大气压强对引气剂气泡发育特征和硬化混凝土气孔结构的影响

胡宴斌 傅子千 李立辉 姬建瑞

（1.西藏自治区重点公路建设项目管理中心，西藏 拉萨 850015；2.交通运输部公路科学研究所，北京 100882；3.北京建工四建工程建设有限公司，北京 100020）

0 引言

青藏高原独特的高海拔、低气压以及高频次的正负温交替环境对该地区混凝土结构的抗冻耐久性产生不利影响[1-4]，在混凝土中掺加引气剂引入大量微小气泡可阻断毛细孔连通，从而缓解冻胀应力对混凝土结构的破坏作用[5-6]。然而，有关低气压环境下混凝土的引气效果，不同学者持有不同观点。Y·Li[7]和X·Li[8]在北京和拉萨两地测试新拌混凝土含气量，并认为低气压环境会降低这一指标，但前者认为降低幅度同引气剂种类有关，而后者明确表示低气压会削弱引气剂的引气能力，导致引气困难。

在实际工程中，研究人员为简化工作步骤，有时会根据引气剂溶液经振荡-起泡后的泡沫柱体积和经时变化，近似判断其在混凝土中的引气效果和稳定性。朱长华[9]分别在北京和格尔木进行摇泡试验，结果表明，两地气泡初始体积相近，但拉萨地区气泡尺寸更大、数量更少且稳定性差。岑国平[10]采用与朱长华相同方法试验，发现玉树地区引气剂溶液的起泡性和持久性均低于西安地区。为明确引气剂泡沫特征与混凝土含气量的关联性，二人还测试了不同气压下新拌混凝土的含气量[9-10]，结果均表明低气压环境在一定程度上会降低混凝土的含气量。李立辉[11]在不同气压下对两种引气剂溶液振荡-起泡，发现随气压下降（101.2～63.8kPa），两种引气剂经振荡后形成的气泡初始尺寸分别增加81%和72%，且气泡发育速率更快，稳定性差。李扬[12]使用自制泡沫性能测试仪测试不同气压下3种引气剂的泡沫体积，发现气压由100kPa下降至60kPa，3种引气剂5min时刻泡沫体积降低2%～14%；同时，对应引气混凝土初始含气量降低8%～36%。然而，刘旭[13]采用交变冲击方式起泡，发现气压对引气剂泡沫起泡性和稳定性的影响与引气剂种类有关，对应砂浆含气量与泡沫体积并没有明显相关性，低气压环境对混凝土引气效果没有明显影响。

目前，研究人员对于低气压环境下混凝土的引气效果和气泡发育试验结论存在诸多争议，对于引气剂的研究也多集中在泡沫的宏观表现，而对于不同气压下气泡的尺度变化、稳定性以及气泡尺度与混凝土气孔尺度之间的关联性研究较少。因此，本研究通过测试北京（海拔50m，气压101.2kPa）和拉萨（海拔3650m，气压63.1kPa）两地3种引气剂溶液不同时刻下的泡沫衰减情况和气泡发育情况，同时测试对应引气混凝土含气量和气孔特征参数，来研究两种体系中气泡的尺度差异以及大气压强对混凝土引气效果的影响规律，为青藏高原地区混凝土中引气剂的使用和筛选提供参考，对提高青藏高原地区混凝土的抗冻耐久性具有重要意义。

1 试验设计

1.1 原材料

引气剂使用AES、22066和226S 3种引气剂，其中AES和22066为市售引气剂（AES简称TM-O，22066简称226A）；226S以226A引气剂为母液，根据阴阳离子复合协同效应配制而成。各组引气剂参数见表1。

表1 引气剂相关参数

水泥为P·I 42.5水泥；细骨料使用天然河砂，细度模数为2.5；粗骨料粒径为5～20mm的连续级配石灰岩碎石，含泥量为0.5%；减水剂为540P高性能聚羧酸减水剂。各组试验用水均为当地自来水。

