引气剂对混凝土早龄期抗开裂性能影响的研究

高志斌，刘岩

(中国民航机场建设集团公司，北京 100101)

引气剂对混凝土早龄期抗开裂性能影响的研究

高志斌，刘岩

(中国民航机场建设集团公司，北京 100101)

本文针对混凝土早龄期抗开裂性能有重要影响因素之一的引气剂进行了相应的定量测试试验，对混凝土开裂性能影响和作用机理进行了分析，从而提出了适合的引气剂掺量，提高了混凝土早龄期抗开裂性能。

引气剂；混凝土早龄期；抗开裂性能；平均裂缝宽度；含气量

裂缝是固体材料中的某种不连续现象，混凝土材料有裂缝是绝对的，无裂缝是相对的，微裂的存在是混凝土材料本身所固有的物理性质[1]。由于荷载和结构的变形，早龄期微裂随着龄期延长逐渐延伸扩展，容易造成结构性贯穿开裂，从而影响正常结构受力。在混凝土中加入引气剂可以改善混凝土早龄期开裂性能，以满足混凝土耐久性、抗冻性和抗渗性等性能的要求。引气剂是在混凝土搅拌过程中能引入大量均匀分布、 稳定而封闭的微小气泡且能保留在硬化混凝土中的外加剂[2]。引气剂能够有效改善混凝土的孔结构 , 是大幅提高混凝土耐久性的最有效的技术措施之一；引气剂能经济有效地改善新拌混凝土的和易性及黏聚力，特别是对水泥用量少或骨料表面粗糙的混凝土效果更显著，如贫混凝土、机制砂混凝土、轻骨料混凝土等；可以提高硬化混凝土抗冻融能力，且在水工工程中规定，有抗冻融要求的混凝土必须适当引气；可提高混凝土抗渗性，适用于抗硫酸盐混凝土和抗渗混凝土；公路路面使用氯化钙、氯化钠除冰时，这种混凝土必须掺入引气剂；掺入引气剂的混凝土，由于和易性好，易于抹面，能使混凝土表面光洁，因此有饰面要求的混凝土也宜掺加引气剂[3]。外加剂在现代混凝土中得到了广泛的应用，已成为混凝土的第五组分，各种外加剂组分的复配也越来越多，多组分的外加剂组合对混凝土的性能会产生重要影响。本文主要研究复配引气剂对混凝土早龄期开裂性能方面产生的影响，以寻求科学合理的引气剂类型和掺量比例，提高混凝土的耐久性、抗冻性和抗渗性，延长混凝土结构的使用寿命。

1 试验内容与试验结果

在各组配合比相同且坍落度相同的情况下，分别对不同掺量的三类引气剂（引气剂Ⅰ为脂肪醇磺酸盐类、引气剂Ⅱ为十二烷基磺酸盐类、引气剂Ⅲ为松香树脂类）的混凝土，采用哑铃型混凝土开裂性能测定仪定量测试试验，研究其对混凝土早龄期开裂性能的影响。混凝土中引气剂多与减水剂复配后使用，试验选用聚羧酸系高性能减水剂PCA、消泡剂与引气剂复配。其中引气剂Ⅰ的掺量（占PCA质量比例）分别为1%、1.5%和2%；引气剂Ⅱ的掺量（占PCA质量比例）分别为0.01%、0.02%和0.03%；引气剂Ⅲ的掺量（占PCA质量比例）分别为0.5%、1%和1.5%。引气剂Ⅰ的掺量（占水泥质量比例）分别为0.008%、0.012%和0.016%；引气剂Ⅱ的掺量（占水泥质量比例）分别为0.00008%、0.00016%和0.00024%；引气剂Ⅲ的掺量（占水泥质量比例）分别为0.004%、0.008%和0.012%。

图1是引气剂Ⅰ，CG1(0.008%),CG2(0.012%),CG3(0.016%)和基准混凝土平均裂缝宽度随时间变化的曲线图。从测量开始至5h，各组裂缝宽度增长速率很快，10h以后趋于平稳直至24h试验结束。各组平均裂缝宽度和初始开裂时间见图2和图3。

