压环境下引气剂的发泡效率有所下降,但是气泡的稳定性因表面活性剂品种而异.

此外,对于不同大气压强下引气混凝土含气量变化的判断也存在着较大的分歧.李雪峰等[11-12]认为在50kPa的气压下混凝土的含气量较常压环境下低将近一半.岑国平等[3]认为在西安含气量大于4%的混凝土配合比,在玉树复现时含气量只有1%～2%.但是,Shi等[13]的研究表明,山南(西藏)的引气混凝土含气量只比武汉低1.5%.路明等[8]的研究表明,山南地区(西藏)加查附近的引气混凝土含气量只比贵阳低1.1%.陈华鑫等[4]的研究结果显示,拉萨的引气混凝土与西安的引气混凝土在硬化后的含气量(均小于5.5%的情况下)无明显区别.

基于此,本文在北京(海拔50m,气压101.2kPa)、楚雄(海拔2100m,气压81.2kPa)和日喀则(海拔3830m,气压63.8kPa)3地对引气剂溶液中的气泡尺寸和稳定性、引气水泥净浆的表观密度和孔径分布特征以及引气水泥砂浆的表观密度和含气量进行了试验研究,旨在系统地总结大气压强对混凝土引气剂发泡性能的影响规律,为高原地区混凝土引气剂的使用和混凝土材料抗冻性设计提供理论指导.

1 试验

1.1 原材料与配合比

引气剂(AEA)为2种市售混凝土引气剂(AES、303R),其有效成分分别为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠与烷基糖苷;水泥为曲阜中联水泥有限公司生产的基准水泥;砂子为厦门艾思欧标准砂有限公司生产的ISO标准砂;拌和水为当地自来水;减水剂(SP)为聚羧酸盐类高性能减水剂,具有一定的引气性,1.0%(质量分数)掺量下混凝土的含气量(A,体积分数)约为2.0%,对应砂浆含气量约为3.6%.水泥净浆与砂浆的配合比见表1.

表1 水泥净浆和砂浆配合比

1.2 试验方法

除硬化后水泥净浆和水泥砂浆的表观密度、孔结构在北京测试外,其余各项试验和操作均分别在北京、楚雄和日喀则进行.

1.2.1气泡尺寸分析

引气剂溶液中气泡尺寸整个测试过程的环境温度为(12±1)℃,并按如下步骤进行：

(1) 称取0.1g引气剂溶于200g、(12±1)℃的自来水中,获得0.5‰的引气剂溶液.移取该溶液100mL至1000mL量筒中,用橡胶膜密封量筒端口.

(2)安排专人沿水平方向往返振荡量筒,振幅为30cm,频率为1Hz,持续30s.振荡结束后竖直量筒,打开橡胶膜,静置5min.

(3)微距模式下拍摄量筒侧面气泡,拍摄位置为初始气泡柱的中点(见图1(a)),继续静置至第30min 时再次拍摄.

(4)将拍摄的照片导入Image J软件中,准确切取4mm×4mm区域(见图1(b)),识别并处理区域中的气泡壁(见图1(c)),最终计算出区域内气泡的直径、累计截面积和数量等参数.

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图1 气泡几何参数测试与分析Fig.1 Test and analysis of bubble size

1.2.2试件成型

水泥净浆由行星式搅拌机在自动模式下完成搅拌,新拌水泥净浆倒入一次性纸杯中静置成型,1d后移入标准养护室中养护至28d.

水泥砂浆由行星式搅拌机进行搅拌,先将基准水泥与标准砂干搅60s,加入水和外加剂溶液后再低速搅拌60s,最后高速搅拌120s.将新拌水泥砂浆倒入三联模中,并在振动台上振捣密实,1d后移入标准养护室中养护至28d.

1.2.3孔径分布试验

采用美国麦克AutoPore IV 9500型压汞仪测试硬化水泥净浆的孔径分布.水泥净浆在标准养护28d后破碎并修剪成若干个尺寸为φ5mm的球形样品,置于60℃烘箱中烘干24h,冷却后放入干燥箱中,试验前再将样品取出放入压汞仪的样品管中.管内样品堆积高度略低于管口,每批样品总质量约3.0g.

1.2.4表观密度试验

硬化水泥净浆与砂浆的表观密度(ρ)试验采用网篮法,具体参照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》.

2 结果与讨论

2.1 气压对溶液中气泡尺寸与稳定性的影响

在北京、楚雄和日喀则3地对AES和303R的水溶液进行振荡起泡试验,振荡后静置5、30min的气泡平面形态见图2、3.由图2、3可见：(1)对于同种引气剂,环境气压越低,初始气泡(振荡-摇泡后静置5min时的气泡)的直径越大,单位面积内的气泡数量越少.该发现与朱长华等[7]的研究结果基本一致.(2)在相同气压环境下,AES所形成的气泡尺寸要大于303R所形成的气泡,2种引气剂形成气泡的尺寸与稳定性均有着较大的差异.这与引气剂溶液本身的性质相关,一般认为溶液的表面张力越小,其所形成的气泡直径越小[14].

通过Image J软件对图2、3进行数值处理,得到了在北京、楚雄和日喀则3地AES和303R溶液中气泡的平均直径和最大直径等尺寸参数,结果见表2.由表2可见：(1)AES和303R引气剂在日喀则形成气泡的初始平均直径较其在北京形成的气泡分别大81%和72%.由此可知,气泡直径与当地环境气压呈负相关.(2)303R溶液中形成气泡的直径较AES降低了30%～40%.相应地,气泡尺寸越小,单位面积内的气泡个数越多,即气泡分布密度越大.

