（道路与铁道工程专业论文）路用引气混凝土工艺及耐久性室内试验研究.pdf

i n d o o re x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nm a n u f a c t u r a b i l i t ya n dd u r a b i l i t y o fr o a da i r - e n t r a i n e dc o n c r e t e a 0s h a o h u a b e ( h u n a ni n s t i t u t eo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 m s ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 11 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 1 n d i s c i p l i n eo f r o a da n dr a i l w a ye n g i n e e r i n g l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rh u a n gy u n y o n g a p r i l ，2 0 1 1 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名：甫 勾戈 1 日期：矽1 1 年厂月吖日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密i - i ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密商。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：矽f f 年 日期：砂f j 年 箩月呻日 i 箩月彩日 摘要 引气混凝土是指在混凝土拌合物拌合过程中掺加引气剂以引入大量微小气泡， 从而使混凝土的工作性、耐久性等性能得到有效改善的一种混凝土。引气混凝土 是一种性能较优良的水泥混凝土，目前广泛应用于建筑节能保温、水工结构、机 场道面、道路工程等混凝土材料所涉及的各个方面，具有很好的发展前景。本文 主要是针对引气混凝土在道路路面中的应用进行试验研究，围绕引气混凝土的含 气量，试验分析了因混凝土中引入微小气泡而引起混凝土的各种性能变化，得到 了一些对我们道路水泥路面建设施工有益的成果与数据。 本文先是进行路用引气混凝土的配合比设计。具体先是对混凝土的级配进行 设计，使混凝土级配满足骨架密实型级配的要求，进而按照“体积法”进行混凝 土配合比的理论试配，然后利用“正交试验法 选出两组性能比较良好的混凝土 配合比进行混凝土的2 8 d 力学性能测试，最后找出符合路面重或特重交通等级力 学性能要求的混凝土配合比，以此配合比来进行接下来的各种性能试验。 针对混凝土在施工中经常遇到的坍落度和含气量损失的问题，本文先从理论 的角度分析了坍落度和含气量损失的机理，然后通过室内试验分析了影响坍落度 和含气量损失的各种因素，分析的主要影响因素有原材料、水胶比、粉煤灰、坍 落度、含气量、减水剂掺量、振动时间以及新拌混凝土所处的状态。最后依据得 出的各种因素的影响规律，提出了关于如何控制坍落度和含气量损失的相关建议。 在面对土木工程中日益突出的“耐久性问题，本文着重试验分析了引气混 凝土的抗渗性能和抗盐冻性能，找出了含气量与他们之间的影响关系，并从理论 的角度分析了为什么引气混凝土具有优良的耐久性能。论文最后还试验分析了引 气混凝土的疲劳性能，认为含气量在4 5 以内时，含气量对混凝土的疲劳性能影 响甚微。 通过本文中的试验研究，让我们对路用引气混凝土的各种性能有一个较充分 的认识，为路用引气混凝土的的推广和进一步的应用提供了相关的试验和理论依 据，也为公路路面建设提供一种新的思路。 关键词：路用引气混凝土；配合比设计；工艺性；耐久性；疲劳性能 a bs t r a c t a i r - e n t r a i n i n gc o n c r e t ei sak i n do fc o n c r e t et h a t i sa d d e da i r 。e n t r a i n i n ga g e n t a n di n t ow h i c hl o t so ft i n yb u b b l e si si n t r o d u c e d ，t h u st h ec o n c r e t ew o r k a b i l i t ya n d d u r a b i l i t va r ee f f e c t i v e l yi m p r o v e d a i r e n t r a i n i n g c o n c r e t ei sar e l a t i v e l yg o o d p e r f l o r m a n c eo fc e m e n tc o n c r e t e ，a n di t i su s e dw i d e l yi ne n e r g y - s a v i n gb u i l d i n g i n s u l a t i o n 、h y d r a u l i cs t r u c t u r e s 、r o a dp a v e m e n te n g i n e e r i n g ，s u c ha sa l la s p e c t so f c o n c r e t em a t e r i a li n v o l v e d ，a n dh a sav e r yg o o dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t t h i sp a p e r i s m a i n l va i m e da ta i r e n t r a i n i n gc o n c r e t ea p p l i c a t i o ni n r o a dp a v e m e n t ，i n c l u d i n g a r o u n da i r e n t r a i n i n g ，t e s t l ya n a l y s e sv a r i o u sp r o p e r t i e sc h a n g eo fc o n c r e t ew i t h i n t r o d u c e dt i n yb u b b l e s ，a n do b t a i n ss o m e b e n e f i c i a lr e s u l t sa n dd a t af o ro u r c e m e n tr o a dp a v e m e n tc o n s t r u c t i o n t h i s p