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 产品介绍-》慕湖产品

1040 AE 2 型引气剂
Air entraining admixture

  产品符合 GB8076 — 1997 混凝土外加剂标准中引气剂标准。本产品能显著的改善混凝土的和易性、降低混凝土的离析、泌水,提高可泵送性,提高混凝土的抗冻性、耐久性。本品克服了其他引气剂产品溶解性差、使用不方便、抗压强度损失大等缺点。

—、使用范围
1 .本品可作为复配泵送剂、引气减水剂、防冻剂等外加剂中的引气组分。
2 .本品可用于改善混凝土的塑性、和易性,降低混凝土的离析、泌水要求的混凝土工程。
3 .用于水工、港工等有抗冻性、耐久性要求的混凝土工程。
4 .用于建筑砂浆及轻质发泡混凝土等。

二、产品特点
1 .本产品固体为黄褐色粉末,易溶于水,也可干掺使用。
2 .本品在混凝土中引入的气泡小 (5~200um) 且稳定,细微气泡在混凝土中分布均匀,使混凝土抗压强度损失小、并能有效提高混凝土的抗折强度。
3 .在不同的介质上稳定,与其他类外加剂有良好的配伍性能。

三、使用说明
1 .本品于复合外加剂中用于泵送混凝土,一般掺量为 0.5 ~ 2.0/ 万。
2 .对耐久性和抗冻性有要求的混凝土掺量为 1.0 ~ 3.0/ 万。
3 .由于混凝土含气量受施工所用的水泥、砂、石、掺合料、混凝土的配合比以及施工温度有关。当混凝土中含有粉煤灰、超细粉等消泡性组分时,引气剂掺量应适当提高。上述掺量仅为参考用量,具体用量应根据工程实际情况作混凝土配合比试验后确定。

四、包装及贮存
固体产品用内衬塑料编制袋包装, 25kg / 袋。
   有效贮存期为一年,贮存于有棚库类,防潮、防晒、防冻 ( 若已结冻,融解后不影响质量 ) 。运输、装卸轻举轻放,以防包装破损。

产品出厂检验报告单

检验项目

检测标准

检测结果

外观

淡黄色粉剂

淡黄色粉剂

PH 值

8. 0 ± 1.0

8.2

减水率

≥ 6%

8.2

含气量

≥ 3%

3.5

判定

合格

备注

本品按 GB807 6 — 1997,GB/T8077 — 2000 检验 ,( 掺量 0.015%)

  引气剂通常是表面活性剂,具有长链分子结构的有机化合物,其一端含有亲水基团,另一端含有憎水基团。因此,研制新型引气剂首先就要探寻新型的两性基团共存型分子结构表面活性物质。
   AE 2 引气剂是从含三萜皂甙的天然植物中提炼获得。该引气原理是由三萜皂甙的分子结构决定的。三萜皂甙主要由单糖基、甙键和甙元基组成。单糖基中的单糖有很多羟基( -OH )能与水份子形成氢键,因而具有很强的亲水性,是一个亲水基团;而甙元基中的甙元具有亲油性,是憎水基团。因此三萜皂甙是一个既含亲水基团又含憎水基团的两性分子。当三萜皂甙溶于水后,分子就定向排列在气——液界面上,降低了溶液的表面张力,从而使新界面或气泡的产生变行更容易。
   AE 2 引气剂主要目的是提高混凝土的抗冻性和抗盐冻剥蚀性。同时,它也就是显著改善新拌混凝土的许多性能,如降低离析和泌水、改善工作度等,从而提高混凝土的可泵性、综合质量和其它耐久性。因此 AE2 引气剂可以广泛应用于水工结构、公路、道路、桥梁、建筑、地下结构、机场跑道等几乎所有的商品混凝土和现浇混凝土工程中。

性能指标:
( 1 )一种新型高效引气剂,经中国水利水电科学院检测表明其各项性能均满足国标 GB8076-1997 中对引气剂一级品的指标要求。经国际权威学者,瑞典 LUND 大学 Fagerlund 教授的实验室检测,其各项性能均不低于国际著名品牌 VINSOL 引气剂。经查新和 FagerlundF 教授确认, AE 2 引气剂在国际上属首创。
( 2 )检测表明该引气剂可提高混凝土抗冻性 10 倍以上。
( 3 )在相同水泥用量和塌落度的条件下,当混凝土含气量小于 4% 时,混凝土抗压强度不因引气而降低;抗折强度不仅不降低,且有较大幅度的提高( 1 5 ~ 20% ),折压比提高很多。当含气量在常用值 4 ~ 6% 左右时, AE 2 引气剂引起的每单位含气量混凝土抗压强度损失率小于 3% ;抗折强度仍有提高。
( 4 )提高混凝土抗碱—集料反应、干湿循环、盐结晶压破坏等耐久性。此外, AE 2 引气剂显著降低混凝土的离析与泌水,改善工作性和可泵性。
   目前,已经建成了一条年产 1000 吨 AE 2 新型引气剂的生产线。可 供约 1500 万 M 3 的混凝土使用。迄今已被全国数家混凝土外加剂厂用于生产复合外加剂,先后在广东深汕高速公路、广珠高速公路、江阴长江大桥、芜湖长江大桥、上海奉浦大桥、云峰水电站、鹤岗火电站、东北莲花水。电站、约 80 公里 哈同公路集佳路段等重大工程中广泛应用,大大提高了混凝土工程的施工性能和结构耐久性,给国家带来了不可估量的社会和经济效益。
   我国目前掺引气剂的混凝土仅占混凝土总量的 20 ~ 30 %。而发达国家 ( 日本、北美、欧洲 ) 占 70 ~ 80 %,因此推广应用引气剂有非常广阔的前景。据估计我国混凝土总年生产量约为 2 亿 M 3 ,即有 6000 万 M 3 。掺引气剂,则我国引气剂的年产量应至少为 6000 吨,价值约 1.2 亿元。更重要地,到那时我国 ( 尤其北方地区 ) 的混凝土工程的耐久性将有非常明显的提高,这是为子孙后代造福的事业。
   该引气剂利用野生植物为原料,资源丰富,已建成年产 1000 吨的生产线,近几年来共生产了约 1500 吨,用于工程。如黑龙江省哈同高等级公路集佳段 80 公里 ,解决了除冰盐对公路路面的剥蚀的难题。也用于北方地区大量水利工程,提高了抗冻耐久性。该引气剂已作为泵送剂组份之一,已用于高层建筑的泵送混凝土,提高可泵性。用户反映良好,具有较好的社会效益和经济效益。

1 、产品的物理性质、化学组成和结构
   产品有固体粉状和液状两种。
   粉状产品呈褐色,比重约 1.3 ,水份含量 <5 %,水不溶物微量。产品中含有少量挥发物和糖份。易吸潮,但不影响产品质量和使用。
   液状产品呈棕色,不透明,波美度 2 0 ° ,固体含量 15 %,沉淀物微量。
   产品可与萘系和三聚氰胺系高效减水剂按用户要求比例复合使用,不出现任何异状物质。 AE 2 型引气剂是一种非离子型表面活性物质,其主要成份为三萜皂甙,易溶于水,对酸、碱和硬水有较强的化学稳定性。
   根据红外光谱分析结果,三萜皂甙的结构简式可表示为:

       单糖基             甙键            甙元基

  三萜皂甙分子由单糖基和甙元基两部分通过甙键相连而成。甙元基由两个相连结的甙元组成,一般情况下,一个甙元可以联结三个或三个以上的单糖,形成一个较大的五环三萜空间结构。对其中一个甙元作化学元素分析证明它是一种齐墩果酸。

2 、引气原理
   AE 2 引气剂的引气作用是由三萜皂甙的分子结构决定的。单糖基中的单糖有很多羟基 (-OH) 能与水分子形成氢键,因而具有很强的亲水性,它是一个亲水基团:而甙元基中的甙元具有亲油性,是憎水基团。因此三萜单甙是一个即含亲水基团又含憎水基团的两性分子。
   当三萜皂甙溶于水后,分子就定向排列在气液界面上,降低了溶液的表面张力,从而使新界面的产生变得更容易。若用机械方法搅动溶液,就会产生气泡。由于三萜皂甙分子结构较大,形成的分子膜较厚,气泡壁的弹性和强度较高,气泡保持相对稳定。

3 、引气剂的物理性能和质量指标
3.1 物理性能
   溶液的表面张力随浓度而降低,开始下降趋势较大,随后逐渐变缓。最终降至 40 达因 / 厘米。
   起泡容量和泡沫稳定性按 JGJ56-84 推荐的方法进行,结果见表 l 。
   由试验结果可知, AE 2 引气剂有相当高的起泡能力和泡沫稳定性。 AE 2 引气剂溶液呈弱酸性,在使用浓度下呈中性。

