摘要：針對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構的聚羧酸類引氣劑實現高性能混凝土，研究了聚羧酸類引氣劑對混凝土含氣量、氣泡間距系數、工作性、強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理。研究表明：聚羧酸類引氣劑在摻量為0.006%時，混凝土含氣量和氣泡間距系數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量比混凝土，可在不降低混凝土強度的情況下，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混凝土。
自從水泥問世以來，水泥混凝土科學技術史上發生了2次革命性的飛躍：1940年代引氣概念的提出是混凝土技術的一次突破；高效減水劑的應用對高性能混凝土、自密實混凝土等新型混凝土生產和應用產生了重要影響[ 1 ]。目前, 發達國家幾乎在所有的混凝土結構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構、降低水膠質量比、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度, 通常強度降低幅度為10% ～20%，但強度降低可通過減少細集料和水的用量加以補償[ 3 6 ]。引氣劑多為表面活性物質，分布于氣液界面,使水的表面張力降低、氣泡易于形成并穩定. 松香熱聚物是常用的引氣劑品種，其缺陷是氣泡直徑較大、性能不穩定，與某些減水劑、緩凝劑相容性較差，常導致引氣劑分離或附壁。
1 原材料與試驗方法
1.1 原材料
膠凝材料: P. I5215 級水泥和Ⅰ級粉煤灰( FA ) (中國海螺)；預水化粉煤灰( PFA )和礦渣微
粉(SL ) (課題組自制)，化學成分如表1所示。
表1 膠凝材料的化學成分
集料：細度模數2163的中砂; 粒徑5～25 mm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(江蘇交科建材技術有限公司) ；JC22000保塑劑；PC22松香類引氣劑；木質素磺酸鹽減水劑；糖蜜減水劑。
1.2 試驗方法
1.2.1 聚羧酸類引氣劑的應用技術
控制混凝土中膠凝材料用量為350 kg /m3，摻用礦物外摻料時，礦物外摻料等量取代20%水泥；砂率42%；水膠質量比0145；通過調節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GB 8077—2001《混凝土外加劑勻質性試驗方法》測定新拌混凝土含氣量。調節新拌混凝土坍落度為17～19 cm，分別測定了新拌混凝土和標準養護28d 的硬化混凝土含氣量與氣泡間距系數。對比試驗了聚羧酸類引氣劑、PC22 松香熱聚物引氣劑與木質素磺酸鹽減水劑、糖蜜減水劑的相容性。
試驗時，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價試驗采用上述水泥、砂、石和配合比，摻用占水泥質量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400 kg /m3 ，分別以20% 預水化粉煤灰和礦渣微粉取代水泥，取水膠質量比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7～9 cm。混凝土試件經標準養護28d進行抗壓強度試驗和經300次凍融循環的相對動彈性模量測定。測定抗壓強度時，對比試驗了非引氣的基準混凝土抗壓強度。
2 試驗結果與分析
2.1 聚羧酸類引氣劑摻量
由試驗結果可知，在較低摻量( 0.006% )時，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系(質量分數) %
由試驗結果可知,礦物外摻料對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，會吸附引氣劑分子，使引氣量下降0.5% ～1.7%；預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揮，分別使混凝土含氣量增加0.3%～0.9%和0.2% ～1.1% ，因為預水化粉煤灰中含有部分低溫熟料礦物，可促進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。
2.2 聚羧酸類引氣劑與普通減水劑的相容性
試驗結果表明：松香熱聚物與木質素磺酸鈉、木質素磺酸鈣以及糖蜜混合后產生化學反應,所生成的物質屬于皂化物類，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素磺酸鈉、木質素磺酸鈣以及糖蜜則具有較好的化學相容性。
2. 3 含氣量與氣泡間距系數
混凝土含氣量與混凝土中的氣泡間距系數的關系如圖1、圖2 所示。當氣泡間距小于等于0.2mm時，混凝土具有優良的抗凍融耐久性。試驗結果顯示，無論是處于塑性狀態還是硬化狀態，當混凝土含氣量大于等于4%時，氣泡間距小于等于0.2 mm，這一試驗結果優于常用非聚羧酸類引氣劑。但對同一組混凝土而言，硬化混凝土比塑性混凝土氣泡間距系數略大，因為混凝土含氣量不僅在塑性狀態存在經時損失，而且在成型時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關系曲線
圖2 硬化混凝土含氣量與氣泡間距系數關系曲線
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