聚羧酸類混凝土引氣劑的工程技術(shù)

摘要：針對(duì)高性能混凝土高施工性、高耐久性要求，通過摻用具有梳型結(jié)構(gòu)的聚羧酸類引氣劑實(shí)現(xiàn)高性能混凝土，研究了聚羧酸類引氣劑對(duì)混凝土含氣量、氣泡間距系數(shù)、工作性、強(qiáng)度和抗凍融耐久性的影響及其與減水劑的相容性，分析了聚羧酸類引氣劑改善混凝土性能的機(jī)理。研究表明：聚羧酸類引氣劑在摻量為0.006%時(shí)，混凝土含氣量和氣泡間距系數(shù)便可滿足高性能混凝土工程使用要求；該類引氣劑與常用混凝土減水劑、緩凝劑相容，可與減水劑、緩凝劑復(fù)合使用；除引氣作用外，聚羧酸類引氣劑還具有塑化和保塑作用，尤其適用于低水膠質(zhì)量比混凝土，可在不降低混凝土強(qiáng)度的情況下，提高混凝土抗凍融耐久性。因此,聚羧酸類引氣劑可用于配制高性能混凝土和自密實(shí)混凝土。

　　自從水泥問世以來，水泥混凝土科學(xué)技術(shù)史上發(fā)生了2次革命性的飛躍：1940年代引氣概念的提出是混凝土技術(shù)的一次突破；高效減水劑的應(yīng)用對(duì)高性能混凝土、自密實(shí)混凝土等新型混凝土生產(chǎn)和應(yīng)用產(chǎn)生了重要影響[1]。目前,發(fā)達(dá)國家?guī)缀踉谒械幕炷两Y(jié)構(gòu)中都采用引氣混凝土，除提高混凝土抗凍融和抗除冰鹽破壞的能力外，引氣還可以改善混凝土工作性和硬化混凝土的氣泡結(jié)構(gòu)、降低水膠質(zhì)量比、減輕混凝土泌水、離析,使其更加致密、滲透性降低，因而可抵御各種侵蝕性離子的破壞作用[2]。引氣劑的副作用是降低混凝土強(qiáng)度,通常強(qiáng)度降低幅度為10%～20%，但強(qiáng)度降低可通過減少細(xì)集料和水的用量加以補(bǔ)償[36]。引氣劑多為表面活性物質(zhì)，分布于氣液界面,使水的表面張力降低、氣泡易于形成并穩(wěn)定.松香熱聚物是常用的引氣劑品種，其缺陷是氣泡直徑較大、性能不穩(wěn)定，與某些減水劑、緩凝劑相容性較差，常導(dǎo)致引氣劑分離或附壁。本文根據(jù)高性能混凝土對(duì)引氣劑性能的要求，參照梳型高分子設(shè)計(jì)理論，合成了聚羧酸類引氣劑并對(duì)該品種引氣劑的工程性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

　　1　原材料與試驗(yàn)方法

1.1　原材料

　　膠凝材料:P.I5215級(jí)水泥和Ⅰ級(jí)粉煤灰(FA)(中國海螺)；預(yù)水化粉煤灰(PFA)和礦渣微
粉(SL)(課題組自制)，化學(xué)成分如表1所示。

表1 膠凝材料的化學(xué)成分

集料：細(xì)度模數(shù)2163的中砂;粒徑5～25mm的石灰石碎石。

外加劑：聚羧酸系減水劑和聚羧酸類引氣劑(課題組合成)；高濃型萘系減水劑(江蘇交科建材技術(shù)有限公司)；JC22000保塑劑；PC22松香類引氣劑；木質(zhì)素磺酸鹽減水劑；糖蜜減水劑。

1.2　試驗(yàn)方法

1.2.1　聚羧酸類引氣劑的應(yīng)用技術(shù)

