引氣劑與混凝土高性能化

1、引氣劑與混凝土高性能化薛慶中國建筑科學研究院建材所(100013摘要:本文論述了引氣劑的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀、作用機理,并重點探討了引氣劑對新拌混凝土和硬化混凝土性能的影響。摻加引氣劑能夠明顯改善混凝土工作性,提高其耐久性,滿足工程對混凝土特定性能的要求,本文指出引氣劑是應(yīng)是今后發(fā)展高性能混凝土的必備外加劑。關(guān)鍵詞:引氣劑機理耐久性高性能混凝土1.引氣劑的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀混凝土引氣劑是最古老的外加劑之一,四十年代開始應(yīng)用于混凝土抗凍工程中。引氣劑在混凝土中的應(yīng)用在國外已得到許多國家的公認。在國外,尤其是日本,幾乎大部分混凝土,包括高強高性能混凝土(HPC都要摻用引氣劑、引起減水劑,而將不用引氣劑或只摻

2、用其他外加劑的混凝土定為特殊混凝土。在日本規(guī)范中規(guī)定,砼中必須摻入引氣劑(AE劑或引氣減水劑(AE減水劑。美國北部地區(qū)和加拿大所有露天使用的混凝土規(guī)定要摻用引氣劑,主要是考慮改善混凝土耐久性。我國五十年代開始開發(fā)引氣劑,用于提高水工混凝土的抗凍性。目前,我國只有在水工和港工混凝土設(shè)計規(guī)程中有明確的摻引氣劑要求。然而,隨著混凝土技術(shù)發(fā)展的需要,特別是引進國外施工設(shè)備和國外工程公司進入我國施工市場,引氣劑也開始在其它場合使用。例如,在上海高層建筑物有泵送要求的混凝土中,廣泛使用了引氣劑。在秦山核電站二期工程中,外方也要求在混凝土中必須摻引氣劑。我國黃士元教授也一再撰寫論文呼吁引氣劑的使用,這說明引

3、氣劑確是改善砼耐久性的優(yōu)良外加劑。引氣劑在我國的混凝土工程中使用并不普遍,摻引氣劑的混凝土僅占混凝土總量的百分之幾。究其原因,除了擔心引氣劑降低混凝土的強度外,缺少更多性能優(yōu)異、價格適宜的引氣劑可供選擇及由于引氣劑使用不當致使效果不顯著,對提高混凝土的抗?jié)B性、耐久性重視不足,也是主要因素。2.作用機理引氣劑大部分是陰離子表面活性劑,在水-氣界面上,憎水基向空氣一面定向吸附,在水泥-水界面上,水泥或其水化粒子與親水基相吸附,憎水基背離水泥及其水化粒子,形成憎水化吸附層,并力圖靠近空氣表面,由于這種粒子向空氣表面靠近和引氣劑分子在空氣水界面上的吸附作用,顯著降低水的表面張力,使混凝土在拌和過程中產(chǎn)

4、生大量的微氣泡,這些氣泡有帶相同電荷的定向吸附層,所以相互排斥并能均勻分布;另一方面,許多陰離子引氣劑在含鈣量高的水泥水溶液中有鈣鹽沉淀,吸附在氣泡膜上,能有效地防止氣泡破滅,引入的細小均勻的氣泡能在一定時間內(nèi)穩(wěn)定存在。引氣劑主要作用首先是引入氣泡,其次是分散和潤濕作用。引氣劑最早是作為提高混凝土抗?jié)B性、抗凍性、抗鹽凍剝蝕性而使用的一種外加劑。其主要原理是引氣劑引入的小氣泡切斷毛細管的通路,降低毛細管作用,從而提高混凝土的抗?jié)B性。這些微氣孔在冰凍過程中能釋放毛細管內(nèi)的冰晶膨脹壓力,從而避免生成破壞壓力,減少和防止凍融的破壞作用,提高混凝土的抗凍性。3.引氣劑對混凝土性能的影響3.1引氣劑對新拌

5、混凝土性能的影響引氣劑能顯著改變新拌混凝土的性能。引氣劑由于在混凝土中引入大量微小且獨立的氣泡,這些球狀氣泡如滾珠一樣使混凝土和易性得到較大程度的改善。由于氣泡增加了漿體體積和對拌和料的潤滑作用,以及增加了漿體的粘度和屈服應(yīng)力,因此引氣混凝土的工作性、塑性和內(nèi)聚性得到顯著提高,明顯比非引氣混凝土的好。引氣劑所引入的微細泡宛如微細集料,對級配不良,尤其是細顆粒缺少的細集料有補償作用,可以使混凝土顯得砂漿富余;這些微小氣泡結(jié)和支撐著水泥顆粒,填塞了水泥顆粒間的空隙,從而阻或減少了水泥和集料顆粒周圍的水流,減少混凝土的泌水、沉降和離析。同時,由于這些氣泡的“撥開”或“分散”作用,極大地增加了水泥或細