表 l AE 2 引气剂溶液起泡能力和稳定性

溶液浓度
( % )

起泡容量
( ml )

5 分钟后泡沫容量
( ml )

泡沫稳定性
( % )

PH

0.40

52

47

90.4

6.89

0.65

61

55

90.2

6.37

0.80

67

61

91.0

6.01

3.2 质量指标
产品经南京水利科研院材料结构所按我图《混凝土外加剂标准》检测,结果见表 2 。

表 2 AE 2 型引气剂检测结果与我国《混凝土外加剂标准》指标比较

试验项目

实测结果

国家标准指标

符合标准等级

一等品

二等品

减水率( % )

11.0

≥ 6

≥ 6

一等品

泌水率比( % )

49.3

≤ 70

≤ 80

一等品

含气量( % )

5.4

3. 5 ~ 5.5

3. 5 ~ 5.5

一等品

凝结时间( min )一等品

初凝

+44

-6 0 ~ +60

-6 0 ~ +60

一等品

终凝

+49

-6 0 ~ +60

-6 0 ~ +60

抗压强度( % )

3 天

93

≥ 95

≥ 80

合格品

7 天

103

≥ 90

≥ 80

一等品

28 天

94

≥ 90

≥ 80

一等品

90 天

97

≥ 90

≥ 80

一等品

收缩率比( % )

113

≤ 120

≤ 120

一等品

相对耐久性指标

( % )

200 次

200 次

300 次

一等品

98

≥ 80

 

钢筋锈蚀

无害

无害

无害

一等品

4 、使用性能的试验研究

4.1 掺量与含气量的关系
   引气剂掺量由工程要求的塌落度和含气量来决定。 AE2 引气剂掺量与塌落度和含气量的关系见图 1 。
   图 1 中的曲线 1 是按我国标准规定的试验方法得出,混凝土配合比为 C=33 0 ㎏ /m 3 ,砂率 =40% ,细骨料为中砂,粗骨料为碎石,最大粒径为 25 ㎜,塌落度为 6 ± 1cm 。
   曲线 2 是与上海申立外加剂 SP-406 奈系高效减水剂复合的试验结果,中立外加剂掺量为 1.5 % ( 含固量为 32 % ) 。混凝土的塌落度仍保持 6 ± l ㎝ ,配合比参数同曲线 l ,但用水量降低。
   曲线 3 也是与申立 SP-406 型复合的结果,混凝土配合比与曲线 l 的相同,但塌落度为 14.5 ~ 17. 5 ㎝ 。
   从图 l 可见.塌落度大的混凝土,如要达到相同的含气量.引气剂掺量应适当增加。

4.2 与高效减水剂复合
   本产品与高效减水剂复合无任何不良结果,但掺量稍需调整。
本产品与高效减水剂复合的方式有两种:
(1) 按用户要求的含气量,在外加剂生产过程中加入引气成份。
(2) 可在搅拌站.根据工程要求,按一定比例加入高效减水剂溶液中。

4.3 瑞典 LUND 大学测试结果
   本产品送交国际上抗冻性研究的权威学者 LUND 大学 FAGERLUND 教授主持的材料研究机构,并与国际通用的老牌产品 VINSOL 作比较试验。检验方法按欧洲通用标准 CEN/'TC51/WGl2/TG4 : 6/94 ,也是目前 RILEM TCIl7-FCD 推荐方法进行,试验结果将由 LUND 大学与我们共同发表 ( 现尚未发表 ) 。

检测结果表明:
(1)AE 2 型引气剂为国际上一种新型引气剂,以三萜皂甙为主要成份的引气剂迄今还未见其它产品。
(2) AE 2 型引气剂与 VINSOL 的抗冻性效果相同。
(3) 按照瑞典混凝土设计要求.保持混凝土水灰比不变,塌落度变化。 AE 2 型引气剂对混凝土强度的降低效果优于 VINSOL( 单位含气量引起的证度降低小 ) ,见图 2 。
(4) 当含气量≥ 5 %时.气泡间距小于 100um 。含气量为 6 %时,气泡间距约为 80um 。

5 、 AE2 引气剂的使用

  AE 2 型引气剂自 1987 年起在国内试用, 1990 年起投入市场,销量逐步增加,迄今己在约 5 亿万 M 3 混凝土中使用。据我们知道的使用工程有:深汕高速公路、黑龙江省一些高级公路、东北莲花水利枢纽工程、鹤岗新华电站、贵州中小水电工程、许多外加剂厂用作混凝土泵送剂的复合辅助材料等等。从用户反馈的信息看,用户对质量都表示满意,迄今未发现有任何质量问题。

本引气剂的用途:
(1) 对耐久性 ( 特别是抗冻耐久性 ) 要求高的混凝土结构,如水坝、高级公路、热电站冷却塔、水池等;
(2) 北方撤除冰盐的混凝土公路及桥梁;
(3) 对施工和易性要求较高的混凝土工程;
(4) 泵送混凝土;
(5) 与减水剂复合 ( 因目前其它一些国产引气剂与减水剂复合存在某些困难 ) 。

本产品的优缺点:
(1) 本引气剂的气泡结构较好,产泡半径较小,因此抗冻性指标较高,强度降低相对较小。
(2) 水溶性极好,施工使用方便。
(3) 与减水剂、缓凝剂复合性能较好。
(4) 本产品的缺点是有些刺鼻,但无害,配制人员请戴口罩。易潮解结成小团,但在水中即溶解,不影响使用效果。

请用户注意:
(1) 图 1 所给出的数据可供参考,用户应根据工程要求做配合比试验。
(2) 本产品减水率较高,在与不掺引气剂的对比试验时,为保持塌落度不变,应减小用水量和水灰比。
(3) 本产品在掺量为 0.0 1 ~ 0.02 %时.强度降低很小.当使用掺量较大时,在配合比设计时要考虑对强度的影响。
(4) 当混凝土中掺有粉煤灰时,为得到相同含气量,引气剂掺量要适当增加,因为粉煤灰会吸附引气剂 ( 所有引气剂都如此 ) 。引气剂掺量的掺量与粉煤灰质量和掺量有关。

AE 2 型引气剂建议掺量

条件

含气量 (%)

掺量 (1/ 万 )

不掺减水剂
坍落度 4 ~ 6 ㎝

2

0.5

3

1.0

5

1.5

7

2.5

复合掺高效减水剂
坍落度 5 ~ 8 ㎝

3

1.0

5

2.0

6

3.0

复合掺高效减水剂
坍落度 14 ~ 16 ㎝

3

2.0

5

4.0


一、
AE 2 新型引气剂的合成工艺与产品性能
1.1 引气剂
   是混凝土防止受冻破坏的必要组分,也是混凝土外加剂中的一个重要的独立品种。除了化学引气外,绝大多数引气剂都是属于表面化学活性剂,即可以降低水的表面张力,使搅拌时容易产生气泡。
   大多数引气剂是石油化工、制纸浆和造纸工业和其它一些工业的副产品。目前,引气剂最常用的化学组分有四类:
(1) 松香树脂类的钠盐化合物;
(2) 脂肪酸盐类化合物;
(3) 磺化碳氢化合物;
(4) 烷基一苯甲基磺酸盐类化合物。
   在混凝土中掺加引气剂能显著改善混凝土抗冻耐久性已为混凝土学术界和工程界所共认。在西方发达国家,大多数混凝土都掺有引气剂。目前国外通用的商品引气剂主要是美国产的 Vinsol 松香热聚物引气剂,其生产使用历史已有 50 余年,性能质量较好,但价格较贵。
   国内传统商品引气剂多数为松香皂型,也有少数松香热聚物型产品,但产品质量均不能与 Vinsol 引气剂相比,存在性能不稳定、溶解性差、与其他外加剂复合性差、对混凝土强度降低较大等缺点,因此也影响了引气剂在国内混凝土工程中的应用。研究开发一些性能优异、质量稳定、使用方便、技术经济效果优越的新品种引气剂将对促进引气的应用,以及提高混凝土质量和综合耐久性,特别是混凝土抗冻性和抗盐冻性具有很大的意义。
   AE 2 引气剂是一种独特的新型引气剂,它是从天然野生植物皂荚中提炼出的一种表面活性剂。该引气剂具有水溶性强、与任何其他外加剂复合性好、引入气泡平均孔径小,对混凝土强度降低较小等特点,是一种在国内混凝土工程中极有应用前景的优质引气剂。

1.2 原料及生产工艺
1.2.1 原料
   生产 AE 2 引气剂的原材料有别于所有国内外现有的引气剂品种,不用化工原料,以我国分布极广的天然野生植物皂荚为主要原料,原料来源广。 AE 2 引气剂的主要成分为三萜皂甙。据中科院植物所提供的资料表明,含三萜皂甙的植物在自然界分布很广、种类多,在我国就有 58 科计 205 种,生长遍及全国各省的山区和丘陵地带。这些天然原料主要是含皂素类的植物,包括植物的茎叶、果荚、果核和某些林业产品的加工残渣,如皂荚、木花生、文冠果、茶籽饼、桐夫等。