从试验数据可以看出，24h时CG1，CG2，CG3和基准混凝土平均裂缝宽度分别是1.54mm，2.47mm，3.08mm，1.81mm，依次是CG1＜CONTROL＜CG2＜CG3。从四组试件的初始开裂时间来看，CG1，CG2，CG3和CONTROL组分别是2：00，1：40，1：20，1：50，各组出现初始裂缝时间CG3最短, CG1组最长，依次是CG1＞CONTROL＞CG2＞CG3。即掺量为0.016%的CG3组最先开裂，掺量为0.008%的CG1组最晚开裂。因此对引气剂Ⅰ来说，掺量为0.008%，可以提高混凝土早龄期抗开裂性能；当掺量增加到0.012%和0.016%则会降低混凝土抗开裂性能且此时混凝土抗裂性能会随着引气剂掺量增加而降低，如图10所示。

引气剂Ⅱ，CG4(0.00008%)，CG5(0.00016%)，CG6(0.00024%)和基准混凝土平均裂缝宽度随时间变化的曲线见图4。可以看出10h后各组混凝土平均裂缝宽度基本趋于平稳直至24h试验结束。最终24h测试结束时CG4，CG5，CG6和基准混凝土平均裂缝宽度图5显示分别是1.63mm，1.59mm，2.37mm， 2.10mm，依次是CG5＜CG4＜CONTROL＜CG6。从四组试件的初始开裂时间来看，如图6所示，CG4,CG5,CG6和CONTROL组分别是1：45，1：55，1：15，1：30，各组出现初始裂缝时间CG5最长，CG6组最短，依次是CG5＞CG4＞CONTROL＞CG6，即掺量为0.00024%的CG6组最先开裂，掺量为0.00008%的CG5组最晚开裂。可见当引气剂掺量为0.00008%和0.00016%时，可以提高混凝土抗开裂性能且随着掺量的增加对混凝土抗开裂性能改善越大；当掺量为0.00024%时，掺量增加会降低混凝土抗开裂性能，如图11所示。

引气剂Ⅲ，CG7(0.004%)，CG8(0.008%)，CG9(0.012%)和基准混凝土平均裂缝宽度随时间变化的曲线见图7。从曲线看，CG8，CG9曲线明显高于CG7和基准混凝土，12h以后趋于平稳直至24h试验结束。最终24h时CG7，CG8，CG9和基准混凝土平均裂缝宽度分别为1.51mm，2.35mm，2.47mm，1.72mm，依次是CG7＜CONTROL＜CG8＜CG9。从四组试件的初始开裂时间来看，CG7，CG8，CG9和CONTROL组开裂时间（h：min）分别是1：50，1：25，0：55，1：35，各组出现初始裂缝时间CG9最短,CG7组最晚，依次是CG7＞CONTROL＞CG8＞CG9（图8、图9）。从平均裂缝宽度和初始裂缝时间总体看，对引气剂Ⅲ来说，掺量为0.004%时，可以提高混凝土早龄期抗开裂性能；当掺量增加到0.008%和0.012%则会降低混凝土抗开裂性能且此时混凝土抗裂性能会随着引气剂掺量增加呈降低趋势。试验图片见图10～图12。

2 引气剂对混凝土开裂性能影响分析

从以上试验数据可以看出，掺不同引气剂对混凝土早龄期抗开裂性能方面都表现出一定的规律，对引气剂Ⅰ掺量为0.008%，引气剂Ⅱ掺量为0.00008%和0.00016%，引气剂Ⅲ掺量为0.004%时，可以提高混凝土早龄期抗开裂性能。即当引气剂低于一定掺量时，混凝土早龄期抗开裂性能随掺量增加而增加；当引气剂超过一定掺量时，混凝土的早龄期抗开裂性能随掺量增加而下降。其原因正是引气剂本身的作用机理引起的。掺入引气剂的各组混凝土的含气量见表1及图13。引气剂Ⅰ掺量为0.008%的空气含量为3.1%，引气剂Ⅱ掺量为0.00008%时含气量为1.0%，为0.00016%时含气量为3.00%，引气剂Ⅲ掺量为0.004%时含气量为1.9%。可以看出，引气剂Ⅰ、引气剂Ⅱ含气量控制在3%左右，引气剂Ⅲ含气量控制在2%左右为最优含气量，可以提高混凝土早龄期抗开裂性能。

