聚羧酸类混凝土引气剂的工程技术

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摘要：针对高性能混凝土高施工性、高耐久性要求，通过掺用具有梳型结构的聚羧酸类引气剂实现高性能混凝土，研究了聚羧酸类引气剂对混凝土含气量、气泡间距系数、工作性、强度和抗冻融耐久性的影响及其与减水剂的相容性，分析了聚羧酸类引气剂改善混凝土性能的机理。研究表明：聚羧酸类引气剂在掺量为0.006%时，混凝土含气量和气泡间距系数便可满足高性能混凝土工程使用要求；该类引气剂与常用混凝土减水剂、缓凝剂相容，可与减水剂、缓凝剂复合使用；除引气作用外，聚羧酸类引气剂还具有塑化和保塑作用，尤其适用于低水胶质量比混凝土，可在不降低混凝土强度的情况下，提高混凝土抗冻融耐久性。因此,聚羧酸类引气剂可用于配制高性能混凝土和自密实混凝土。

　　自从水泥问世以来，水泥混凝土科学技术史上发生了2次革命性的飞跃：1940年代引气概念的提出是混凝土技术的一次突破；高效减水剂的应用对高性能混凝土、自密实混凝土等新型混凝土生产和应用产生了重要影响[1]。目前,发达国家几乎在所有的混凝土结构中都采用引气混凝土，除提高混凝土抗冻融和抗除冰盐破坏的能力外，引气还可以改善混凝土工作性和硬化混凝土的气泡结构、降低水胶质量比、减轻混凝土泌水、离析,使其更加致密、渗透性降低，因而可抵御各种侵蚀性离子的破坏作用[2]。引气剂的副作用是降低混凝土强度,通常强度降低幅度为10%～20%，但强度降低可通过减少细集料和水的用量加以补偿[36]。引气剂多为表面活性物质，分布于气液界面,使水的表面张力降低、气泡易于形成并稳定.松香热聚物是常用的引气剂品种，其缺陷是气泡直径较大、性能不稳定，与某些减水剂、缓凝剂相容性较差，常导致引气剂分离或附壁。本文根据高性能混凝土对引气剂性能的要求，参照梳型高分子设计理论，合成了聚羧酸类引气剂并对该品种引气剂的工程性能进行了评价。

　　1　原材料与试验方法

1.1　原材料

　　胶凝材料:P.I5215级水泥和Ⅰ级粉煤灰(FA)(中国海螺)；预水化粉煤灰(PFA)和矿渣微
粉(SL)(课题组自制)，化学成分如表1所示。

表1 胶凝材料的化学成分

集料：细度模数2163的中砂;粒径5～25mm的石灰石碎石。

外加剂：聚羧酸系减水剂和聚羧酸类引气剂(课题组合成)；高浓型萘系减水剂(江苏交科建材技术有限公司)；JC22000保塑剂；PC22松香类引气剂；木质素磺酸盐减水剂；糖蜜减水剂。

1.2　试验方法

1.2.1　聚羧酸类引气剂的应用技术

　　控制混凝土中胶凝材料用量为350kg/m3，掺用矿物外掺料时，矿物外掺料等量取代20%水泥；砂率42%；水胶质量比0145；通过调节聚羧酸系减水剂掺量，控制混凝土坍落度；引气剂掺量为0～0.0.8%。参照GB8077—2001《混凝土外加剂匀质性试验方法》测定新拌混凝土含气量。调节新拌混凝土坍落度为17～19cm，分别测定了新拌混凝土和标准养护28d的硬化混凝土含气量与气泡间距系数。对比试验了聚羧酸类引气剂、PC22松香热聚物引气剂与木质素磺酸盐减水剂、糖蜜减水剂的相容性。试验时，引气剂∶减水剂∶水为5∶50∶45.11212　掺聚羧酸类引气剂混凝土的性能评价试验采用上述水泥、砂、石和配合比,掺用占水泥质量014%的高浓型萘系高效减水剂，引气剂掺量为0.005%、0.007%和0.009%，掺用JC—2000保塑剂0.003%、0.006%、0.009%，测定新拌混凝土初始和60min坍落度.固定胶凝材料用量为400kg/m3,分别以20%预水化粉煤灰和矿渣微粉取代水泥，取水胶质量比0.35,0.40和0.45，每一配比的混凝土中引气剂掺量分别为胶凝材料用量的0.008%、0.010%和0.012%，控制混凝土坍落度为7～9cm。混凝土试件经标准养护28d进行抗压强度试验和经300次冻融循环的相对动弹性模量测定。测定抗压强度时，对比试验了非引气的基准混凝土抗压强度。

　　2　试验结果与分析

2.1　聚羧酸类引气剂掺量

　　由试验结果可知，在较低掺量(0.006%)时，混凝土含气量便可满足正常使用要求(3%～
4.5%)。通常情况下，混凝土引气剂掺量为胶凝材料用量的0.01%～0.015%，而聚羧酸类混凝土引气剂在该掺量下的引气量达到6.1%～8.6%，可满足特殊使用要求(见表2)。

表2　引气剂含量与引气剂掺量的关系(质量分数)%

由试验结果可知,矿物外掺料对聚羧酸类引气剂的引气效果存在一定影响。粉煤灰中含有少量的
未燃碳，会吸附引气剂分子，使引气量下降0.5%～1.7%；预水化粉煤灰和矿渣微粉不仅能够改善新拌混凝土的工作性，而且有助于聚羧酸类引气剂引气效果的发挥，分别使混凝土含气量增加0.3%～0.9%和0.2%～1.1%，因为预水化粉煤灰中含有部分低温熟料矿物，可促进聚羧酸类引气剂的吸附分散作用，而矿渣微粉可使引气剂表面活性作用增强。

2.2　聚羧酸类引气剂与普通减水剂的相容性

试验结果表明：松香热聚物与木质素磺酸钠、木质素磺酸钙以及糖蜜混合后产生化学反应,所生成的物质属于皂化物类，漂浮在混合溶液表面，使溶液浑浊，大幅度降低了松香热聚物的引气作用。而聚羧酸类引气剂与木质素磺酸钠、木质素磺酸钙以及糖蜜则具有较好的化学相容性。

2.3　含气量与气泡间距系数

混凝土含气量与混凝土中的气泡间距系数的关系如图1、图2所示。当气泡间距小于等于0.2
mm时，混凝土具有优良的抗冻融耐久性。试验结果显示，无论是处于塑性状态还是硬化状态，当混
凝土含气量大于等于4%时，气泡间距小于等于0.2mm，这一试验结果优于常用非聚羧酸类引气剂。但对同一组混凝土而言，硬化混凝土比塑性混凝土气泡间距系数略大，因为混凝土含气量不仅在塑性状态存在经时损失，而且在成型时尺度较大的气泡将消失。

图1　塑性混凝土含气量与气泡间距系数关系曲线