1.2.2 生产工艺
   AE 2 型水溶性引气剂产品主要由三萜皂甙与少量改性化学物质混合而成。它的生产原理主要是利用三萜皂甙易溶于水和乙醇的特性,从植物原料中溶出三萜皂甙成份,然后经与残渣分离、浓缩精制而成。根据生产条件不同,可分别采用“水溶法”和“乙醇法”两种工艺生产,见图 1 。


从以上工艺流程可以看出,两种方法的主要步骤都是通过把植物有效成份溶出、浓缩和混合
图 1 AE 2 引气剂的生产工艺流程

  干燥,整个过程都是物理作用,不涉及化学反应,更没有强酸、强碱等腐蚀性化学物质存在,因此生产工艺控制简单、操作方便,具有很广泛的适用性。另外,生产过程中除了排出植物残渣外,几乎没有其它污染物产生。即使是植物残渣,其晒干后也可作为燃料使用。

1.3 产品的物理性质、化学组成和结构
(1) 物理性质
   AE 2 引气剂产品有固体粉状和液状两种。粉状产品呈褐黄色,比重约为 1.3 ,水份含量小于 5 %,水不溶物微量,产品中含有少量挥发份和糖份。产品易吸收空气中的水份而变潮,但不影响产品质量和使用。
   液状产品呈深棕色,不透明,波美度 20 °,固体含量大于 15 %,沉淀物微量。
   产品水溶性极强,可与任何其他外加剂,如萘系和三聚氰胺类高效减水剂等按用户要求比例复合使用。

(2) 化学组成和结构
   AE 2 引气剂是一种非离子型表面活性物质,其主要成份为有机物三萜皂甙,易溶于水,对酸、碱和硬水有较强的化学稳定性。
   三萜皂甙分子是由单糖基和甙元基两部分通过甙键相连而成。甙元基由两个相联结的甙元组成,一般情况下,一个贰元可以联结三个或三个以上的单糖,组成一个分子量为 600 以上的大分子,形成一个较大的五环三萜空间结构。对其中一个甙元作化学元素分析,证明它是一种齐墩果酸。根据红外光谱分析结果,三萜皂甙的结构简式见图 2 所示。


图 2 AE 2 引气剂成分的结构示意图

1.4 AE 2 引气剂的引气原理
   引气剂通常是表面活性剂,它们为具有长链分子结构的有机化合物,其一端带有亲水基团,另一端为憎水基团。当引气剂溶解于水中,分子就定向排列于气一液界面上,从而大大降低了溶液的表面张力,减小了新相形成能,亦即减小了气泡形成所需的能量,便于气泡形成,更为重要的是引气剂的表面活性物质可在气泡表面形成一层弹性膜,这层弹性膜大大降低了气泡碰撞聚合的可能性,最终可使无数均匀分布的微细气泡保持稳定。因此具有两性基团共存型分子结构的非离子型表面活性物质往往具有引气作用。
   AE 2 引气剂是以植物中的三萜皂甙为主要成分。其引气作用是由三萜皂甙的分子结构决定的。由图 2 可知,三萜皂甙主要由单糖基、甙键和贰元基组成。单糖基中的单糖有很多羟基 (-OH) 能与水分子形成氢键,具有很强的亲水性,它是一个亲水基团;而贰元基中的甙元具有亲油性,是憎水基团。因此三萜皂甙是一个即含亲水基团又含憎水基团的两性分子。
   当三萜皂甙溶于水后,分子就定向排列在气一液界面上,降低了溶液的表面张力,从而使新界面的产生变得更容易。若用机械方法搅动溶液,就会产生大量气泡。在形成的气泡壁上,皂甙分子以单分子层定向排列在气一液界面上形成一层分子膜,由于三萜皂甙分子结构较大,形成的分子膜较厚,使气泡壁的弹性和强度较高,因而有利于气泡保持相对稳定。

1.5 产品性能和质量指标
1.5.1 性能
   引气剂主要性能包括溶液表面张力、起泡容量、泡沫稳定性和 PH 值,为此对上述四项指标进行了试验。
   采用铂环法和滴重 ( 体积 ) 法对产品溶液的表面张力进行测定,结果表明,随着溶液浓度的增大,其表面张力降低,开始时下降幅度较大,随后逐渐变缓,最终可使溶液表面张力降至 40 达因 /cm 以下。
   按 JGJ56 — 84 推荐的机摇法对产品溶液的起泡容量和泡沫稳定性进行测定,结果表明, AE 2 型引气剂
   具有相当高的起泡能力和泡沫稳定性,并随溶液浓度的增大而提高;溶液 PH 值经测定表明,该引气剂呈弱酸性,其 PH 值变化范围约为 5-7 。它们的测定结果见表 1 。

1.5.2 质量指标
   产品经中国水利水电科学研究院实验中心按我国《混凝土外加剂标准 GB8076 — 1997 》和《水工混凝土试验规程》检测,结果见表 2 。引气混凝土的各项性能均达到国家引气剂一等品的指标。其中含气量为 4.5 %的混凝土强度非但没降低反而有所提高,这一点很重要。另外,由于该 AE 2 引气剂是由天然植物直接提炼出来的有机表面活性剂,且提炼过程没有引入任何含氯离子的化学物质,因此对混凝土钢筋锈蚀无害。

表 1 AE 2 型引气剂溶液试验结果( 25 ℃ )

溶液浓度 ( % )

起泡容量 (ml)

5 分钟后泡沫容量 (m1)

泡末稳定性 ( % )

PH 值

0.4

52

47

90.4

6.89

0.65

61

55

90.2

6.37

0.8

67

61

91.0

6.01

1.3

73

69

94.5

5.49

1.6 结论
   AE 2 型引气剂有别于所有国内外现有的引气剂品种,不用化工原料,以我国分布极广的天然野生植物皂荚为主要原料,有机物三萜皂甙为主要成份,是一种独特的新型引气剂。
   AE 2 型引气剂除各项性能指标均达到国家引气剂指标一等品外,还具有水溶性强,施工、使用方便;与其它外加剂复合性好,能作为配制复合外加剂的组成部份; AE 2 型引气剂的起泡能力强,其产生的引气泡细小稳定,对混凝土强度降低很小等优点。

表 2 AE 2 型引气剂检测结果与我国《混凝土外加剂标准》指标比较

检验项目 GB8076 — 1997

检验结果

一等品

符合标准等级

减水率 ( % )

6.2

不小于 6

一等品

泌水率比 ( % )

18.4

不大于 70

一等品

含气量 ( % )

4.5

> 3.0

一等品

凝结时间之差 (min)

初凝

-36

-90~

一等品

终凝

-41

120

一等品

ld

 

 

一等品

抗压强度比 ( % )

3d

111.4

不小于 95

一等品

7d

104.2

不小于 95

一等品

28d

105.7

不小于 90

 

28d 收缩率比 ( % )

89.1

不大于 135

一等品

相对耐久性指标 ( % )

200 次

200 次

一等品

94.4

不小于 80

 

二、 AE 2 新型引气剂对混凝土性能的影响及技术经济分析

2.1 引气剂概述
   混凝土的抗冻性和抗除冰盐剥蚀性能是混凝土耐久性研究领域中最重要的组成部分之一,也是目前我国北方地区混凝土工程所面临的最严峻的问题之一。
   混凝土中通过掺加引气剂,引入大量均匀、稳定而封闭的微小气泡,减缓由于结冰引起的冻胀压力和渗透压力是国内外解决这些问题,大幅度提高混凝土抗冻和抗盐冻耐久性的最有效技术措施。在北美、北欧发达国家早已普遍推广引气技术,据报导他们 80 %以上的混凝土都掺加引气剂,特别在水工、港工、道桥等重要工程更是明确规定了必须掺加引气剂。然而目前国内由于传统引气剂质量欠佳,加上人们对引气剂的应用认识还不足,制约着引气剂在国内混凝土工程的推广应用,致使混凝土工程耐久性,特别是抗冻和抗盐冻耐久性急剧下降。
   AE 2 型优质引气剂的研制成功,无疑是国内混凝土引气剂品种和性能改善上的一大突破。

2.2 试验原材料及试验方法
2.2.1 原材料
   国内试验所用原材料为: 525 # 普通硅酸盐水泥;密度为 2.62g / cm 3 ,细度模数 2.57 的中砂及耐热玻璃砂 ( 用于引气剂改善混凝土碱骨料膨胀破坏效能试验 ) ;密度为 2.74g / cm 3 ,粒径 5~ 25mm 的碎石;引气剂包括本所研制的 AE 2 型引气剂、美国产 Vinsol 引气剂及国内工程中常用的松香热聚物类引气剂 ( 简称 SR 引气剂 ) ;减水剂为 SP--406 萘系高效减水剂。
   瑞典 LUND 大学试验所用原材料为当地硅酸盐水泥和普通砂石。

