摘要: 对比研究了掺6 种引气剂混凝土的含气量、气泡间距系数、孔径分布及气泡平均直径等气泡特征参数. 结果表明,除个别引气剂外,掺不同引气剂的新拌混凝土,其含气量与硬化混凝土含气量及气泡间距系数之间不存在相关性;即使新拌混凝土含气量相同,掺加不同品种引气剂混凝土的气泡间距系数、孔径分布依然有显著差别. 同一品种引气剂,随含气量增加,气泡间距系数先减小后增加,小气泡和气泡总数先增加后减少;含气量过大,气泡结构变差. 用含气量来评价掺不同品种引气剂混凝土的抗冻性,可能会产生较大的偏差.
关键词: 引气; 含气量; 气泡间距系数; 气泡平均直径
中图分类号: TU 528. 1 文献标识码: A 文章编号: 0253 - 374X(2008) 03 - 0374 - 05
影响混凝土抗冻性的材料因素很多,其中引气作用最为重要. 表征硬化混凝土气泡体系特征的参数主要有3 个,即含气量、气泡平均直径和气泡间距系数,其中,气泡间距系数最为重要[1 ] . 这3 个参数相互之间有一定的关系,含气量一定时,气泡越小,气泡间距就越小. Saucier 等人[2 ]收集了许多数据,建立了新拌混凝土的含气量与硬化混凝土气泡间距系数的关系图,认为二者之间存在定量关系,即新拌混凝土的含气量(体积分数,后同) 在相当大的程度上反映出混凝土中气泡体系的基本状况,可作为混凝土抗冻性的材料特征参数之一. 由于气泡间距系数测试较困难,在实际工程中一般通过控制新拌混凝土含气量来保证混凝土的抗冻性. 许丽萍等人[3 ]收集了国内外有关资料,对新拌混凝土和硬化混凝土的含气量进行了回归分析,发现二者之间存在一定的相关性. 然而上述研究中绝大部分数据来源于国外相关文献的报导. 引气剂在一些发达国家的应用已有几十年的历史,应用技术比较完善,质量也比较稳定,而我国的引气剂尚处于推广应用阶段,种类和牌号很多,质量良莠不齐. 目前,对国内引气剂的性能及其对混凝土气孔特征参数的影响研究少之又少,开展此方面的研究对引气剂合理使用及其推广应用意义重大. 笔者选取国内几种常见的引气剂,对比研究其气泡特征参数,希望对引气剂的推广应用有所帮助.
1 原材料及试验方法
1. 1 原材料
水泥:宝山水泥厂42. 5 级普硅水泥;砂:中砂,细度模数2. 63 ;粗集料:5～20 mm碎石,级配见表1.
引气剂选用了6 中不同的牌号,分别是: SJ 三萜皂甙引气剂;改性松香热聚物类引气剂(以B ,C表示) ;合成引气剂,成分不详(以D 表示) ;烷基磺酸盐类引气剂(以E 表示) ;皂素类复合引气剂(以F表示) .
1. 2 混凝土配合比(质量比)
水泥∶水∶砂∶石= 350∶178∶600∶1 240引气剂按水泥用量的百分比(质量分数) 掺加,不同引气剂掺量根据新拌混凝土的含气量调整,混凝土的坍落度控制在30～50 mm ,低频振动台振动15 s 成型,测试新拌混凝土的含气量或成型试件用于测试硬化混凝土气泡特征参数.
1. 3 混凝土拌和物含气量测试
参照《普通混凝土拌合物性能试验方法》( GB/T50080 —2002) ,采用SAN YO 直读式含气量测定仪测定含气量.
1. 4 硬化混凝土气孔参数测试
混凝土试件为10 cm ×10 cm ×10 cm 的立方体,标准养护28 d , 切割成厚度为1～2 cm 试件,经打磨、抛光、清洁并喷涂荧光剂,待干燥后放入试验台测试. 在测试软件中,输入水泥浆体含量、测试范围、阈值等参数,并用模板标定尺寸后,由硬化混凝土气泡参数测定仪自动采集数据. 本试样测试区域为60 mm ×60 mm ,气泡圆形度值取0. 25 ,阈值取33. 设置完成后,系统由COSMOS 软件自动采集数据并自动计算得到结果.