1.2 混凝土配合比

本研究使用常压下新拌混凝土含气量为6%左右的试验组进行探究，混凝土相关配合比见表2。

表2 混凝土配合比

1.3 试验方案

1.3.1 泡沫高度和气泡尺寸统计

将3种引气剂配制质量浓度（w）t为0.3‰的引气剂溶液各1000mL，移取各组溶液300mL至自制振荡-起泡试验装置，手持装置两端沿水平方向以0.5s/次频率、40cm振幅连续振荡30次，结束后立即将装置放置水平，记录各组引气剂溶液泡沫高度随时间的变化情况；同时利用微距相机对气泡中柱进行微距拍摄，见图1（a）所示，记录5min、15min和30min气泡发育情况，随后将拍摄图片统一截取4mm×4mm平面区域，见图1（b）所示，采用文献[13]相同处理方法，利用Photoshop软件对气泡轮廓进行锐化处理，见图1（c）所示，最后将图片导入Image J中，统计区域内气泡相关特征参数，见图1（d）所示。

图1 引气剂溶液气泡观测与处理

1.3.2 含气量和气孔结构测试

根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420-2020），在北京（101.2kPa）和拉萨（63.1kPa）两地拌制混凝土，试验环境温度为（20±2）℃。利用直读式混凝土含气量测定仪测试新拌混凝土含气量，然后将混凝土成型为100mm×100mm×100mm的立方体试块并标准养护至28d，之后用Air-rapid 457型硬化混凝土气孔分析仪[见图2（a）所示]进行气孔结构分析，每组测试3个切片取平均值，测试范围设置为80mm×80mm，测试结果包含硬化混凝土的含气量、气孔平均半径、气泡间距系数等气孔结构参数。

图2 硬化混凝土气孔分析仪与混凝土切片

在进行气孔结构分析前，将混凝土试块纵向贯通切割为（15±2）mm厚的切片，并用不同细度的碳化硅对其抛光打磨，然后用墨水对切片表面进行着色处理，待切片干燥后用白色纳米碳酸钙颗粒涂抹在切片表面以填充表面孔隙，增强气孔边缘的对比度，见图2（b）所示。

2 结果与分析

2.1 大气压强对引气剂溶液泡沫高度和气泡尺寸的影响

引气剂溶液经振荡-起泡后处于气液混合状态，此时大量微小气泡分散在溶液中，大约1min左右达到气-液分离状态。因此，将振荡结束后1min时刻定义为泡沫衰减过程的初始时间。溶液-泡沫体系内泡沫高度随时间和气压的变化规律如图3所示。

图3 引气剂泡沫高度随时间变化规律

由图3可知，随静置时间延长，各组引气剂溶液泡沫高度均有不同程度下降。其中，1～5min时段内泡沫降低幅度最大，5min之后泡沫消亡速率逐渐放缓。另外，气压下降并没有大幅削减各组引气剂溶液初始泡沫高度，仅TM-O组发泡量略微下降。由于不同种类引气剂的起泡能力不同，仅凭泡沫高度变化无法判断引气剂的稳定性，这里引入泡沫高差比H(t)（式1），表征各组引气剂泡沫的稳定性差异。

式中：

H(t)——泡沫高差比，%；

h1(t)——振荡-起泡结束后泡沫初始高度，mm；

h2(t)——振荡-起泡结束后t时刻泡沫高度，mm。

不同气压下各组引气剂溶液在1～30min内的泡沫高差比H(t)如图4所示。

图4 1～30min引气剂泡沫高差比

由图4可以看出，随气压下降（101.2～63.1kPa），各组引气剂泡沫高差比增加，即气泡稳定性变差。其中，TMO增长幅度略高，为2.4%，而226A和226S均为1%左右，受环境气压影响较小。同一种引气剂在两地经振荡-起泡后，其泡沫柱体积并没有发生明显变化，但气泡形态和数量受气压影响较为明显，对两地5min、15min、30min的气泡平均直径进行统计，结果如图5所示。