6、集料的自由(非凝聚表面積,增強拌和物的粘性和工作性。在原材料比例不變的條件下,引氣可以提高混凝土的流動性,而在相同塌落度下,摻有引氣劑的混凝土,其漿體和易性、流動性、塑性、澆注性、搗實性等非測量指標是不摻引氣劑的混凝土漿體所不能比擬的,引氣可以降低拌和用水量。另外,引氣還可降低新拌混凝土的坍落度損失。隨著施工技術(shù)和高層建筑的發(fā)展需要,混凝土的可泵性能顯得愈來愈重要。實際上,可泵性是混凝土工作性良好的一種特殊表現(xiàn)形式,由于引氣增加了混凝土的內(nèi)聚性和物料間的潤滑作用,降低了脹流,使泵送時不會過度離析和泌水,因此引氣可提高新拌混凝土的可泵性能。但是,泵送混凝土的含氣量也不宜太高,因為過大的含氣量造成

7、的空氣可壓縮性提高足產(chǎn)生不飽和狀態(tài),增加泵送時的泵壓損失和降低混凝土的泵送效率。這類混凝土的含氣量一般以小于6%為好。正是由于上述這些原因,導(dǎo)致泵送混凝土和大體積混凝土工程,以及道路和其它土木建筑工程廣泛采用引氣混凝土,即使是沒有抗凍或抗除冰鹽要求的環(huán)境中也是如此。在貧混凝土和干硬性混凝土或碾壓混凝土,以及輕骨料混凝土中,引氣可以最大地改善其性能和最大地發(fā)揮引氣劑的這些好外?；炷恋目杀眯圆粌H與坍落度有關(guān),還與混凝土的壓力泌水量有關(guān),在同樣的條件下,減少了泌水也就意味著提高了混凝土的可泵性。因此,在國外及我國的上海幾乎所有的泵送劑均含有引氣成分。3.2引氣劑對硬化混凝土性能的影響引氣將使混凝土

8、的強度降低,特別是當含量很大時(>4%降低更明顯,這是引氣劑的最大缺點,也是制約引氣劑在我國大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要原因,因為在我國許多混凝土設(shè)計規(guī)范中都是以強度作為指標。長期以來一直認為摻引氣劑就一定降低混凝土強度的觀點是不全面的。(1混凝土強度不僅與混凝土中空氣引入量有關(guān),也與引入空氣泡的結(jié)構(gòu)和孔徑等有關(guān)。在某種意義上,孔的結(jié)構(gòu)和孔徑比孔隙率對混凝土宏觀性能的影響更重要。不同孔徑的氣孔對混凝土性能的影響并不是一致的,國外一些學者認為,孔徑50nm以下的孔屬于無害孔。不同品種的引氣劑對混凝土孔結(jié)構(gòu)形成的影響是不同的,因而對混凝土強度、滲透性等的影響也是不同的,不能一概而論。(2使用性能優(yōu)異

9、的引氣劑,一般可減少混凝土用水量的8%10%,從而可補償因氣孔率增加而引起的強度下降。(3引氣劑的應(yīng)用改善了混凝土的和易性、工作性、極大地減少了混凝土的泌水、離析,從而使混凝土的界面特性得以提高。在高水膠比的普通混凝土中,界面特性對混凝土抗壓強度的影響較少,但界面特性對C70以上的高強混凝土抗壓強度的影響就較大,所以在低水膠比的高強混凝土中摻入適量的引氣劑改善界面特性,往往使混凝土由于界面缺陷引起的強度,特別是抗折強度的損失得以補償。交通部公路研究所在對道路混凝土研究時發(fā)現(xiàn),在一定條件下,引氣反而可以提高混凝土的抗折強度抗壓強度。引氣引起的混凝土抗折強度降低率遠小于抗壓強度的降低率,即引氣可以

10、提高混凝土的抗壓比或者說韌性。這一點對道路工程特別重要和有實用意義。(4在混凝土拌和物中單獨摻加引氣劑是極少的。通常引氣劑和高效減水劑同時使用,或者在高效減水劑中復(fù)合適量的引氣劑,這樣因減水劑的高減水率而提高的混凝土強度,完全可補償因使用引氣劑使混凝土孔隙率增加而導(dǎo)致的強度損失。(5有許多研究資料表明,對于貧混凝土和干硬性混凝土或碾壓混凝土,以及輕骨料混凝土,適量引氣不但不降低強度,反而增加強度,這主要與引氣可提高混凝土的漿體體積、工作性、塑性和內(nèi)聚性有關(guān)。眾所周知,摻引氣劑的主要作用是提高混凝土的抗凍耐久性。目前,引氣劑作為提高混凝土抗凍性的最主要技術(shù)措施已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程實踐中(如水工和