硬化混凝土气泡特征参数计算公式如下:
平均气泡面积a = S / N
含气量A s = 100 na
平均气泡直径 
比表面积 
气泡间距系数
式中: S 为累计气泡面积,μm2 ; N 为气泡个数; n为单位面积内气泡数; S i 为气泡面积,μm2 ;α为比表面积,μm- 1 ; P 为浆体含量(体积分数) , %.
2 试验结果及分析
2. 1 新拌混凝土含气量与硬化混凝土含气量
图1 显示了新拌混凝土含气量A 与硬化混凝土含气量A s 的关系. 从图可看到,并不是所有新拌混凝土和硬化混凝土的含气量存在相关性,除掺加SJ 引气剂混凝土的拌和物含气量与硬化混凝土含气量存在相关性(相关系数R = 0. 927 1) 外,其余三种分别掺B ,C 和E 引气剂混凝土的拌和物含气量与硬化混凝土的含气量之间没有相关性. 这与文献[3 ]得到结果存在差异,原因可能是其采用的数据大部分来源于国外的文献,而国内的引气剂品种较多,质量参差不齐,气泡的稳定性差别很大. 对不同引气剂品种的匀质性对比试验也发现,不同引气剂的气泡高度和稳泡时间也存在很大的差异;此外,采用不同的振捣方式及时间,会使掺不同品种引气剂新拌混凝土和硬化混凝土含气量的差异更加明显[4 ] .
2. 2 硬化混凝土气泡间距系数
2. 2. 1 引气剂品种对气泡间距系数的影响
图2 显示了相同含气量( (5. 5 ±0. 5) %) 下,引气剂品种对混凝土气泡间距系数L 的影响. 即使新拌混凝土的含气量相同,掺加不同引气剂混凝土的气泡间距系数差别也很大,其中,用SJ 引气剂的气泡间距系数为248μm ,比用其他几种引气剂的混凝土低得多;掺加引气剂B 和C 的混凝土最差,气泡间距系数分别达到了528μm 和543μm.
由于原材料、水灰比、成型方式及测试方法的不同,国内外研究者测得的气泡间距系数L 存在一定的差异[5 - 7 ] ,建议的临界气泡间距系数也有所不同. 本文仅对掺不同引气剂的混凝土的气泡特性参数进行比较试验,并不能为混凝土抗冻融破坏临界气泡间距系数提供依据.
2. 2. 2 含气量A 对间距系数L 的影响
图3 显示了掺加同一种引气剂(SJ ) 后,新拌混凝土含气量A 对气泡间距系数的影响. 可看到,掺SJ 引气剂的混凝土,随含气量增大,气泡间距系数L 先减小后增大;含气量过大,气泡间距系数反而增大,对混凝土抗冻反而不利.
图4 为采用不同品种引气剂的混凝土(包含不同振动方式) 的含气量与气泡间距系数L 的关系.对掺不同类型引气剂混凝土,新拌混凝土的含气量A 与L 之间不存在相关性. 对于一些掺加劣质引气剂的新拌混凝土,即使含气量大于5. 0 % , L 依然高达500μm;而掺加优质引气剂的混凝土经高频振捣后,尽管含气量损失很大,在硬化混凝土中,含气量小于2. 0 %. 但混凝土中损失的绝大部分是大气泡和夹杂气泡,大量微小气泡在硬化浆体中保留了下来,气泡间距系数L 依然可以小至150μm. 因此,用新拌混凝土含气量来比较掺不同品种引气剂混凝土的抗冻性,可能会产生较大的偏差.