　　控制混凝土中膠凝材料用量為350kg/m3，摻用礦物外摻料時(shí)，礦物外摻料等量取代20%水泥；砂率42%；水膠質(zhì)量比0145；通過調(diào)節(jié)聚羧酸系減水劑摻量，控制混凝土坍落度；引氣劑摻量為0～0.0.8%。參照GB8077—2001《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》測定新拌混凝土含氣量。調(diào)節(jié)新拌混凝土坍落度為17～19cm，分別測定了新拌混凝土和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的硬化混凝土含氣量與氣泡間距系數(shù)。對(duì)比試驗(yàn)了聚羧酸類引氣劑、PC22松香熱聚物引氣劑與木質(zhì)素磺酸鹽減水劑、糖蜜減水劑的相容性。試驗(yàn)時(shí)，引氣劑∶減水劑∶水為5∶50∶45.11212　摻聚羧酸類引氣劑混凝土的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)采用上述水泥、砂、石和配合比,摻用占水泥質(zhì)量014%的高濃型萘系高效減水劑，引氣劑摻量為0.005%、0.007%和0.009%，摻用JC—2000保塑劑0.003%、0.006%、0.009%，測定新拌混凝土初始和60min坍落度.固定膠凝材料用量為400kg/m3,分別以20%預(yù)水化粉煤灰和礦渣微粉取代水泥，取水膠質(zhì)量比0.35,0.40和0.45，每一配比的混凝土中引氣劑摻量分別為膠凝材料用量的0.008%、0.010%和0.012%，控制混凝土坍落度為7～9cm。混凝土試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和經(jīng)300次凍融循環(huán)的相對(duì)動(dòng)彈性模量測定。測定抗壓強(qiáng)度時(shí)，對(duì)比試驗(yàn)了非引氣的基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度。

　　2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　聚羧酸類引氣劑摻量

　　由試驗(yàn)結(jié)果可知，在較低摻量(0.006%)時(shí)，混凝土含氣量便可滿足正常使用要求(3%～
4.5%)。通常情況下，混凝土引氣劑摻量為膠凝材料用量的0.01%～0.015%，而聚羧酸類混凝土引氣劑在該摻量下的引氣量達(dá)到6.1%～8.6%，可滿足特殊使用要求(見表2)。

表2　引氣劑含量與引氣劑摻量的關(guān)系(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

由試驗(yàn)結(jié)果可知,礦物外摻料對(duì)聚羧酸類引氣劑的引氣效果存在一定影響。粉煤灰中含有少量的
未燃碳，會(huì)吸附引氣劑分子，使引氣量下降0.5%～1.7%；預(yù)水化粉煤灰和礦渣微粉不僅能夠改善新拌混凝土的工作性，而且有助于聚羧酸類引氣劑引氣效果的發(fā)揮，分別使混凝土含氣量增加0.3%～0.9%和0.2%～1.1%，因?yàn)轭A(yù)水化粉煤灰中含有部分低溫熟料礦物，可促進(jìn)聚羧酸類引氣劑的吸附分散作用，而礦渣微粉可使引氣劑表面活性作用增強(qiáng)。

2.2　聚羧酸類引氣劑與普通減水劑的相容性

試驗(yàn)結(jié)果表明：松香熱聚物與木質(zhì)素磺酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈣以及糖蜜混合后產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),所生成的物質(zhì)屬于皂化物類，漂浮在混合溶液表面，使溶液渾濁，大幅度降低了松香熱聚物的引氣作用。而聚羧酸類引氣劑與木質(zhì)素磺酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈣以及糖蜜則具有較好的化學(xué)相容性。

2.3　含氣量與氣泡間距系數(shù)

混凝土含氣量與混凝土中的氣泡間距系數(shù)的關(guān)系如圖1、圖2所示。當(dāng)氣泡間距小于等于0.2
mm時(shí)，混凝土具有優(yōu)良的抗凍融耐久性。試驗(yàn)結(jié)果顯示，無論是處于塑性狀態(tài)還是硬化狀態(tài)，當(dāng)混
凝土含氣量大于等于4%時(shí)，氣泡間距小于等于0.2mm，這一試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于常用非聚羧酸類引氣劑。但對(duì)同一組混凝土而言，硬化混凝土比塑性混凝土氣泡間距系數(shù)略大，因?yàn)榛炷梁瑲饬坎粌H在塑性狀態(tài)存在經(jīng)時(shí)損失，而且在成型時(shí)尺度較大的氣泡將消失。

圖1　塑性混凝土含氣量與氣泡間距系數(shù)關(guān)系曲線