11、港工等混凝土工程,其效果也得到認可。一般非引氣混凝土的含氣量都小于1.8%,且這部分氣泡多為截留大氣泡,對混凝土性能有很不利的影響。然而,引氣劑產(chǎn)生的氣泡多為均勻的微小氣泡,它們對混凝土性能有許多有利的作用,與截留大氣泡相比有很大的不同。普通混凝土引進的最佳含氣量為3%6%,砂漿為9%10%。在以上的控制范圍內(nèi),隨著含氣量的增加,混凝土的抗凍性能逐漸提高,最大可提高幾十倍。由于引氣劑在砼中能引入很多均勻分布的微小氣泡,徹底改變了原來僅有1.8%含氣量的砼中內(nèi)部結(jié)構(gòu)。引氣劑在砼中引入的各級配氣泡,對砼中的各類材料具有抑制沉降泌水與防止砼材料不均勻配置的作用,從而防止了空白混凝土中大氣泡對砼抗凍性

12、不利局面的發(fā)生。試驗表明引入2.2%的含氣量,使砼的總含氣量達到4%時,砼的耐久性指數(shù)DF可達到120%,而原來僅含1.8%含氣量的砼耐久性指數(shù)僅為15%。然而,并非含氣量越大越好,含氣量超過一定限值后,混凝土抗凍性能反而會降低,如引氣量增加1%,混凝土強度下降3%5%。現(xiàn)在許多混凝土高等級公路和城市道路,在冬季常撒除冰鹽(主要為NaCl以清除路面冰雪。在鹽和凍結(jié)的共同作用下,混凝土的破壞特別嚴重?；炷聋}凍剝蝕破壞是指在除冰鹽存在的條件下,混凝土因受凍產(chǎn)生的一種特殊破壞形式,主要表現(xiàn)為表面嚴重剝蝕,骨料暴露。迄今不止,已在北京、天津等城市立交橋,以及黑龍江等東北地區(qū)高等級混凝土路面上發(fā)現(xiàn)了多

13、起嚴重的鹽凍剝蝕破壞實例。這些破壞實例的最主要原因是混凝土中沒有采取防治鹽凍破壞的技術(shù)措施,如摻引氣劑。由于鹽凍剝蝕破壞本質(zhì)上也是因水結(jié)冰膨脹而破壞,因此引氣劑同樣對改善混凝土抗鹽凍性能有非常好的效果。北方道路由于冬季下雪之故,從第一年的10月開始到第二年3月約需灑23次的除冰鹽,才能保證道路路面積雪的清除,然而在鹽和冰凍的共同作用下,砼的破壞尤為嚴重。砼的鹽凍剝蝕破壞是指在除冰鹽的存在條件下,砼因受凍產(chǎn)生的一種特殊破壞形式,主要表現(xiàn)為表面剝蝕、骨料暴露、將砼表層的一層水泥砂漿殼體層全部剝蝕掉。摻入引氣劑可有效地阻止混凝土向上的泌水過程,引入眾多微小氣泡而防止冰鹽的剝蝕破壞。黃士元教授研究表明

14、,砼中引入4%的含氣量,可使砼的抗?jié)B性提高的約15%以上,原因是引氣劑改變了砼的孔結(jié)構(gòu)體系,封閉了許多毛細孔通道,同時在水泥顆粒表面上形成憎水膜,從而降低了毛細管的抽吸作用。許多引入封閉式小孔不能被水全部填充,多余下來用以緩物理膨脹有機鹽結(jié)晶體或礦物結(jié)晶體;或化學膨脹骨料反應(yīng)或硫酸鹽反應(yīng)造成的破壞,從而改善抗?jié)B性能。水灰比是影響滲透性能的主要因素。水灰比越大包圍水泥顆粒的防水層越厚,許多拌和水在水泥石中形成相互通連而無規(guī)則的毛細孔通道,增加混凝土的透水性,摻加引氣劑及高效減水劑的混凝土水灰比都在0.5以下,甚至可達0.3以下,混凝土中孔隙率的改變,加之引氣劑產(chǎn)生的細小均勻獨立而不相通的氣泡,有

