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引气剂对混凝土性能的影响
引气剂对混凝土性能的影响Effect of air entraining agent on concrete performance学科专业 ： 土木工程 课程名称 ： 土木工程材料 任课教师 ：结课时间 ： 2014年12月 年级 ： 第一文库网 2014级土木工程研究生学号 ： 研究生姓名 ： 成绩 ：引气剂对混凝土性能的影响摘要 引气剂是常用的混凝土外加剂之一，许多文献表明掺加引气剂不仅能够改善混凝土的工作性，而且还能够提高混凝土的耐久性，增加混凝土的使用寿命，特别是在易侵蚀、冻融的环境中。引气混凝土是混凝土结构耐久性要求发展的必然方向。本文系统研究了引气对混凝土的早期抗裂性能及混凝土耐久性的影响；采用新老混凝土黏结复合立方体试件，通过快速冻融试验，对在界面剂和新混凝土中掺加引气剂的新老混凝土黏结面的冻融劈裂抗拉性能进行了试验研究；论述了引气剂对新拌混凝土和硬化混凝土性能的影响，如流动性、离析、泌水和可泵性，以及抗冻性、抗除冰盐性、抗盐结晶压和碱集料反应破坏等，指出引气剂是发展高性能混凝土的必备外加剂；探讨了混凝土的渗透性与混凝土耐久性的关系和引气与耐久性之间的关系。研究引气剂对砂浆和混凝土流变性能影响，对混凝土耐久性的影响研究具有重要的实用价值和理论意义。关键词：引气剂；混凝土；流变性能；抗冻融性能； 中图分类号：TU528.01 文献识别码：A 文章编号：Effect of air entraining agent on concrete performanceSong Jinwei(College of Civil Engineering and Mechanics , Yanshan University, Qinhuangdao 10216, Hebei）Abstract ： Air entraining agent is one of concrete admixtures used，many literatures indicate that air entraining agent not only can improve the concrete workability，but also can improve the durability of concrete，increase the service life of concrete，especially in the easy erosion，freeze-thaw environment. Air entraining concrete is the concrete structure durability requirements of the inevitable direction of development.This paper systematically studies the air entraining concrete early cracking resistance and to affect the durability of concrete； using new and old concrete bonding composite cubic specimens，by rapid freeze-thaw test，in the interface agent and new concrete adding lead bonding of new to old concrete surface gas agent freeze-thaw splitting tensile properties were studied； discusses the influence of air entraining agent on the properties of fresh concrete，such as flowability，segregation，secrete water and can pump，and the frost resistance，anti deicing salt resistance，salt crystallization and alkali aggregate reaction damage，and points out that the air entraining agent is essential additives development of high performance concrete is discussed； the relationship between the permeability and durability