三峡开发总公司试验中心研究也发现,经高频振捣后,大坝结构和大坝外部硬化混凝土的含气量只有2. 3 %左右,远低于设计要求的4. 5 %～5. 5 % ,但平均气泡间距系数依然达到了300μm 左右. 并以此推定,大坝结构和外部混凝土的抗冻性均能满足F 200 的技术要求[8 ] .
2. 3 硬化混凝土气孔孔径d 的分布
2. 3. 1 不同品种引气混凝土的孔径分布
图5 显示了不同引气剂对硬化混凝土孔径d分布的影响. 可以看到,即使新拌混凝土具有相同含气量,采用不同引气剂的混凝土气泡结构有显著的差异. 其中,用SJ 引气剂的混凝土气泡总数和小于240μm 的气孔,明显比其他5 种引气剂多;大量微小气泡的引入有助于减小混凝土的气泡间距系数.这与2. 2. 1结论是吻合的.
2. 3. 2 含气量对孔径分布的影响
图6 显示了新拌混凝土含气量对硬化混凝土孔径分布的影响;可看到,掺引气剂SJ 的混凝土,随含气量的增加气泡总数增加,但含气量过大达到7. 0 %时,气泡总数和小气泡个数反而减少,说明当含气量过大时小气泡可能合并成了大气泡,并有一部分气泡溢出,使硬化混凝土中含气量反而降低,这也可以很好地解释2. 2. 2 中含气量过大时导致硬化混凝土气泡间距系数反而增大的原因.
2. 4 硬化混凝土的气泡平均直径
2. 4. 1 不同品种引气混凝土的气泡平均直径
图7 显示了在新拌混凝土含气量相近( (5. 5 ±0. 5) %) 条件下,掺不同品种引气剂混凝土的气泡平均直径d′. 可看到,除B ,D 引入的气泡平均直径略大外,其余几种的气泡平均直径的差别不大. 这与2. 2. 1 测得的气泡间距系数没有明显的对应关系,原因主要与引气剂的稳定性有关. 根据前面的研究结果,可知尽管新拌混凝土的含气量接近,但掺加不同品种引气剂,硬化混凝土中的含气量及气泡个数都有很大的差别;即使硬化混凝土的含气量很低、气泡间距系数较大,依然能得到较低的气泡平均直径. 因此,气泡平均直径并不能准确反映出引气混凝土气泡结构的优劣,用气泡平均直径评价掺不同引气剂混凝土的抗冻性,可能会产生较大偏差.
2. 4. 2 含气量对气泡平均直径的影响
图8 显示了掺SJ 引气剂的新拌混凝土含气量对气泡平均直径d′的影响. 可看到,当混凝土含气量A 在3. 4 %～6. 0 %范围内,气泡平均直径差别并不大;而到7. 0 %时,平均直径明显增大. 而对于非引气混凝土,由于系统采集数据时剔除了大于2 000μm 的夹杂气泡,只有很少量的小孔隙和气泡,因而气泡平均直径反而很小.
3 结论
(1) 除SJ 引气剂外,掺不同引气剂的新拌混凝土含气量与硬化混凝土含气量之间没有相关性.
(2) 掺不同类型引气剂的新拌混凝土含气量与气泡间距系数之间没有相关性,用新拌混凝土含气量来评价掺不同品种引气剂混凝土的抗冻性,可能会有较大偏差.
(3) 当新拌混凝土含气量相同时,掺加不同品种引气剂混凝土的气泡间距系数、孔径分布存在显著差别;采用SJ 引气剂混凝土的气泡结构优于其他品种引气混凝土;对掺加同一品种引气剂的混凝土,随含气量增加,气泡间距系数先减小后增加,小气泡和气泡总数先增加后减少,含气量过大,气泡结构变差.
(4) 气泡平均直径不能有效表征引气混凝土气泡结构的优劣,用气泡平均直径评价掺不同引气剂混凝土的抗冻性,可能会产生较大偏差.感谢:本文试验得到了北京工业大学交通研究中心张金喜教授、北京高强混凝土公司杨荣俊高工的大力支持,北京工业大学研究生杜辉参加了部分试验工作,在此一并表示感谢!
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