15、效地隔斷了混凝土中的毛細孔通道,防止水分滲透。我們采用多種方法測試表明,摻用引氣劑的混凝土抗?jié)B標號可達S12以上,即在2MPa 以上水壓下也不會透水。工程實踐證明,以引氣劑及減水劑配制的混凝土無需再采用其它防水措施,即可達到防水抗?jié)B目的,經(jīng)濟效益十分可觀?；炷猎诔尚秃湍Y(jié)后,如早期遭受凍結(jié),混凝土中的未水化水受凍膨脹,破壞了混凝土內(nèi)部的凝聚結(jié)構(gòu),從而形成硬化混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)損傷,這是混凝土冬施中最易發(fā)生的質(zhì)量事故,為了保證混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不因早期凍結(jié)引起破壞,在受凍前必須達到最小強度,也稱為臨界強度。目前,混凝土早期受凍引起的破壞程度一般都用抗壓強度損失來表示,試驗室中用早期受了凍結(jié)的標養(yǎng)28

16、天強度與未受凍的標養(yǎng)8天強度作比較,國內(nèi)外許多試驗資料表明,臨界強度在3.57.0MPa。為了保證混凝土的質(zhì)量,在受凍前的強度必須高于臨界強度。近年來,國內(nèi)有不少文章建議在冬施使用防凍劑時復(fù)合引氣劑,他們認為引氣劑能減少混凝土早期受凍的凍脹力。摻引氣劑混凝土早期受凍的強度損失比不摻引氣劑的普通混凝土減少,臨界強度也可減少至24MPa。引氣混凝土抵抗早期受凍融循環(huán)的能力提高尤為顯著。由此可見,在冬施混凝土中摻加引氣劑,既能提高結(jié)構(gòu)物的耐久性,又能提高混凝土抵抗早期受凍的能力,降低臨界強度,提高冬施安全度。在考慮到摻防凍鹽對混凝土抗凍性的不利影響,須提倡在冬施中摻加引氣劑,甚至應(yīng)該在標準中規(guī)定,在

17、冬施中必須摻加引氣劑。提高混凝土的抗侵蝕能力關(guān)鍵在于提高混凝土密實性及抗?jié)B性能?；炷翐郊痈咝p水劑后,可以明顯提高混凝土的密實性,再摻加適量的引氣劑,引入微氣泡,可提高混凝土的抗?jié)B能力,因此具有較好的抗侵蝕性能。試驗資料表明,摻引氣劑及減水劑的混凝土孔隙率小,混凝土密實,加之微小氣泡,可使混凝土碳化速度降低,提高了混凝土的抗碳化性能,減少了鋼筋銹蝕危害?？諝夂康脑黾訒够炷恋母煽s值有所增大,但引氣劑的減水作用又可以使干縮下降,因而當混凝土的強度、和易性相同時,在一定范圍內(nèi)引氣不會對混凝土的徐變產(chǎn)生影響。4引氣劑應(yīng)用中存在的問題及解決方法影響引氣劑推廣應(yīng)用的原因主要是在許多工程技術(shù)人員中還

18、存在一種陳舊觀念,即摻用引氣劑會降低混凝土強度及增加引氣量會影響混凝土的體積穩(wěn)定性,在高強混凝土中更不敢摻用引氣劑,這些觀念是很不全面的。高效減水劑同摻適當?shù)囊龤鈩?完全可以配制C70甚至更高標號的HPC,所配制混凝土的主要技術(shù)性能可超越單一摻用高效減水劑的混凝土。引氣劑的推廣過程中,除了要改變對引氣劑的舊觀念外,就是要開發(fā)出高質(zhì)量的引氣劑。一種優(yōu)良的引氣劑,首先本身必須具備良好的發(fā)泡能力和穩(wěn)定性能,同時具有良好的氣泡結(jié)構(gòu)和小的強度損失率;其次要具有強的適應(yīng)性能,如能適應(yīng)不同的水泥品種和攪拌施工方式、溫度環(huán)境等;第三,與其它外加劑具有強的復(fù)合性能;最后,要使用方便和安全,價格也合理。因此,新型

19、高性能引氣劑的研制開發(fā)是擺在我們面前的重要課題。此外,隨著混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟,集優(yōu)異的工作性、力學性能和耐久性能于一體的高性能混凝土已成為混凝土技術(shù)的主要方向,如何將引氣劑的應(yīng)用拓展到高性能混凝土領(lǐng)域,使其在改善混凝土耐久性和工作性的同時,不致于對其強度造成很大程度的負效應(yīng),也是新型高性能引氣劑的研制開發(fā)所應(yīng)關(guān)注的主要問題。5引氣劑與高性能混凝土技術(shù)高性能混凝土(HPC技術(shù)是近年來發(fā)展的一項混凝土技術(shù),目前不同學派對其概念有著不同的定義,這主要是在強度方面的爭論。但是,他們一致認為高性能混凝土必須體現(xiàn)“高性能”,即必須具備好的工作性和優(yōu)良的耐久性,至于強度,雖也要求高強但并不僅限于高強或過分追求高強。耐久性和工作性在高性能混