2.2.2 试验方法
   混凝土拌合物和易性用混凝土拌合物坍落度来评定;新拌混凝土含气量用气压式含气量测定仪测定;混凝土强度试件尺寸为 cm : 1 0 × 10 × 10 ,试件按常规方法搅拌振动成型,空气中静养 1d 后拆模,进入标准养护室水中养护至各个龄期,进行强度测试。
   混凝土抗冻性试验按欧洲通用标准,也是目前 RILEMTCll7 一 FCD 推荐的盐冻方法CEN/TC51/WGl2/TG4:6 /94 进行。

2.3 试验结果与讨论
2.3.1 A E 2 引气剂对新拌混凝土性能的影响
2.3.1 .1 含气量

混凝土含气量是评定混凝土抗冻性和抗盐冻性的主要指标,也是控制混凝土质量的重要参数。混凝土含气量主要由引气剂掺量来决定,但混凝土拌合物流性和超塑化剂的使用对混凝土含气量也有明显的影响。

             
                         AE 2 掺量( % )
  图 1 为 AE 2 型引气剂掺量与混凝土含气量的关系,图中基准曲线是指按国标规定的混凝土外加剂试验方法确定的配合比得出的,其水泥用量为 330kg /m 3 ,砂率为 40 %,拌合物坍落度控制在 6 ± 1cm ;其它两条曲线是在基准混凝土配合比基础上复合 SP--406 萘系高效减水剂的试验结果, SP--406 掺量为 1.5 % ( 含固量 32 % ) ,其中一条曲线高效减水剂是用来减水,维持拌合物坍落度仍在 6 ± lm 左右,另一条曲线高效减水剂是用来增加拌合物的坍落度,约为 14.5~ 17.5cm 。

图 3 AE 2 引气剂掺量和萘系高效减水剂
对混凝土含气量的影响

  由图 3 可见,随着引气剂掺量的增加,混凝土含气量逐渐增大。对基准混凝土,为满足抗冻混凝土要求的含气量, AE 2 型引气剂的常规掺量为 0.2 ‰ ~0.3 ‰。但是,混凝土含气量通常还受其他各种因素的影响,如与其它引气剂一样,超塑化剂与 AE 2 型引气剂的复合使用,将引起混凝土含气量一定程度的损失。由图 3 可见,引气混凝土中掺加萘系超塑化剂时,混凝土的含气量将降低。若通过降低混凝土用水量维持拌合物坍落度不变时,其混凝土的含气量会有较大下降;若大幅度提高拌合物坍落度时,其混凝土的含气量下降幅度更大。因此,为了达到未掺超塑化剂引气混凝土的相同含气量,则要适当增加引气剂掺量。超塑化剂对混凝土含气量的影响包括两个方面:首先,超塑化剂增加了混凝土拌合物流性,从而增大了气泡聚合和逸出的可能性;其二,超塑化剂增加了水泥颗粒间的排斥力,从而削弱了防止气泡聚合逸出的气泡周围水泥浆薄壳作用。
   图 4 为 AE 2 型引气剂掺量一定时,混凝土拌合物坍落度或用水量对混凝土含气量的影响。试验水泥用量为 330kg /m 3 , AE 2 型引气剂掺量为 0.02 %,混凝土拌合物坍落度通过调整用水量来改变。

              
  由图 4 可知,引气剂掺量一定时,由于混凝土用水量的不同,将引起混凝土拌合物坍落度变化,从而影响气泡的形成与稳定,导致混凝土含气量明显的改变。混凝土用水量过低时,由于干硬性或低塑性混凝土拌合物粘度大,使得气泡的形成较困难,混凝土含气量较低;混凝土用水量过大,大坍落度或流态混凝土拌合物中气泡聚合逸出的可能性增大,混凝土振动过程中大量气泡逸出,又使得含气量急聚下降。从图可见,流态混凝土 ( 坍落度在 20cm 左右 ) 如果通过捣棒捣实时,其含气量的损失比机械振动相对减小。

2.3.1 .2 工作性

              
   如同其他引气剂一样, AE 2 型引气剂能显著改善新拌混凝土工作性。引气剂产生的大量微小气泡,在混凝土拌合物起到的滚珠作用,同时大量气泡的存在增加了浆体体积、浆体粘度和屈服应力,因此新拌混凝土的和易性、塑性和内聚性得到显著提高,离析和泌水现象显著降低。从图 5 和表 3 可以看到,在相同水泥用量的条件下,混凝土的坍落度随含气量而增加,即引气可以提高混凝土的流动性;而在相同坍落度条件下,引气可以减少混凝土拌和用水量。引气对混凝土工作性的改善程度远比坍落度增加幅度大。另外,引气还可降低新拌混凝土坍落度损失。在成型过程可以明显发现,引气大幅度降低混凝土的离析和泌水现象。
   随着施工技术和高层建筑的发展需要,混凝土的可泵性能显得越来越重要。实际上,可泵性是混凝土工作性良好的一种特殊表现形式。由于引气增加了混凝土的内聚性和物料间的润滑作用,降低了胀流,混凝土泵送时不会过度离析和泌水,因此引气可提高新拌混凝土的可泵性,特别是由于 AE 2 型引气剂具有极 强的水溶性,与其他外加剂具有很强的复合性能,是配制泵送剂等其它复合外加剂的重要组成部分。

表 3 同水灰比或同和易性条件下引气剂品种对混凝土抗压强度的影响

试样

引气剂掺量(‰)

含气量

( % )

同水灰比条件

同和易性条件

坍落 (mm)

强度 (MPa)

坍落 (mm)

强度 (MPa)

 

7d

28d

 

7d

28d

基准混凝土

0

1.0

60

31.1

41.4

60

31.1

41.4

AE2 引气混凝土

0.1

2.2

75

29.4

39.0

67

32.2

42.5

0.2

4.7

80

25.3

32.8

56

28.6

37.5

0.3

6.8

90

19.9

24.9

50

23.8

32.7

Vinsol

引气混凝土

0.05

2.5

75

28.8

38.1

55

32.0

42.2

0.1

4.8

85

24.6

32.0

52

28.0

38.0

0.15

7.1

90

19.8

25.0

50

24.5

33.3

SR

引气混凝土

0.03

3.7

70

25.9

33.3

 

 

 

0.06

5.6

85

20.5

26.0

 

 

 

0.1

7.7

10

14.3

17.8

 

 

 

2.3.2 A E 2 引气剂对硬化混凝土性能的影响
2.3.2 .1 抗压强度
   大量气泡引起的混凝土抗压强度降低是引气带来的最大缺点,特别当气泡结构较差,存在较多聚合气泡和异形气泡时,其强度损失更大,这对于一些对混凝土强度要求较严的重要工程来说是一个不容忽视的问题。为了探讨 AE 2 型引气剂对混凝土抗压强度的影响程度,选择目前国外有代表性并在国内市场有销售的 Vinsol 引气剂及国内属质量较好的松香热聚物类引气剂 (SR) 作对比,进行了引气混凝土抗压强度对比试验,结果见表 3 。
   表 3 为同水灰比或同和易性条件下分别掺加三种引气剂的混凝土抗压强度测试结果 ( 其基准混凝土配合比按照 GB8076-87 规定的混凝土外加剂试验方法进行设计、试配和调整后确定为:水泥用量 330kg / m 3 ,水灰比 0.58 ,砂率 38 % ) ;图 6 为同水灰比条件下引气混凝土含气量与抗压强度和单位含气量强度损失率的关系;图 7 为同和易性条件下引气混凝土含气量与抗压强度和单位含气量强度损失率的关系。图 8 为在瑞典 LUND 大学的测试结果 ( 按照瑞典混凝土设计要求设计 ) ,其水泥用量为 380kg / m 3 , W / C 为 0.50 , Vinsol 引气剂为液体。
   由表 3 和图 6 可见,同水灰比条件下,随着混凝土含气量的增加,混凝土抗压强度逐渐下降。比较三种引气剂,含气量一定时, AE 2 型引气剂对混凝土抗压强度的降低幅度与 Vinsol 引气剂大致相同,但明显小于 SR 引气剂,可以推测 AE 2 型引气剂所引入的气泡尺寸较小,气泡结构优于 SR 引气剂,从而对混凝土抗压强度影响较小。同水灰比条件下,含气量为 2 % ~7 %时, AE 2 引气剂每增加单位含气量引起的混凝土抗压强度损失率在 2 % ~60 %,比 SR 引气剂低 1 % ~2 %。
   混凝土拌合物中引入大量微小气泡,改善了拌合物和易性。等坍落度条件下,引气混凝土的用水量可降低,从而不同程度弥补由于引气引起的混凝土抗压强度的损失。从表 3 和图 7 可见,等坍落度条件下, AE2 型引气剂和 Vinsol 引气剂效果大致相同,对混凝土抗压强度的降低幅度大大减小,当混凝土含气量低于 3 %,混凝土抗压强度不但没有下降,还略有提高;含气量在满足抗冻混凝土要求的 5 %左右时,单位含气量的混凝土抗压强度损失率不大于 3 %。
   从图 8 瑞典 LUND 大学的测试结果表明, AE 2 型引气剂对混凝土抗压强度的降低幅度甚至小于 Vinsol 引气剂。总之, AE 2 型引气剂对混凝土抗压强度的影响与国外老牌名牌产品 Vinsol 引气剂基本一样。