表1 各掺量引气剂含气量

3 引气剂对混凝土开裂影响的作用机理

混凝土的内部泌水是水分在骨料表面集聚成水膜，从而使水泥浆-骨料过渡区减弱。内部泌水易使粗集料下方集中泌水，骨料-水泥浆过渡区趋于变弱并易于产生裂缝，使混凝土的抗拉强度下降，尤其在坍落度较大或泌水较多的混凝土中，这种现象较明显。

当掺入适量的引气剂后，混凝土在拌合过程中产生大量微细封闭气泡，气泡直径多在20～250μm，这些气泡有带相同电荷的定向吸附层，相互排斥并能均匀分布，形成较为牢固的液膜，使气泡稳定而不破裂，按混凝土含气量3%计(不加引气剂的混凝土含气量为1%)，1m3混凝土拌合物中含数百亿个气泡，由于大量微小封闭球状气泡在混凝土拌合物内形成，整个体系的表面积大大增大，比不掺引气剂时的黏聚力大得多，因而泌水与沉降显著减小。由于气泡的存在，泌水的毛细管通道被阻断，而且气泡里气体的迁移和气泡再分布，能进一步破坏这种通道。另外引气剂能显著降低水的表面张力和界面能，使内部毛细孔压力降低，从而减小了混凝土收缩。引气剂引起的混凝土抗弯拉强度的下降远小于抗压强度的下降 , 在一定条件下 , 还可能反而提高混凝土的抗弯拉强度[4]。所以当掺入适量的引气剂后，适量的引入气泡可以提高混凝土的抗拉强度，有利于混凝土的早龄期抗开裂性能。

当引气剂掺量过大时，混凝土产生大量微气泡，弹性模量很低的大量气泡会降低混凝土抵抗收缩的能力；当掺量过大时，引气剂的减水作用又使得混凝土的泌水有所增加，导致水分蒸发较快，失水率明显高于单掺高效减水剂的基准混凝土。任意增大掺量或采用性能较差的引气剂不但会降低混凝土强度，增大混凝土泌水，水泥浆与骨料粘结性能下降，抗拉性能也会大幅度降低，混凝土早龄期裂缝增加。含气量大量增加，1d的抗压强度低于基准混凝土，说明引气剂掺量过大，含气量过多增加使混凝土早龄期的抗拉、抗压强度下降幅度较大，导致混凝土的早龄期抗开裂性能下降。

4 结论

（1）掺入脂肪醇磺酸盐类、十二烷基磺酸盐类引气剂含气量控制在3.0%左右，松香树脂类含气量控制在2.0%左右，可使混凝土早龄期抗开裂性能增强。

（2）适量掺加引气剂有利于提高混凝土的抗拉强度，使混凝土早龄期抗收缩开裂性能提高。但使用引气剂时应注意掺量适当，过量使用强度下降过多，造成早龄期抗开裂性能快速下降。

[1]王铁梦(著).工程结构裂缝控制［M］.北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2]中国建筑材料科学研究院. GB/T8075-2005混凝土外加剂定义、分类、命名与术语[S].北京:中国标准出版社, 2005.

[3]中国建筑科学研究院. GB 50119-2003混凝土外加剂应用技术规范[S].北京：建筑工业出版社，2003.

[4]代明，柯国军，张春雨.浅谈引气剂在混凝土中的应用[J].工程建设，2007( 2 ).

高志斌(1974-)，男，中国民航机场建设集团公司高级工程师。

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