of concrete and air entraining concrete with durability.Study of air entraining agent on the rheological properties of mortar and concrete influence，has important practical value and theoretical significance to the study of effects of concrete durability.Keywords： air entraining agent； concrete； rheological properties；freeze-thaw resistance引 言20世纪30年代，混凝土外加剂技术开始被逐渐采用，它在很大程度上提高了混凝土的耐久性、强度与适用性。如今，外加剂已经成为混凝土中必不可少的第五元素。近几年，随着高性能混凝土(HPC)的不断发展，混凝土的耐久性也被日益重视，引气剂的研发和生产逐步变成整个外加剂领域的一个热点。自美国于1937年首创了松香树脂酸类引气剂——“文沙”(Vins01)树脂，并于1938年获得专利，各国也相继发表了有关的研究成果，并制定了相关的引气剂标准规范。“文沙”树脂最初主要被应用于提高寒冷地区路面混凝土和大坝混凝土的抗冻性。自上世纪40年代，引气剂得到了快速的发展，种类越来越多、性能越发完善，并在现代混凝土中占据了不可替代的作用。如：北美、北欧、日本等发达地区和国家都十分重视混凝土工程的耐久性，早已普遍推广了各种引气剂技术，据不完全统计，这些地区和国家约有80％以上的混凝土工程都采用引气剂，尤其是水工、港工和桥梁等重要工程中更是明文规定必须要掺引气剂。20世纪50年代，我国开始研发引气剂，在70年代以后，引气剂的科研、生产和应用取得了许多重大进展，但产品的性能和质量与国外同类产品相比，还存在一定差距。同时，国内不少工程对引气剂的使用仍有顾虑，因害怕含气量会影响混凝土强度，一度限制引气剂的使用范围，能不掺的就尽量不掺，这就不利于耐久性的改善，影响工程结构的安全使用寿命。另外，大量的施工单位反映松香类引气剂稳定性欠佳，影响工程质量而不愿意使用；同时，研制和生产单位也受到市场经济效益影响(研发成本高、市场小)，而不愿意研制和生产；这些都极大地制约了引气剂的推广应用。1 引气剂的分类及作用机理1.1引气剂的分类从化学结构来看，引气剂其实是一种表面活性剂，具有起泡、乳化分散、浸润等性能。如果从表面活性剂理论来分类，引气剂可以分为阴离子、阳离子、非离子和两性离子等类型。但是，在实际的丁.程应用中，大多数引气剂均属于阴离子表面活性剂，而且过去应用在混凝土中的表面活性剂的种类有限，因此，引气剂的种类在混凝土领域中，一般都是根据生产引气剂的原料来划分的[15]。主要可分为以下几种： (1)松香类引气剂：通过不同各种工艺对松香进行改性得到的松香衍生物，根据不同的改性方法可分为松香阜类和松香热聚物类引气剂。(2)院基苯 酸盐类引气剂：一般是焼基苯用浓硫酸、发烟硫酸或液体三氧化硫作为 化剂而制得的产品，主要有烧基苯磺酸钠和院基硫酸钠。(3)阜苷类引气剂：最初是从多年生乔木阜荚树果实阜角或阜荚中提取出来的一种辛辣刺鼻的物质，其主要成分为三略试，引气性能较佳。(4)脂肪醇碌酸盐类引气剂：主要有脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙稀碌酸钠和脂肪醇硫酸钠等。其中脂肪醇聚氧乙稀醚简称醇醚，是非离子型表面活性剂中发展较快，用量较大的品种。(5)其它：主要有蛋白质盐、石油 酸盐和一些具有较强引气功能的减水剂等。其中引气减水剂主要有改性木质素礎酸盐和聚焼基芳基磺酸盐。 1.2引气剂的作用机理引气剂的首要功能是引入气泡，其次还有分散和润湿的作用。不同引气剂的分子结构不同，其起泡性和稳泡性存在差异，影响起泡性能的主要因素主要有表面张力、表面电荷、表面粘度以及气体的透过性。大部分引气剂均为阴离子表面活性剂，存在憎水基团和亲水基团，在混凝土水泥一水一气组成的界面上，憎水基向空气一面定向吸附，亲水基与水泥颗粒和水化粒子相吸附，在水泥颗粒及其水化粒子表面上形成憎水化吸附层，这种吸附层在憎水基的作用下力图靠近空气表面，引气剂在这种多重界面上的吸附作用显著降低了水的表面张力，使在搅拌过程中混凝土能引入大量的气泡，且这些气泡带有相同的电荷，相互排斥，因此这些气泡能均勻分布在混凝土中如果盐的含量较高，引气剂会使韩盐产生沉淀并吸附在气泡的液膜表面，增加了气泡膜的厚度，有效防止了气泡的破灭，提高了气泡的稳定性。稳泡性的另一个影响因素是气泡周围形成泡膜的机械强度，引气剂分子链的长短及其分子量的大小与泡膜的机械强度密切相关，分子链愈长，分子量愈大，分子间的范德华力愈大，相应其气泡膜的机械强度也就愈大。