表 4 含气量对混凝土强度和抗折强度 / 抗压强度比的影响

水泥用量 (kg/m 3 )

W/C

含气量( % )

坍落度 (mm)

28d 强度, MPa

抗折

抗压

抗折 / 抗压比

350

0.457

1.5

32

6.64

47.2

1/7.1

350

0.445

3.1

40

7.52

47.5

1/6.3

350

0.439

4.2

38

7.24

43.1

1/5.9

350

0.431

6.0

45

7.11

37.3

1/5.2

  由于是性能比较试验,为了试验方便,引气混凝土设计时没有考虑引气产生的体积增加,仅在基准配合比的基础上直接加入引气剂,相当于引气混凝土与基准混凝土相比,实际上每方混凝土的水泥用量降低,含气量愈高,水泥用量减少愈多。因此,要是把该因素考虑进去,保证混凝土的水泥用量不变时,引气混凝土的抗压强度损失会更小。

2.3.2 .2 抗折强度
   在一般研究和应用中,只测定引气剂对抗压强度的影响,较少注意对抗折强度的影响。然而,在道路混凝土设计时,是以抗折强度作为强度设计指标。因此,随着引气剂在北方混凝土道路中的应用增加,发现引气混凝土的抗折强度非但不降低,反而有所提高,这对于引气剂应用于道路混凝土工程是非常有利的。
   表 4 为 AE 2 引气剂用于道路混凝土时获得的结果,所用水泥为 525 # 普硅,配比均使用 2 %的缓凝型糖蜜减水剂。从表 4 可知,在相同水泥用量和坍落度的条件下,当含气量小于 6 %时,引气混凝土的抗折强度都不同程度有所提高,且抗折强度/抗压强度比值随含气量的增加而增大,即随着含气量的增加,混凝土的韧性增加。引气混凝土的这一特性对道路特别有利。

2.3.2 .3 抗冻性和抗盐冻剥蚀性能
   瑞典 LUND 大学的 G . Fagerlund 教授是国际上混凝土抗冻性研究方面的权威学者。在他主持的材料研究机构对 AE 2 引气剂和 Vinsol 引气剂进行了对比研究。它们对混凝土抗盐冻剥蚀性能的影响见图 9 和表 5 。引气和非引气混凝土的水泥用量均为 380kg /m 3 ,W/C 为 0.50,Vinsol 引气剂为液体产品。
   试验结果表明,不论是 AE2 型引气剂还是 Vinsol 引气剂,随着含气量的增加,混凝土的抗盐冻性能显著提高;随着冻融循环次数的增加,非引气混凝土和引气混凝土在抗盐冻性能上的相差越来越大。总之,两种引气剂对混凝土抗盐冻性 ( 或抗冻性 ) 的改善效果基本相同。

2.3.2 .4 其它耐久性能
   引气剂除了对混凝土抗冻性和抗盐冻性具有显著的改善效果外,还对混凝土的其它耐久性能也有明显的影响。
   由于混凝土中引气产生的大量微小气泡难以被水充满,使得混凝土结构中存在许多均布的微小空间。这些微小空间可以作为体积膨胀的“缓冲阀”,降低和延缓其它物理膨胀 ( 如盐晶体结晶压等 ) 和化学反应膨胀 ( 如碱骨料反应和硫酸盐反应等 ) 引起的混凝土破坏。
   表 6 的试验结果清楚地证实了 AE 2 引气剂在这方面的显著效果。当混凝土中引气量为 4.5 %时,在 20 % NaCl 溶液中经 15 次干湿循环后,盐结晶压产生的膨胀率比非引气混凝土降低约 41.3 %;按 JGJ53 — 92 标准测得的 2 个月后碱集料反应产生的膨胀率比非引气混凝土降低约 57.0 %。虽然,引气剂在改善混凝土的这些耐久性方面不如抗冻性和抗盐冻剥蚀性那样显著,但效果还是相当明显。必须指出的是,冰一旦融化结冰压就消除了,但盐结晶体和碱骨料反应与硫酸盐反应等的膨胀产物一旦在孔中形成就很难被消除,产物将不断富集直到孔被添满,最终使引气孔失效。

表 5 AE 2 引气剂和 Vinsol 引气剂对混凝土抗盐冻融剥蚀性能的影响

试样

基准混凝土

AE 2 型引气混凝土

Vinsol 引气混凝土

含气量( % )

1.6

4.4

5.8

7.9

5.0

7.5

9.5







kg

/
m2











7

0.50

0.04

0.03

--

0.03

--

--

10

1.21

0.07

0.05

--

0.06

--

--

14

2.70

0.11

0.08

0.06

0.10

0.05

0.02

21

5.47

0.24

0.13

0.09

0.21

0.10

0.05

28

8.19

0.45

0.27

0.14

0.40

0.15

0.08

35

---

0.65

0.39

0.18

0.61

0.19

0.10

41

---

0.86

0.52

0.26

0.76

0.25

0.13

(次)

49

56

---

----

1.13

1.35

0.65

0.82

0.31

0.39

0.89

0.98

0.33

0.42

0.17

0.21




图 9 AE2
引气剂和 Vinsol 引气剂对混凝土抗盐冻剥蚀性的影响  

表 6 AE2 型引气剂对混凝土执盐结晶压和碱集料反应膨胀破坏的影响

试验项目

混凝土品种

20 % NaCl 溶液中干湿循环后的膨胀率 ( × 10 -4 )

按 JGJ53 — 92 标准测得的碱集料反应的膨胀率 ( × 10 -4 )

10 次

15 次

0.5 个月

2 个月

不掺引气剂

3.2

9.2

26.5

2.98

引气量 4.5 %

1.8

5.4

10.0

1.28

  试验结果同时显示,引气也可改善混凝土的抗渗性能,这主要是由于混凝土中引气后,形成了大量封闭孔,显著地改变了硬化浆体的毛细孔结构,同时在水泥颗粒表面形成憎水性膜,从而降低了毛细管的抽吸作用。仅从这一点,引气剂就可提高混凝土的综合耐久性。

2.4 技术经济分析
   由于 AE 2 引气剂对新拌混凝土性能和硬化混凝土性能均有显著的、有益的功效,特别是大幅度提高耐久性和延长使用寿命,因此使用引气剂带来的经济效益是非常巨大的。迄今为止, AE 2 引气剂已推广使用约 100 多 t ,工程混凝土用量约 140 万 m 3 以上,起到大幅度改善混凝土施工性能和提高混凝土结构质量,延长结构使用寿命的作用。下面从几个不同方面对使用引气剂产生的经济效益进行分析。

2.4.1 耐久性和使用寿命 ( 为国家带来的效益 )
   使用 AE 2 引气剂的最主要目的是提高混凝土结构的耐久性和使用寿命。大量实验和现场工程实践结果表明,在相同条件下,使用引气剂的混凝土耐久性或使用寿命可提高 5 倍以上,因此给国家带来的经济效益是非常巨大的。假定不掺引气剂混凝土的使用寿命为 10 年 ( 需大修 ) ,每立方米混凝土:工程造价为 2000 元,则相当于每立方米混凝土工程造价年损耗费为 10 %,即 200 元;使用 AE 2 引气剂混凝土的使用寿命提高 5 倍,即达到 50 年,则相当于每立方米混凝土工程造价年损耗费降低为 2 %,即 40 元,降低幅度达到 80 %。因此,假如使用 AE 2 引气剂的 140 万 m 3 ,混凝土中约有 100 万 m 3 是用来提高耐久性或使用寿命,则相当于每年可以为国家节省维修费用约 100×104×160=1.6×108 元,即 1.6 亿元。混凝土结构物使用 50 年相当于可以为国家带来 80 亿元的经济效益。
   以用在混凝土公路为例, AE 2 引气剂目前已在东北地区约 100 多公里的高等级混凝土公路中使用。这些高等级混凝土公路每公里工程造价约为 1200 万元 ( 以每立方米混凝土计,工程造价约为 4000 元,远高于前面计算用的 2000 元 ) 。
   若不使用引气剂,混凝土公路约 10 年需大修一次,相当于每公里混凝土公路年损耗率为 10 %,约 120 万元;使用 AE 2 引气剂后,混凝土公路的使用寿命至少可以延长到 40 年,相当于每公里混凝土公路年损耗率降低为 2.5 %,仅约 30 万元,降低幅度达到 75 %。因此, AE 2 引气剂在 100km 的高等级混凝土公路中使用,相当于每年可以为国家节省维修费用约 100×90×104=9×107 元,即 9000 万元。使用 40 年可以为国家带来 36 亿元的经济效益,相当于 300km 高等级混凝土公路的工程造价。如果把延长公路使用寿命产生的额外经济收入计算进来,那么使用 AE 2 引气剂给国家带来的经济效益将更加巨大。