图5 不同气压下引气剂溶液气泡平均直径

由图5（a）、（b）、（c）可知，气压由101.2kPa降至63.1kPa，TM-O、226A和226S 3种气泡初始平均直径均有不同程度增加（由于气泡形成初期分散在溶液中不易观测，这里将振荡-起泡后静置5min时刻的气泡尺寸定义为“初始尺寸”），但不同类型的引气剂所受气压影响程度不同，其中TM-O气泡初始平均直径由400μm增加至574μm，增加了43.5%，226A气泡增加了17.5%，而226S气泡相对比较稳定，仅增加了3.8%。此外，对比不同气压下各组气泡在5min和30min时刻气泡尺寸可以发现，相比常压环境（101.2kPa），低气压环境（63.1kPa）下气泡经时变化更快，以TM-O气泡为例，北京地区静置30min后的气泡平均直径为5min时的232%，而该增幅在拉萨地区达到253%，该现象说明低气压下大气泡并聚、融合周围小气泡的速率更快，即气泡发育速率更快。

2.2 大气压强对引气混凝土含气量和气孔结构的影响

对北京（101.2kPa）和拉萨（63.1kPa）两地的新拌混凝土进行含气量测试，结果如图6所示。

图6 不同气压环境下新拌混凝土的含气量

由图6可知，随气压下降（101.2～63.1kPa），各组引气混凝土的初始含气量并没有大幅度削减。其中，C1组下降0.5%，C2组下降0.3%，而C3组甚至出现轻微增长。该试验结果验证了2.1小节中的试验现象，即气压下降并未导致引气剂泡沫高度大幅削减，对于本研究所选用的3种引气剂，其在混凝土中的引气效果与在水溶液中的泡沫性能具有一定关联性。

对比图6中各组混凝土在0～30min内含气量的经时损失，相比常压环境（101.2kPa），低气压环境（63.1kPa）下C1组和C2组的含气量衰减速率有所下降，而C3组没有变化。一般来说，混凝土的初始含气量越高，其经时损失越快，低气压环境下C1、C2试验组的初始含气量均有所下降，因此含气量的衰减速率下降。该现象与本文2.1小节中气压对引气剂溶液气泡发育速率的影响规律有所不同，对于同一种引气剂，随气压下降（101.2～63.1kPa），气泡的发育速率增加、稳定性下降；而对应引气混凝土中含气量的衰减速率减缓。造成该现象的主要原因在于气泡所处体系存在差异，溶液-泡沫体系中泡沫柱顶部气泡与空气直接接触，且相邻气泡间不断进行气体扩散，气泡发育受环境气压影响较大；而混凝土中的气泡均匀分散在浆体内部无法与空气接触，气泡间也无法进行气体扩散，因此产生上述差异。

一般认为，凝胶孔的孔径在10nm以下，毛细孔的孔径范围在10nm～10μm之间，而气孔的孔径在20μm以上[14]，对于提升混凝土抗冻性起主要作用的主要是混凝土在搅拌过程中掺加引气剂引入的微小气泡（气孔）。对气泡在溶液和混凝土两种体相中随气压下降的变化规律进行统计，结果如图7所示（溶液气泡选用5min时刻气泡尺寸）。

图7 不同体相中的气泡尺寸随气压下降的变化规律

由图7可知，常压下各组引气剂溶液气泡的初始直径（5min）范围在211～400μm之间，而引气混凝土气孔孔径范围在192～298μm之间，二者尺度范围存在一定差异。原因在于，水溶液中的气泡所受外力为相邻气泡间的挤压作用以及上浮过程中周围气泡的粘滞阻力，外力作用对气泡的约束较小；而混凝土中的气泡表面被浆体所裹挟，外力作用致使气泡要以较小的尺度维持原有形态，因此产生上述差异。