表2 不同气压下引气剂溶液中气泡的尺寸

通过对图2的处理,还能得到不同气压下振荡-静置后引气剂溶液中气泡的直径分布,结果见图4.由图4可见：(1)随着静置时间的延长,观测平面内小气泡的累计截面积减少,大气泡的累计截面积增加,且当地大气压强越低,该现象越为显著.这一现象的本质是吉布斯自由能自发降低的过程,体现为溶液中的大气泡吞噬、合并了其周围小气泡并形成了更大的气泡,使气泡体系总表面积减小、吉布斯自由能降低.根据拉普拉斯方程,气泡内压与气泡尺寸呈负相关,体系中大气泡愈大而小气泡愈小,实际上也是体系内部压力平衡的过程[15].(2)初始大气泡的数量越多、尺寸越大,则体系中大气泡吞噬、合并小气泡的速率越快.相对于标准大气压环境,高原低气压环境下引气剂在溶液中形成的初始气泡数量更多、尺寸更大,所以在高原低气压环境下引气剂溶液中气泡尺寸的增长速度更快.(3)303R溶液中气泡发育较AES溶液中缓慢,即303R所形成气泡的稳定性优于AES所形成的气泡,其原因在于303R形成气泡的初始尺寸小于AES形成的气泡.

图2 不同气压下AES引气剂溶液中的气泡演变Fig.2 Bubble evolution in AES solution at different atmospheric pressures

图3 不同气压下303R引气剂溶液中的气泡演变Fig.3 Bubble evolution in 303R solution at different atmospheric pressures

图4 不同气压下引气剂气泡的尺寸分布Fig.4 Size distribution of bubbles in AEA solution at different atmospheric pressures

2.2 气压对引气水泥净浆孔径分布的影响

引气剂在水泥净浆中的引气效果以引气水泥净浆硬化后的表观密度来表征.北京、楚雄和日喀则3地不同气压条件下引气水泥净浆硬化后的表观密度如图5所示.由图5可见,硬化引气水泥净浆的表观密度随着搅拌成型环境气压的降低而下降,内部孔隙率随着气压下降而增加.该趋势在引气剂掺量较大时更为明显.

图5 不同气压下硬化水泥净浆的表观密度Fig.5 Apparent density of hardened cement paste made at different atmospheric pressures

对在3地成型的引气水泥净浆利用压汞法进行孔结构试验,得到不同气压下成型硬化的引气水泥净浆的孔径(R)分布,结果如图6所示.其中V为孔体积.由图6可见：(1)相较常压环境下成型硬化的引气水泥净浆,低气压环境下成型硬化的引气水泥净浆中R为10～100nm的孔偏少,而R为100～1000nm的孔偏多.搅拌成型的环境气压越低,该趋势越明显.(2)就R为100～1000nm范围内的累计孔体积排序,由大到小分别为日喀则净浆>楚雄净浆>北京净浆.因此,硬化引气水泥净浆表观密度随着气压降低而降低的现象,原因在于低气压环境下引气水泥净浆中的孔体积增大.这也与2.1中引气剂溶液中气泡在低气压下尺寸偏大的现象相互印证.

图6 不同气压下硬化水泥净浆的孔径分布Fig.6 Pore size distribution of hardened cement paste made at different atmospheric pressures

2.3 气压对引气水泥砂浆含气量的影响

图7为北京、楚雄和日喀则3地不同气压条件下引气水泥砂浆的表观密度.由图7可见,与常压环境下成型的砂浆相比,低气压环境下成型砂浆的表观密度有小幅的降低,呈现了与水泥净浆相反的趋势.结合溶液中气泡尺寸与净浆孔结构的分析结果以及水泥净浆与砂浆在成型方法上的差异,判断其原因在于低气压环境下,尺寸较大的气泡在水泥砂浆的振捣过程中更容易破灭或上浮逸出,在一定程度上降低了引气水泥砂浆内部的含气量.而水泥净浆由于是静置成型,没有振捣过程带来的含气量损失.

图7 不同气压下硬化砂浆的表观密度Fig.7 Apparent density of hardened mortar made at different atmospheric pressures

在北京成型的非引气水泥砂浆表观密度为2296kg/m3(见图7),含气量为3.6%,由此可知在该水泥砂浆的骨架密度(摒除所有气孔)为2382kg/m3.在此基础上,结合图7中各组砂浆的表观密度,可以根据式(1)换算出各组砂浆的含气量A,结果见图8.

图8 不同气压下硬化砂浆的含气量Fig.8 Air content of hardened mortar made at different atmospheric pressures

A=(2382-ρ)/2382

(1)

由图8可见,随着气压的降低,引气砂浆的含气量也有所降低.但是,这个降幅不超过2.1%.考虑到混凝土中砂浆体积约占总体积的60%,则可以推测这个降幅在混凝土中约为1.2%.该值接近于Shi等[13]、路明等[8]和陈华鑫等[4]的现场试验结果.这样的降幅可以通过适当提高引气剂掺量来调节.因此,高原低气压环境不会造成混凝土在工程意义上的引气困难.

3 结论

(1)对同种引气剂来说,随着环境气压的降低,引气剂溶液经振荡后形成气泡的初始尺寸增大.在随后的静置过程中,大气泡会吞噬其周边小气泡以形成更大的气泡.气泡的初始尺寸越大,其吞噬速率越快,稳定性更差.

(2)随着环境气压的降低,硬化引气水泥净浆的表观密度减小,即其内部的孔体积有所增加.3地硬化水泥净浆在100～1000nm半径范围内累计孔体积的排序为日喀则>楚雄>北京.

(3)硬化引气水泥砂浆的表观密度随着气压的降低出现小幅增加,即含气量有所降低,但降幅在2.1%(相当于混凝土1.2%)以内.

(4)303R引气剂在水溶液与水泥净浆中的气泡尺寸均小于AES引气剂,更适用于高原低气压环境.