a p e rf i r s t l y c a r r i e so np r o p o r t i o n i n gd e s i g n o fr o a da i r - e n t r a i n i n g c o n c r e t e s p e c i f i c l y ，f i r s t l yd e s i g n sc o n c r e t eg r a d a t i o n ，m a k e st h ec o n c r e t eg r a d a t i o n s a t i s f i n gt h er e q u i r e m e n t so ft h es k e l e t o nd e n s e g r a d e d ，a n dc a r r i e so nt h et h e o r e t i c a l m i x i n go fc o n c r e t ep r o p o r t i o na c c o r d i n gt ot h e ”v o l u m e m e t h o d ”，a n dt h e nb yu s i n g t h e ”o r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d ”p i c k so u tt w og r o u p so f b e t t e rp e r f o r m a n c eo f c o n c r e t ep r o p o r t i o na c c o r d i n gt o2 8 dm e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fc o n c r e t e ， f i n a l l y f i n d so u tt h em i xp r o p o r t i o no fc o n c r e t ea c c o r d i n g w i t hm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t s o fh e a v yo rt r a f f i cr a n kp a v e m e n t ，t h en e x t ，c a r r y so u tv a r i o u so f p e r f o r m a n c et e s t so nt h a tc o n c r e t ep r o p o r t i o n i nt h ec o n s t r u c t i o no fc o n c r e t e ，w ef r e q u e n t l ye n c o u n t e ro np r o b l e m so ft h e s l u m pa n dg a sc o n t e n tl o s s ，t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y s e st h em e c h a n i s m o ft h es l u m p a n dg a sc o n t e n tl o s sf r o mt h ep o i n to f v i e wo ft h e o r y ，a n dt h e na n a l y s e st h es o r t so f i n f l u e n c ef a c t o r so ft h es l u m pa n dg a sc o n t e n t l o s sb yi n d o o re x p e r i m e n t ，t h e i n f l u e n c ef a c t o t sa n a l y z e dm a i n l yi n c l u dt h er a wm a t e r i a l s 、w a t e r - b i n d e rr a t i o 、f l ya s h 、 s l u m p 、g a sc o n t e n t 、c o n t e n to fw a t e rr e d u c i n ga g e n t 、v i b r a t i o n t i m ea n dt h es t a t eo f t h en e wm i x i n gc o n c r e t e f i n a l l y ，b a s e i n go ni n f l u e n c el a wo f v a r i o u sf a c t o r s ，p u t s f o r w a r dt h er e l a t e ds u g g e s t i o n so nh o wt oc o n t r o lt h es l u m pa n dc o n t a i n i n gv o l u m e l o s s i nt h ef a c eo ft h e ”d u r a b i l i t y ”t h a ti sai n c r e a s i n g l yp r o m i n e n tc i v i le n g i n e e r i n g p r o b l e m ，t h ea r t i c l e m a i n l ye x p e r i m e n t a la n a l y s e s t h e p e r f o r m a n c e o ft h e a n t i - p e r m e a b i l i t v a n df r o s t r e s i s t a n c eo fa i r - e n t r a i n i n g c o n c r e t e ，f i n d so u tt h e i t i n f l u e n c er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a sc o n t e n ta n dt h ec o n c r e t ep e r f o r m a n c e ，a n d a n a l y s e st h er e a s o no fw h ya i r e n t r a i n i n g c o n c r e t eh a sg o o de n d u r a n c ef r o mt h e p e r s p e c t i v eo ft h et h e o r y l a s t l y ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ef a t i g u ep e r f o r m a n c e o f a i r - e n t r a i n i n gc o n c r e t e ，t h i n k st h