2.4.2 降低混凝土综合成本
   AE 2 引气剂的使用,可以为用户带来可观的经济效益。下面以最不利的抗压强度作为指标进行计算,假定不掺引气剂混凝土的水泥用量为 330kg / m 3 ,混凝土、水泥、和 AE 2 引气剂的价格分别为 350 元 /m 3 、 400 元/ t 和 2.6 万元。

(1) 例 1 ,当含气量为 4 % ( 满足普通抗冻要求,需掺 AE2 引气剂为水泥用量的 0.017 % ) ,水泥用量和坍落度保持不变时,混凝土的抗压强度认为不损失,则引气后每方混凝土增加的成本为 0.33 × 1. 7 × 10 - 4 × 26000=1.46 元;但同时引气 4 %相当于无形中使原来 lm 3 混凝土的体积增加为 1.04m 3 ,即每方增加收益为 0.0 4 × 350=14 元,因此每方混凝土的综合收益为 (14-1.46)=12.54 元。基准混凝土的价格愈高,其经济效益愈好。

(2) 例 2 ,当含气量为 6 % ( 满足高抗冻或抗盐冻要求,需掺 AE 2 引气剂为水泥用量的 0.029 % ) ,水泥用量和坍落度保持不变时,混凝土的抗压强度将降低,为弥补强度需加减水剂或增加水泥用量来降低水灰比。下面分别从两个方面来计算:

①以掺 0.5 %高效减水剂为例,假定其价格为 6000 元 /t ,则引气后每方混凝土增加的成本为 0.33×2.9×10 -4 ×26000=2.49 元;减水剂增力口成本为 0.33×5×10 -3 ×6000=9.9 元;但同时引气 6 %相当于无形中使原来 lm3 混凝土的保积增加为 1.06m 3 ,即每方增加收益为 0.0 6 × 350=21 元,因此引气 6 %混凝土时,每方混凝土的综合收益为 (21-2.49-9.9)=8.61 元。

②以增加 9 %水泥用来为例,则引气后每方混凝土增加的成本为 0.33 ×2.9 ×10 -4 ×26000=2.49 元;水泥增加成本为 0.33×0.09×400=11.88 元;但同时引气 6 %相当于混凝土体积从 1m 3 增加为 1.06m 3 ,即每方增加收益为 0.06×350=21 元,因此引气 6 %混凝土时,每方混凝土的综合收益为 (21-2.49-11.88) 二 6.61 元。

  综上所述, AE 2 引气剂的使用带来的直接经济效益是非常明显的,特别是对含气量不大于 4 %的引气混凝土的经济效益更显著。因此,无论从技术和性能上还是经济上,使用 AE 2 引气剂都有非常巨大的好处,特别对国家更是如此。

2.5 结论
(1)AE 2 引气剂对混凝土抗压强度的影响程度与国外老牌 Vinsol 引气剂大致相同。其性能优于国内常用的松香热聚物引气剂。
(2) 同水灰比条件下, AE 2 引气剂引起的每单位含气量混凝土抗压强度损失率在 3 % ~6 %;同和易性条件下,当含气量在常用值 4 %~ 6 %左右时, AE 2 引气剂引起的每单位含气量混凝土抗压强度损失率小于于 3 %;含气量小于 4 %左右时,抗压强度几乎不损失。
(3) 在相同水泥用量和坍落度的条件下,当含气量不大于 6 %时, AE 2 引气剂非但不引起混凝土抗折强度降低,反而使抗折强度提高,即引气可以增加混凝土的韧性。这一点对道路混凝土特别有意义。
(4)AE 2 引气剂与 Vimol 引气剂对混凝土抗盐冻性 ( 或抗冻性 ) 的改善效果大致相同,均能显著提高这些性能。
(5)AE 2 引气剂除了对混凝土抗冻性和抗盐性具有显著的改善效果外,对混凝土其他综合耐久性也有较明显的改善效果,如可明显降低因盐结晶压和碱骨料反应等膨胀引起的混凝土破坏。
(6) 为保证混凝土的抗盐冻性或抗冻性要求, AE 2 引气剂的常规掺量为 0.01 % ~0.03 %。和其它引气剂一样,萘系高效减水剂与 AE 2 引气剂复合使用时,将引起混凝土含气量一定程度的损失;混凝土拌合物坍落度过大或过小均会引起混凝土含气量下降。
(7)AE 2 引气剂能显著改善新拌混凝土性能,特别是降低混凝土的离析和泌水。由于其具有极强的水溶性,与其他外加剂具有很强的复合性能,也是配制泵送剂等其它复合外加剂的重要组成部分。
(8) 无论从技术和性能上还是经济上,使用 AE 2 引气剂都有非常巨大的好处,特别对国家更是如此。

三、 AE 2 引气剂对混凝土性能的影响
  
混凝土引气剂是最古老的外加剂之一, 40 年代开始在国外应用于混凝土抗冻工程中。我国 50 年代开始开发引气剂,用于提高水工混凝土的抗冻性。目前,我国只有在水工和港工混凝土设计规程中有明确的掺引气剂要求。然而,随着混凝土技术发展的需要,特别是引进国外施工设备和国外工程公司进入我国施工市场,引气剂也开始在其它场合使用。例如,在上海高层建筑物有泵送要求的混凝土中,广泛使用了引气剂。在广东省混凝土道路施工中,使用了国外摊铺机,由于外方说明书中注明使用时混凝土必须掺引气剂,因此引气剂第一次在我国南方地区道路工程中使用,取得了意想不到的良好结果。在秦山核电站二期工程中,外方也要求在混凝土中必须掺引气剂。
   为什么国外与国内在引气剂的使用观念上有如此大的差别呢 ? 多年来,我们对此问题进行了细致的探讨和研究,觉得必须对引气剂有一个新认识的过程。

3.1 、引气剂对混凝土耐久性的影响
3.1.1 抗冻性
   众所周知,掺引气剂的主要作用是提高混凝土的抗冻耐久性。目前,引气剂作为提高混凝土抗冻性的最主要技术措施已经被广泛应用于工程实践中 ( 如水工和港工等混凝土工程 ) ,其效果也得到认可。
   一般非引气混凝土的含气量都小于 1.8 %,且这部分气泡多为截留大气泡,对混凝土性能有很不利的影响。然而,引气剂产生的气泡多为均匀的微小气泡,它们对混凝土性能有许多有利的作用,与截留大气泡相比有很大的不同。图 1 是典型的非引气和引气混凝土的抗冻性数据。它清楚地表明,非引气混凝土只要掺入少量引气剂,使含气量提高到约 4 %,在绝大多数自然环境中均可获得良好的抗冻性能。


3.2 抗盐冻性

         


  现在许多混凝土高等级公路和城市道路,在冬季常撤除冰盐 ( 主要为 NaCl) 以清除路面冰雪。在盐和冻结的共同作用下,混凝土的破坏特别严重。混凝土盐冻剥蚀破坏是指在除冰盐存在的条件下,混凝土因受冻产生的一种特殊破坏形式,主要表现为表面严重剥蚀,骨料暴露。迄今不止,已在北京、天津等城市立交桥,以及黑龙江省等东北地区高等级混凝土路面上发现了多起严重的盐冻剥蚀破坏实例。这些破坏实例的最主要原因是混凝土中没有采取防治盐冻破坏的技术措施,如掺引气剂。由于盐冻剥蚀破坏本质上也是因水结冰膨胀而破坏,因此引气剂同样对改善混凝土抗盐冻性能有非常好的效果。
   图 2 为非常典型的盐冻破坏试验结果。可以看到,随着含气量增大,混凝土的剥蚀破坏明显下降。当含气量大于 5 %时,混凝土盐冻破坏可显著改善。但是,即使是含气量为 5.5 %的混凝土,其盐冻剥蚀破坏仍随循环次数的增加而不断加剧,不过增加速度远比不掺引气剂混凝土的小。