除此之外，泡膜粘度对气泡稳定性也有一定影响，泡膜粘度表示其流动性，粘度小的泡膜流动性较好，搅拌时容易产生气泡，但这样的气泡的泡膜一般比较薄易破裂，因此引气剂要达到较佳的引气效果，要求其拥有较好的起泡性能和稳泡性能。2 引气剂对混凝土性能的影响2.1 掺引气剂对混凝土抗冻性能的影响引气剂及高效减水剂的掺入，混凝土中游离水明显减少，均匀细小气泡不但有一定的保温作用，更重要的是可以缓冲受冻水结冰后产生的膨胀应力，减少混凝土冻害。资料表明，掺入引气剂的混凝土抗冻性能可提高8～15倍，从表2-1可以看出掺引气剂混凝土的抗冻性能不但远远高于空白混凝土也高于单掺高效减水剂的混凝土。表1-1 掺用引气剂混凝土的耐久性能Table1-1 Durability of concrete mixed with air entraining agent2.2 掺引气剂混凝土的抗侵蚀性能提高混凝土抗侵蚀能力关键在于提高混凝土密实性及抗渗性能，这也是掺引气剂及高效减水剂混凝土有较好抗侵蚀性能的机理(见图2-1及表2-1)。图2-1 含气量对混凝土耐久性能的影响Fig.2-1 Influence of air content on durability of concrete2.3 掺引气剂对混凝土抗渗性能的影响水灰比是影响渗透性能的主要因素。水灰比越大包围水泥颗粒的防水层越厚，许多拌合水在水泥石中形成相互通连而无规则的毛细孔通道，增加了混凝土的透水性，掺加引气剂及高效减水剂的混凝土水灰比都在0.5以下，甚至可达0.3以下，混凝土中孔隙率改变，加之引气剂产生的细小均匀独立而不相通的气泡，有效地隔断了混凝土中的毛细孔通道，防止水分渗透。我们采用多种方法测试表明，掺用引气剂的混凝土抗渗标号可达S12以上，即在2 MPa以上水压下也不会透水。工程实践说明，以引气剂及减水剂配制的混凝土无需再采用其它防水措施，即可达到防水抗渗目的，经济效益十分可观。2.4 掺引气剂对混凝土抗碳化性能的影响引气剂的掺入使混凝土提高了抗渗性，因而降低了侵蚀气体和液体的侵入作用，使得与抗渗性有关的混凝土抗碳化性和抗化学腐蚀 ( 如抗硫酸盐侵蚀) 均有所提高。由于混凝土中存在大量的封闭的微小气泡可以为膨胀反应物提供容纳空间，作为体积膨胀的“缓冲阀”而降低和延缓其他物理膨胀 ( 如盐晶体结晶压等) 和化学膨胀 ( 如碱骨料反应等) 引起的混凝土破坏。混凝土耐久性的改善程度与混凝土的含气量，引气剂的种类以及气泡的分布有很大关系，各国引气混凝土适宜含气量推荐值见表2-2。试验资料表明，掺引气剂及减水剂的混凝土孔隙率小，混凝土密实，加之细小气泡。可使混凝土碳化速度降低，提高了混凝土抗碳化性能，减少了钢筋锈蚀危害。表2-2 各国引气混凝土适宜含气量Table 2-2 countries air entraining concrete suitable for gascontent2.5 改善了混凝土的和易性引气剂能在混凝土中引入大量均匀分布、相互独立的类球形微小气泡，它们在混凝土中起到了滚珠的作用，增加了浆体体积、浆体粘度，使混凝土拌和物的和易性得到了极大的提高，坍落度与含气量关系如图2-2所示。引气剂具有一定的减水作用，在用水量一定的情况下，掺入引气剂可以提高混凝土的坍落度； 或在坍落度和单位水泥用量相同的情况下，掺入引气剂可以减少单位用水量，从而增加了混凝土的密实性，提高了混凝土的耐久性。在掺入引气剂后，增加的气泡使得混凝土的内聚力和均匀性都增加，气泡黏结着固体颗粒可以减小其下沉的趋势，同时也减小水的流动进而降低了混凝土的泌水和离析。图2-2 坍落度与含气量关系Fig.2-1 The relationship between slump and air content2.6含气量与强度图3显示了混凝土7d抗压和抗折强度随含气量的变化规律。由图2-3a可看到，混凝土抗压强度随含气量增加逐渐下降，同含气量下，第1组混凝土的抗压强度比第2组高；而从图2-3b可看到，当含气量小于6%时，随着含气量的增加，混凝土抗折强度不仅没有明显的下降趋势，反而略有提高。含气量对混凝土强度的影响。图2-3a 含气量与混凝土7d抗压强度Fig. 2-3a containing gas and compressive strength of concrete7d图2-3b 含气量与混凝土7d抗折强度Fig.2-3b content and flexural strength of concrete 7d3 冻融时引气剂对新老混凝土黏结面劈裂抗拉性能的影响通过对试验结果的分析，得出以下结论：(1)在界面剂中掺加引气剂可以显著改善新、老混凝土黏结面的抗冻性能。