引气剂对混凝土性能的影响研究*

高 辉，张 雄，张永娟

(同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海201804)

在20世纪30年代，美国、日本、英国等就开始使用引气剂。在美国，引气混凝土的应用已得到很大的发展。这是由于随着美国公路交通的发展，混凝土公路路面破坏严重，尤其是冬天用食盐或氯化钙溶化公路路面冰雪时，对混凝土路面破坏更为严重。应用引气剂在混凝土中引入合适的气泡(孔)是显著改善混凝土和易性与耐久性的有效技术途径[1，2]。在混凝土塑性状态引入的气泡主要影响混凝土的和易性[3]，当混凝土硬化后存留的气泡则成为气孔，主要影响混凝土力学行为和耐久性[4]。由于大气孔会使硬化混凝土强度显著损失[5，6]，因此，混凝土行业对混凝土引气技术应用颇有顾虑。本文研究了引气剂对混凝土工作性、强度和抗冻融性能的影响规律，对工程实践有很强的指导意义。

1 试验原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥:安徽宁国海螺PⅡ52.5;细集料:中砂，细度模数2.54;粗集料:选用了粒径为5mm～30mm，表面比较粗糙且质地坚硬的玄武岩碎石;水:自来水;选用引气剂分别为:SJ三萜皂甙引气剂(以A表示)，烷基磺酸盐类引气剂(以B表示)。

1.2 混凝土配合比

引气剂按水泥用量的百分比(质量分数)掺加，不同引气剂掺量根据新拌混凝土的含气量调整，混凝土的坍落度控制在140mm～190mm，低频振动台振动15s成型，测试新拌混凝土的含气量或成型试件用于测试硬化混凝土气孔特征参数。混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比

1.3 试验方法

按GB/T 50080－2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，采用SANYO直读式含气量测定仪测定新拌混凝土含气量并进行混凝土工作性试验;28d抗压强度按GB/T 50081－2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试;按SL 352－2006《水工混凝土试验规程》进行硬化混凝土气泡参数测定及抗冻性试验。混凝土冻融耐久性指数的计算公式见式(1)。

式中:DF—冻融耐久性指数;

P—相对动弹性模量，通常以60%为准(若降不

到60%，则冻融循环次数持续到300次，以实测

的相对动弹性模量计算);

N—相对动弹性模量达到60%时的循环次数(若

降不到60%，则以循环300次计算)。

2 试验结果及分析

2.1 引气剂对新拌混凝土的含气量及其工作性影响

图1 引气剂掺量对新拌混凝土含气量的影响

图2 新拌混凝土含气量对其工作性的影响

从图1可知，随引气剂掺量增加，新拌混凝土含气量增加，但不同引气剂的引气能力不同，所以实际工程中，具体掺量根据使混凝土内部引入的气泡量，通过试验确定。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，使混凝土拌合物的和易性得到了极大的提高，新拌混凝土含气量对坍落度的影响如图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。

2.2 新拌混凝土含气量与硬化混凝土实际含气量的关系

图3 新拌混凝土含气量与硬化混凝土含气量的关系

如图3所示，新拌混凝土的含气量越大，硬化混凝土的含气量就越高，线性相关性显著。

2.3 引气剂对混凝土抗压强度的影响

抗压强度是混凝土最重要的力学性质之一，这是因为任何混凝土构筑物都是用来承受荷载或抵抗各种作用力。混凝土内部孔隙体积率越低，混凝土越密，抗压强度越高。从图4可见，掺入引气剂后，混凝土28 d抗压强度降低。

混凝土的孔结构直接影响混凝土的许多性能，如强度、变形性能及耐久性。吴中伟院士将混凝土孔径分为4级，即无害孔级(孔径 ＜20nm)、少害孔级(20nm≤孔径≤50nm)、有害孔级(50nm≤孔径≤200nm)和多害孔级(孔径＞200nm)。可见，气泡平均半径对引气混凝土强度的影响很大，如表2所示，A类引气剂比B类引气剂的平均孔径小，对于A类引气剂，每增加单位含气量，其28 d抗压强度损失量的平均值为2.2MPa;对于B类引气剂，每增加单位含气量，其28 d抗压强度损失量的平均值为3.1MPa。说明硬化混凝土平均孔径越小，越有利于减小因引气而造成的抗压强度损失。

表2 硬化混凝土气孔参数试验结果

图4 硬化混凝土含气量对其抗压强度的影响

2.4 引气剂对混凝土抗冻性能的影响

图5 气孔间隔系数对混凝土冻融耐久性指数的影响

冻融对混凝土的破坏是在水转变成冰时体积膨胀造成的静水压力和冰水蒸气压力差别所造成的渗透压力共同作用的结果。为了降低混凝土的冻结破坏，提高混凝土的抗冻性，降低混凝土中毛细管孔隙率，减少混凝土用水量，降低水灰(胶)比，采用高效减水剂和固体减水剂(如I级粉煤灰)都是有效的措施。

引气剂的采用大大改善了混凝土的抗冻性，混凝土引入大量均匀分布的微小气泡，由于气泡的可压缩性和容纳自由水的迁入，缓解了结冰产生的膨胀压力和渗透压力。在本试验中，不掺引气剂混凝土的冻融耐久性指数仅30%，远低于掺引气剂混凝土的冻融耐久性指数。影响引气混凝土抗冻融性能的因素，除含气量外，气孔间距系数是一个重要的参数。试验研究发现，气孔间距系数对引气混凝土抗冻性的影响最为显著，如图5所示，气孔间距系数越小，混凝土的冻融耐久性指数就越大。

3 结论

(1)通过掺加引气剂增加新拌混凝土含气量，可以改善混凝土的工作性。且新拌混凝土含气量与硬化混凝土含气量线性相关性显著。

(2)引气剂的掺入降低了混凝土的强度，硬化混凝土平均孔径越小，越有利于减小因引气而造成的抗压强度损失。

(3)掺入引气剂后，混凝土的冻融耐久性得以改善;气孔间距系数对引气混凝土抗冻性的影响非常显著，气孔间距系数越小，混凝土的冻融耐久性指数就越大。

[1]于孝民，梅明荣，任青文.新型引气剂对中低强度等级混凝土抗冻性能影响的试验研究[J].混凝土，2009，(9):69－71.

[2]S.Chatterji.Freezing of air－ entrained cement－ based materials and specific actions of air － entraining agents[J].Cement and Concrete Composites，2003，25(7):759–765.

[3]黄大能，沈威，等.新拌混凝土的结构与流变特征[M].北京:中国建筑工业出版社，1983.

[4]丁蓓，刘加平，刘建中.引气剂稳泡机理及其改善混凝土冻融耐久性能的研究[J].混凝土，2006，(11):34～35.

[5]H.K.Kim，J.H.Jeon，H.K.Lee.Workability，and mechanical，acoustic and thermal properties of lightweight aggregate concrete with a high volume of entrained air[J].Construction and Building Materials，2012，29:193 －200.

[6]王晓冰，蔡燕霞，臧芝.引气剂掺量对水泥混凝土流变性能影响分析[J].河北交通职业技术学院学报，2010，7(3):32 －34.