3.3 冬季施工混凝土
   混凝土在冬季施工过程中,为了防止混凝土的早期冻坏,往往要求掺防冻剂和早强剂,提高混凝土的成熟度,满足临界强度的要求。目前,寒冷地区混凝土冬季施工大量采用掺防冻剂的技术,但即使掺了防冻剂和采取保温蓄热措施,混凝土内部还有可能遭受早期冻结。早期冻结不仅可能造成混凝土的强度损失,同时由于破坏了混凝土的内部结构,混凝土的耐久性也变差。冬季施工混凝土的耐久性问题目前还没有引起足够的重视,如果在掺防冻剂的同时,再掺入引气剂,则可大大减轻可能出现的早期冻结对混凝土结构造成的破坏,从而提高混凝土工程的耐久性。因此,我们建议冬季施工混凝土中应把掺引气剂作为必要的技术措施。

3.4 其它耐久性
   引气剂对混凝土抗冻性的抗盐冻性的有效作用已得到确认和广泛应用,但是对混凝土其它耐久性的贡献却认识不深。
   首先,引气可以改善混凝土的抗渗性能,如引气 4 %可使抗渗性提高约 15 %以上。这主要是因为引气后,显著地改变了硬化浆体的毛细孔结构,形成大量封闭孔,同时在水泥颗粒表面形成憎水性膜,从而降低了毛细管的抽吸作用。仅从这一点,引气剂就可提高混凝土的综合耐久性。
   其次,由于引气产生的大量微小气泡难于被水充满,使混凝土结构中存在许多均布的微小空间。这些微小空间可以作为体积膨胀的“缓冲阀”,降低和延缓其它物理膨胀 ( 如盐晶体结晶压等 ) 和化学反应膨胀 ( 如碱骨料反应和硫酸盐反应等 ) 引起的混凝土破坏。从表 1 试验结果清楚地证实了引气剂在这方面的效果非常显著。当混凝土中引气量为 4.5 %时,在 20 % NaCl 溶液中经 15 次干湿循环后,盐结晶压产生的膨胀率比非引气混凝土降低约 41.0 %,而按 JGJ53-92 标准测得的 1.5 个月后碱集料反应产生的膨胀率比非引气混凝土降低约 57.1 %。

表 1 掺引气剂对混凝土抗盐结晶压和碱集料反应膨胀破坏的影响

混凝土品种

试验

项目

20 % NaCl 溶液中干湿循环后的膨胀率

(× 10 -4 )

按 JGJ53 — 92 标准测定碱集料反应的膨胀率(× 10 -4 )

10 次

15 次

0.5 个月

1.5 个月

不掺引气剂

3.2

9.2

26.5

29.4

引气量 4.5 %

1.8

5.4

10.0

12.6

引气后膨胀降低率 ( % )

43.8

41.3

62.3

57.1

3.5 、引气剂对新拌混凝土性能的影响
   引气剂除了能显著地改善硬化混凝土的综合性能外,还能显著改变新拌混凝土的性能。由于引气泡增加了浆体体积和对拌和料的润滑作用,以及增加了浆体的粘度和屈服应力,因此引气混凝土的工作性、塑性和内聚性得到显著提高,明显比非引气混凝土的好。引气混凝土的这些特性将显著降低它的离析和泌水现象。在原材料比例不变的条件下,引气可以提高混凝土的流动性,而在相同塌落度下,引气可以降低拌和用水量。另外,引气还可降低新拌混凝土的塌落度损失。
   混凝土的离析和泌水大将对混凝土质量,特别是表层的质量产生非常不利的影响,不仅降低了混凝土的均匀性 ( 大体积混凝土中尤其严重 ) ,而且将在表面形成一层水灰比大、多孔、薄弱和耐久性差的硬化层,同时产生大量自底部向顶层发展的毛细管通道网。这些通道网增加了混凝土的渗透性,盐溶液和水分,以及其它有害的化学物质容易进入混凝土中,使混凝土表面很易破坏 ( 特别当除冰盐存在时更是如此 ) ,因此引气可明显地降低因离析和泌水带来的这些不利影响,显著地改善混凝土的质量。
   随着施工技术和高层建筑的发展需要,混凝土的可泵性能显得愈来愈重要。实际上,可泵性是混凝土工作性良好的一种特殊表现形式,由于引气增加了混凝土的内聚性和物料间的润滑作用,降低了胀流,使泵送时不会过度离析和泌水,因此引气可提高新拌混凝土的可泵性能。但是,泵送混凝土的含气量也不宜太高,因为过大的含气量造成的空气可压缩性提高足产生不饱和状态,增加泵送时的泵压损失和降低混凝土的泵送效率。这类混凝土的含气量一般以小于 6 %为好。
   正是由于上述这些原因,导致泵送混凝土和大体积混凝土工程,以及道路和其它土木建筑工程广泛采用引气混凝土,即使是没有抗冻或抗除冰盐要求的环境中也是如此。在贫混凝土和干硬性混凝土或碾压混凝土,以及轻骨料混凝土中,引气可以最大地改善其性能和最大地发挥引气剂的这些好处。但是,很遗憾的是,在这些混凝土工程中除了泵送混凝土外,在我国很少使用引气剂。

3.6 引气剂对混凝土强度的影响
   引气将使混凝土的强度降低,特别是当含量很大时 (>4 % ) 降低更明显,这是引气剂的最大缺点,也是制约引气剂在我国大规模推广应用的主要原因,因为在我国许多混凝土设计规范中都是以强度作为指标。在混凝土材料配合比不变的条件下 ( 塌落度增加 ) ,引气引起的混凝土强度降低的典型曲线见图 3 。其实,当 W/C 大于 0.45 和含气量小于 4 %时,在相同的塌落度下,由于引气可以减少用水量和截留大气泡量,降低 W/C ,同时提高混凝土的均匀性,因此为了获得与非引气混凝土相同的强度,引气混凝土只需增加很少量的水泥用量,甚至不增加。然而,在高强混凝土中掺引气剂将使强度明显降低。
   有许多研究资料表明,对于贫混凝土和干硬性混凝土或碾压混凝土,以及轻骨料混凝土,适量引气不但不降低强度,反而增加强度,这主要与引气可提高混凝土的浆体体积、工作性、塑性和内聚性有关。
   一般在提到引气引起混凝土强度降低时,都是指抗压强度。初步研究表明,引气引起的混凝土抗折强度降低率远小于抗压强度的降低率,即引气可以提高混凝土的抗压比或者说韧性。交通部公路研究所在对道路混凝土研究时发现,在一定条件下,引气反而可以提高混凝土的抗折强度。这一点对道路工程特别重要和有实用意义。
   事实上,在混凝土结构设计时,牺牲少量强度来大幅度甚至是根本上改善和提高混凝土结构的耐久性或使用寿命是非常值得的和有意义的,况且这部分损失的强度很容易通过许多其它技术途径来得到弥补。另外,引气剂的使用带采的混凝土材料成本增加非常小,要是考虑到引气带来的许多施工便利,特别是大幅度提高了混凝土的质量和使用寿命,那么混凝土结构的综合成本只会降低。

四、推广引气剂需要解决的问题
  
在引气剂的推广过程中,除了要改变对引气剂的旧观念外,就是要开发出高质量的引气剂。一种优良的引气剂,首先本身必须具备良好的发泡能力和稳定性能,同时具有良好的气泡结构和小的强度损失率;其次要具有强的适应性能,如能适应不同的水泥品种和搅拌施工方式、温度环境等;第三,与其它外加剂具有强的复合性能;最后,要使用方便和安全,价格也合理。

五、概述
  
引气剂是一种能使混凝土在搅拌过程中产生大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡,从而改善混凝土和易性,提高混凝土抗冻性和耐久性的外加剂。引气剂的掺量通常为水泥质量的 0.002 % ~0.01 %,掺入后可使混凝土拌合物中引气量达到 3 %~ 5 %。引入的大量微小气泡对水泥颗粒及骨料颗粒具有浮托、隔离及“滚珠”作用,起到了分散、润湿的双重作用,从而减少混凝土的单位用量,改善其多种性能。在稠度和单位水泥用量一定时,由于掺入引气剂可减少单位用水量。一般,引气剂的减水率为 6 %~ 9 %,当减水率为 10 %以上时,则称之为引气减水剂。
   引气剂和引气减水剂正沿着复合型高效引气剂及高性能引气减水剂方向发展。同时,引气剂和引气减水剂作为一种有效组分,还广泛应用于配制泵送剂、防冻剂等多功能复合外加剂。
   20 世纪 30 年代,在美国随着汽车和公路交通的迅速发展,混凝土路面发生裂缝以至破坏的现象增多,尤其是在北方冬季期间,为防止混凝土路面冻结而撒氯化钙、氯化钠等盐类时破坏更为严重。为了防止上述问题的产生,有关学者专门进行了调查研究。通过实验发现,硅酸盐水泥中掺入各种树脂和油类后,混凝土的多种性能有明显改善,从而促进了引气剂作用效果的研究和开发工作。
   引气剂问世至今,仍被看作是混凝土材料发展进程中的重要发现。引气剂应用于混凝土道路、大坝、港口、桥梁等工程中,可大大延长它们的使用寿命。
   引气剂根据其水溶液的电离性质也可分阴子、非离子、阳离子和两性离子系等四类。实际上应用最多的是阴离子系引气剂。