随气压下降（101.2～63.1kPa），各组溶液气泡初始尺寸和硬化混凝土气孔尺寸均出现不同幅度的增长，其中TM-O气泡（气孔）直径在溶液和混凝土两种体相中分别增长43.5%和20.8%；226A气泡（气孔）直径在两种体相中分别增长17.5%和11.4%。可以看出，气压对混凝土中气孔的影响小于其对溶液气泡的影响。分析认为，产生上述差异的主要原因是由于气泡所处的体相不同，在溶液中，表面活性分子充分吸附到水-空气界面上，亲水基位于水相，疏水基向空气一侧定向吸附，体系自由能降低，气泡在体系中暂时稳定存留。但由于气泡密度小、浮力大，溶液中的气泡会快速上浮聚集在顶部与空气相接触，气泡受气压影响较大。而在混凝土体系中的水-空气界面上，亲水基位于水相而疏水基向空气一侧定向吸附；在水泥-水界面上，亲水基溶于水或与水泥及其水化粒子相吸附。受限于浆体较高的黏度，所产生的气泡只能均匀分散在浆体内部而无法与空气接触，气泡尺寸受气压影响较小，因此存在上述差异。

文献[12]中给出了气体在混凝土中的体积压缩系数Vc，可用于预测溶液气泡尺寸在混凝土中的变化规律，如公式2。

式中：

Vc——气体压缩系数；

Vin——混凝土内气体体积；

Vout——混凝土外气体体积；

P1——外界环境压强；

ρ——混凝土密度；

h——气体进入混凝土深度；

g——重力加速度。

本试验混凝土密度为2500kg/m3，搅拌过程中气体进入混凝土深度约为0.4m，根据公式（2）换算，北京和拉萨两地空气进入混凝土中的体积压缩系数分别为91.2%和86.6%，假定气泡在混凝土体系中仍具有一定球适度，则气泡体积分别缩小为原尺寸的91.2%和86.6%。根据不同气压下各组溶液气泡的初始尺寸，计算其在混凝土中的理论值，见表3所示。各组混凝土中气孔尺寸的理论值与实测值如图8所示。

图8 不同气压下混凝土气孔尺寸理论值与实测值

表3 溶液气泡尺寸和混凝土气孔尺寸/（1×10-2mm3）

由图8可知，C1、C2两组混凝土的气孔尺寸实测值与理论值相差较大，拉萨地区该指标的理论值分别高出实测值251%、100%，说明对于TM-O、226A两种引气剂，结合相应体积压缩系数（式2），选取5min时刻气泡平均尺寸预测其在混凝土中的气孔尺寸，结果较实测值大很多，应进一步探究两种引气剂溶液在0～5min内的气泡几何特征参数；而对于C3组试验，混凝土气孔尺寸实测值与理论值差异较小，5min时刻溶液气泡特征参数与混凝土气孔尺寸具有一定关联性。

3 结束语

本文对比了北京（海拔50m，气压101.2kPa）、拉萨（海拔3650m，气压63.1kPa）两地不同气压下，3种引气剂（TM-O、226A、226S）的泡沫性能、气泡尺寸以及对应引气混凝土含气量和气孔尺寸，主要结论如下：

（1）同一种引气剂在两地经振荡-起泡后，其泡沫柱初始体积差异较小，但气泡形态、数量受气压影响较大。随气压下降（101.2～63.1kPa），TM-O、226A和226S三种引气剂气泡初始平均直径分别增加43.5%、17.5%、3.8%；此外，各组气泡发育速率增加，泡沫稳定性降低。

（2）相比常压环境（101.2kPa），低气压（63.1kPa）下各组混凝土初始含气量并未出现大幅削减，其中C1（TM-O）、C2（226A）两组分别下降0.5%、0.3%，C3（226S）组轻微增长；然而，由于界面活性分子吸附差异及气泡所处体相差异，各组气泡在0～30min内的发育速率增加，而混凝土含气量在0～30min内的衰减速率略有下降，二者并没有呈现较好的关联性，存在一定差异。

（3）气压对气泡在两种体系中的影响规律相似，随气压下降（101.2～63.1kPa），各组溶液气泡尺寸和混凝土气孔尺寸均出现不同程度的增长。C1（TM-O）、C2（226A）两组拉萨地区成型混凝土的气孔尺寸理论值分别高出实测值251%、100%，C3（226S）组混凝土气孔尺寸实测值与理论值差异较小，且在5min时刻溶液气泡特征参数与混凝土气孔尺寸具有一定关联性。