对所试验的试件，在其它条件相同时，掺加引气剂后，黏结面的抗冻能力可提高一倍以上；(2)界面剂中加入引气剂后产生的大量均匀、稳定、互不连通的微小气泡，使新、老混凝土黏结面的饱水度降低，冰冻过程中，这些微小气泡将缓解水结冰产生的体积膨胀压力，避免生成破坏应力，提高了黏结面的抗冻性能；(3)新、老混凝土黏结面的劈裂抗拉强度随冻融循环次数的增加呈下降趋势。在界面剂和新混凝土中加入引气剂的新、老凝土黏结面与未掺加引气剂的相比，黏结面劈裂抗拉强度随冻融循环次数增加呈下降的趋势变缓。图3-1 未掺加引气剂黏结面劈拉强度随冻融次数的变化 Fig.3-1 without air entraining agent bonding surface splittingtensile strength varies with the number of freezing and thawing图3-2 掺加引气剂黏结面劈拉强度随冻融次数的变化 Fig.3-2 Air entraining splitting tensile strength varies with thenumber of freezing and thawing agent binding surface4 引气剂对混凝土和砂浆流变性的影响4.1 引气剂对砂浆流变性的影响对于同种引气剂，引气剂溶液的表面张力随溶液浓度的增大而降低，降低趋势逐渐变缓；溶液的起泡性能和消泡时间随溶液浓度的增大而增加，随溶液表面张力的降低而增加。低流态时，引气剂均大幅提高了砂浆的流动度，且流动度随引气剂的掺量增加而增大。高流态时，引气剂略微降低了砂浆的流动度，且流动度随着引气剂掺量的增加而稍有降低，最后趋于稳定。以上几种现象均可能是引气剂引入气泡的滚珠轴承作用和塑性粘度提高双向作用的结果。引气剂不改变砂架的Bingham(n=l)流体模型。引气剂提高了砂浆的屈服应力和塑性粘度。 4.2 引气剂对混凝土流变性的影响高性能混凝土的用水量较低，流动性好，抗离析能力高，填充性能优异。高性能混凝土针对不同用途要求，以混凝土结构耐久性为主要目标。引气剂能改善混凝土拌合物的工作性，大幅提高混凝土结构的耐久性。因此，引气剂是高性能混凝土必不可少的外加剂之一。由图4-1可知，随着引气剂掺量的提高，髙性能混凝土屈服应力和塑性粘度也相应增大。混凝土坊落度随引气剂掺量的提高而稍有降低，这也是混凝土拌合物屈服应力提高的一种外在表现。图4-1 引气剂对高性能混凝十流变性能的影响 Fig.4-1Effect of air entraining agent for high performancecoagulating ten rheological properties5 结论通过大量工程实践及检测资料表明，以适当引气剂所配制的高强HPC主要技术性能完全高于以高效减水剂与其它外加剂配制的高强混凝土，主要表现在： (1)混凝土流动性更好，保水性改善，保塑性更好，能进一步降低混凝土坍落度经时损失率。(2)混凝土抗冻、抗渗、抗碳化等耐久性能不但高于空白混凝土，也远远高于单掺高效减水剂的混凝土。 (3)随着新拌混凝土含气量的增大，混凝土抗压强度降低，在一定含气量范围内，抗折强度略有提高，混凝土折压比增大。在相同抗压强度的情况下，引气混凝土的抗折强度明显高于非引气混凝土。对于以弯拉强度为主要指标的混凝土，引气剂能大幅提高混凝土强度的利用率。(4)同强度下，引气剂可以显著提高混凝土的抗碳化性能。同水胶比下，随含气量增大，引气混凝土和粉煤灰引气混凝土的抗碳化性能有所下降。(4)在界面剂中掺加引气剂可以显著改善新、老混凝土黏结面的抗冻性能。对所试验的试件，在其它条件相同时，掺加引气剂后，黏结面的抗冻能力可提高一倍以上。(5)界面剂中加入引气剂后产生的大量均匀、稳定、互不连通的微小气泡，使新、老混凝土黏结面的饱水度降低，冰冻过程中，这些微小气泡将缓解水结冰产生的体积膨胀压力，避免生成破坏应力，提高了黏结面的抗冻性能。参 考 文 献[1] 李平先,张雷顺,赵国藩.新老混凝土粘结面的抗冻剪切性能试验研究[J].水利学报,)：339-344.[2] Li S,Geissert DG,Frantz G C,Stephens J E.Freeze-thawbonddurability of rapid-setting concrete repairmaterials[J].ACI Materials Journal,)：242-249.[3] Geissert D G,Li S,Frantz G C,Stephens J E.Splitting prismtestmethod to evaluate concrete-to-concrete bond strength[J].ACI Materials Journal,)：359-366. 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