六、引气剂的作用原理
1 、混凝土引气及气泡的形成过程
  
混凝土的气泡是由搅拌作用产生的。在搅拌混凝土时,有两种主要作用可引入空气并形成气泡。第一种作用是涡流吸气作用。在搅拌液体形成涡流时,涡流负压区会吸入空气。被吸入涡流中的空气在剪切力作用下,便被碎散形成大量气泡。在盘式混凝土搅拌机中,涡流由搅拌叶片推动混合料产生;在鼓式搅拌机中,涡流主要存在于物料落下来的搅拌叶片末端。为了产生涡流,混凝土拌合物应有一定程度的流动性,但对于较干的拌合物,搅拌所产生的捏合作用,也能使一定量的空气夹带进入混凝土中。
   第二种作用是骨料抛落形成的三维幕引气作用。在混凝土搅拌过程中,当物料相互之间逐级下落时,粒状物料 ( 骨料 ) 形成的三维幕便会将空气携带进入混凝土中,并在物料的重力、搅拌过程中产生的剪切力等作用下,将引入的空气碎散成气泡。
   掺与不掺引气剂,在搅拌混凝土过程中引入空气并被碎散形成气泡的作用是一样的。对于未掺引气剂的混凝土,在搅拌混凝土过程中引入的空气被浆体包裹形成气泡,但当气泡互相靠近时,极易相互兼并增大,并上浮至表面,从而破灭消失。这就像剧烈搅拌清水时,虽然水中仍能引入空气并被剪切碎散形成气泡,但由于气泡极易兼并增大,并迅速浮出水面而破灭,故停止搅拌后,仍只剩下清净的水。因此,未掺引气剂的混凝土夹带空气量少,气泡尺寸小,分布均匀。
   由上可知,引气剂的作用主要有两个方面,一是使引入的空气易于形成微小气泡;二是防止气泡兼并增大、上浮破灭,也就是要保持微小气泡稳定,并均匀分布在混凝土中。

2 、引气剂在液 - 气界面上的吸附与排布
  
引气剂的界面活性作用基本上与减水剂的界面活性作用相同,区别在于减水剂的界面活性作用主要发生在液 - 固界面上,而引气剂的界面活性作用主要发生在液 - 气界面上。
   所谓气泡,就是液体薄膜包围着的气体。若某种液体易于成膜,且膜不易破裂,则此种液体在搅拌时就会产生许多泡沫。引气剂是表面活性物质,其由非极性基 ( 碳氢链 ) 和极性基 ( 如磺酸基一 SO 3 H 、羧酸基一 COOH 、醇基一 OH 、醚基一 O 一等 ) 构成。引气剂分子溶于水中后,对于液 - 气体系,其非极性基深入气相,而极性基留于水中,从而吸附在气泡的液 - 气界面上形成定向排布,只有一个极性基的异极性表面活性物质,如十二烷基苯磺酸钠引气剂,其分子一端是极性基,另一端是非极性基,吸附在气泡表面的定向排布如图 3 — 10 所示

  含有多个极性基团的聚合物表面活性物质,如木质素磺酸盐引气减水剂,其分子吸附在气泡表面的定向排布如图 3 — 11 所示。
   正是由于引气剂分子在气泡表面的这种定向吸附与排布作用,才能使吸附了引气剂的微小气泡难于兼并增大,从而能够稳定地分布在混凝土中。

3 、引气剂的作用机理
  
在混凝土中,引气剂对微小气泡的稳定作用机理主要包括以下几个方面。
   (1) 降低液 - 气界面张力作用
   当混凝土拌合物含气量一定时,气泡尺寸减小,则整个体系的液 - 气界面积 A 增大,导致整个体系总的界面自由焓将增大,从而使体系处于热力学不稳定状态。掺入引气剂后,由于降低了液 - 气界面张力,因此,即使气泡不相互兼并增大,也能使整个体系总的液 - 气界面积保持不变,使整个体系的液 - 气界面自由焓不增大,或者还有所降低,从而使体系处于热力学较为稳定的状态。
   (2) 气泡表层液膜之间的静电斥力作用
   对于用离子型表面活性剂作为引气剂时,其分子在水中电离成阴、阳离子,使气泡表面液膜带上相同的负电荷,当气泡相互靠近时,气泡之间便产生静电斥力作用,从而阻止气泡进一步靠近,因此,离子型引气剂吸附在气泡表面,使气泡之间产生的静电斥力有助于提高气泡的稳定性。
   (3) 水化膜厚度及机械强度增大作用
   在混凝土中掺入引气剂,其在气泡表面吸附时均是非极性基深入气相,而极性基留于液相。由于极性基具有强烈的亲水作用,使吸附了引气剂分子的气泡表面水化膜增大,机械强度提高,气泡表面黏度及液膜弹性增大,这样当气泡碰撞接触时,气泡间液膜便不易排液薄化,同时气泡的弹性变形还有利于抵消气泡所受的外力作用。因此,掺引气剂的混凝土中的气泡不易兼并破灭,稳定性提高。
   (4) 微细固体颗粒沉积气泡表面形成的“罩盖”作用
   在混凝土中加入阴离子型引气剂,会吸收和集中在气泡表面,使混凝土中的气泡实际上成了气固液三相气泡,固体颗粒“罩盖”薄膜使气泡表层膜厚度增大,机械强度和弹性提高。此层“罩盖”薄膜使气泡靠近时水化膜更不易排液薄化,因而气泡更难兼并增大,并且还有助于阻止气泡上浮和凝聚,从而使大量微小气泡能够稳定地均匀分布在混凝土拌合物中。

七、引气剂对混凝土性能的影响
1 、和易性
   引气剂用于在混凝土中引进了大量微小且独立的气泡,这些球状气泡如滚珠一样使混凝土的和易性得到大大改善。这种作用尤其在骨料粒形不好的碎石或人工砂混凝土中更为显著。

2 、泌水性
  引气剂可以增加混凝土拌合物的黏聚性。它使混凝土拌合物中的骨料与水泥浆的黏聚性加大,使它们的离散性减弱,这种作用可使拌合物更好地处于均质状态,使拌合用的水分能更长时间地停留在水泥浆中而减少了泌水性。

3 、强度
   由于引气剂使混凝土中气泡数量增多, 自然会使混凝土的强度有所降低。一般规律如下:含气量每增加 1 %,抗压强度约减低 4 %~ 5 %,抗折强度约降低 2 %~ 3 %。且龄期增长后,含气量对混凝土的影响还要大些。
   当混凝土中含气量一定时,其强度的降低还受到骨料最大粒径的影响,最大粒径越大,则强度降低率越小。在贫水泥混凝土中,因为引气而引起的强度下降很小,往往可忽略不计。
   若在配制混凝土时,考虑到引气剂能增大混凝土拌合物的流动性而适量减少用水量,则由于引气剂引入气泡而引起的强度损失就可被弥补过来,配制得当时还可能使强度有所提高。

4 、耐久性
   由于掺引气剂后可使混凝土用水量减少,同时泌水率减低,这都会使混凝土内部的大毛细孔 ( 在水泥石与骨料界面上产生,比水泥面中的毛细孔至少大数十倍 ) 减少。同时大量微小的气泡占据着混凝土中的自由空间,切断了毛细管的通道,这样能使混凝土的抗渗性得到改善。与抗渗性有关的抗化学物质侵蚀作用和对碳化的抵抗作用等也同时得到提高。

八、引气剂的使用
  
在使用引气剂时,应注意以下几个问题。
   1 、掺引气剂前,应该参照说明书及有关资料,结合工地现场所使用的材料及工程要求,进行实地试配试验,然后才能确定该种引气剂能否在本工程使用,以及工程中使用的合适剂量。
   2 、引气剂使用时,其掺加量一般都比较小 ( 一般只有水泥质量的万分之几 ) ,所以计量要准确。
   3 、要求配制混凝土材料的性质、混凝土拌合物的配比,以及搅拌、装卸、浇筑等方面都尽可能保持稳定,使含气量的波动范围尽量小。施工中要定时进行现场检测,严格控制含气量的波动幅度。由于近年来施工中采用高频插入式振捣器,在强烈的振动作用下,混凝土中的气泡外溢,致使含气量下降。因此施工中必须保持不同部位的振捣时间和振捣方法的一致。
   4 、掺引气剂的混凝土,由于其引气量的增加,将会导致混凝土体积的增加,因此在配合比设计时应加以考虑。

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