a tt h eg a sc o n t e n th a sl i t t l e e f f e c to nt h ef a t i g u e p r o p e r t i e sw h e n t h eg a sc o n t e n ti si nt h e4 5 t h r o u g ht h ep a p e r 7 s e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，l e tu sh a v e am o r ea w a r eo ft h e v a r i o u s p e r f o r m a n c e o ft h e a i r e n t r a i n i n g c o n c r e t e ，a n dp r o v i d e st h er e l a t e d e x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rg e n e r a l i z a t i o na n df u r t h e ra p p l i c a t i o no fr o a d a i r e n t r a i n i n gc o n c r e t e ，a l s oo f f e r san e w i d e af o rt h eh i g h w a yp a v e m e n tc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：r o a da i r - e n t r a i n i n gc o n c r e t e ；m i xp r o p o r t i o nd e s i g n ； m a n u f a e t u r a b i l i t y ；d u r a b i l i t y ；f a t i g u ep e r f o r m a n c e l i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 研究背景及研究意义1 1 2 引气剂与引气混凝土的产生及定义2 1 2 1 引气剂的定义及发展历史2 1 2 2 引气剂的种类2 1 2 3 引气混凝土的产生及定义3 1 3 国内外研究概况3 1 3 1 国外发展及研究概况3 1 3 2 国内发展和研究现状4 1 3 3 国内外主要研究成果5 1 4 本文主要研究内容及思路1 0 第二章原材料主要指标、研究方案及试验方法 2 1 原材料的主要指标试验1 2 2 1 1 才( 1 2 2 1 2 水泥1 2 2 1 3 粉煤灰1 2 2 1 4 骨料13 2 1 5 减水剂1 4 2 1 6 引气剂1 4 2 2 研究方案15 2 3 试验方法1 7 2 3 1 外加剂与水泥的适应性试验1 7 2 3 2 含气量测定试验方法1 7 2 3 3 抗压强度测定方法1 8 2 3 4 抗弯拉强度测定方法1 8 2 3 5 抗渗性能试验方法1 9 4 1 路用混凝土坍落度损失试验研究3 4 4 1 1 混凝土坍落度损失机理3 4 4 1 2 坍落度损失的影响因素及试验研究3 5 4 1 3 混凝土坍落度损失的控制措施4 2 4 2 路用混凝土含气量损失试验研究4 2 4 3 第五章 5 1 5 2 4 2 1 混凝土拌合物气泡形成、稳定和损失机理4 3 4 2 2 含气量的影响因素及其试验研究4 3 4 2 3 含气量的经时损失试验研究4 6 4 2 4 混凝土含气量控制建议4 8 本章小结4 8 路用引气混凝土耐久性及疲劳性能试验研究 耐久性试验研究5 0 5 1 1 盐冻试验研究5 0 5 1 2 路用引气混凝土抗渗性能5 7 5 1 3 引气剂改善混凝土耐久性作用机理探讨6 l 路用引气混凝土的疲劳性能6 2 5 2 1 试验概况及实测结果6 2 5 2 2 疲劳寿命的概率分布6 4 5 3 第六章 6 1 6 2 6 3 参考文 致谢 附录a 第一章绪论 1 1 研究背景及研究意义 英国人在1 8 6 5 年修建世界上第一条水泥混凝土路面，至今已有1 4 6 年历史。 水泥混凝土路面具有强度高、抗超载能力强、寿命长、磨损小、施工简单、环境 适应能力强、经济性好等优点，是高等级公路最主要的结构形式之一。无论在国 内还是国外，水泥混凝土路面在高等级公路中都占有相当大的比例。我国在1 9 2 8 年修建了第一条水泥混凝土路面，至今已有8 3 年的历史，据交通部公路司2 0 1 0 年底的统计资料，我国高等级路面的总里程数将达到5 0 万公里，其中水泥路面超 过2 9 万公里，占5 8 2 ；在高速公路中，水泥路面约占2 5 ；二级及二级以上的 国道、省道中，水泥路面约占6 7 。随着我国高速公路、高等级公路建设的飞速 发展以及国家的“村村通”路面工程的实施，水泥路面的发展速度将会更快、更迅 速。 在2 0 世纪3 0 年代，美国、日本、英国等就开始使用引气剂。引气剂是在搅 拌混凝土的过程中能引入大量稳定、均匀分布且封闭的微小气泡的一种外加剂。 引气剂的掺量通常在0 0 0 2 - - 一0 0 1 ，使混合物中引气量达到3 - - - , 5 。据估计， 在此情况下，每立方米混凝土中将引入5 0 0 0 亿 - 8 0 0 0 亿个小气泡，从而改善了 新拌混凝土的和易性，使混凝土的抗冻性、耐久性得到显著提高。 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。于是在调查中发现，普通混凝土抗冻融性较 差，而用油脂类物质( 如牛脂、鱼脂、松树脂) 做助磨剂的水泥，其混凝土路面 抗冻性很好。研究发现，由于含有这些表面活性物质，降低了水的表面张力，在 混凝土的搅拌过程中产生均匀、稳定的小气泡，从而提高了混凝土的抗冻性和耐 久性。后来，由使用这种“引气水泥”进一步发展到在混凝土搅拌时掺入引气剂， 而木松香精制过程中的副产品一文沙( v i n s 0 1 ) 树脂成为最早获得专利权的混凝 土引气剂，一直沿用至今u 们。 随着可持续发展，人与自然和谐相处等先进观念的日益加深，混凝土材料的 耐久性也越来越引起人们的重视。混凝土耐久性是指在各种可能导致材料性能劣 化的环境因素长期作用下维持其应有功能的能力。由于土木及水利工程建设所耗 费的材料数量极其巨大，生产这些材料不但破坏生态、污染环境、而且资源有限， 此外，耐久性不足也会带来庞大的修理费用。例如英国英格兰岛中部环形快车道 上1 1 座钢筋混凝土高架桥，当初建造费为28 0 0 万英镑，到1 9 8 9 年维修费就达 到45 0 0 万英镑，是最初造价的1 6 倍，估计以后还要耗资1 2 亿英镑的维修费用， 累计接近当初造价的6 倍，这说明了结构耐久性造成的损失大大超过人们的预期。 对此，美国学者用“五倍定律形象地说明了耐久性的重要性，尤其是设计对耐 久性问题的重要性。例如在设计时，对新建项目在钢筋防护方面无理由地每节省 l 美元，就意味着当钢筋锈蚀时而采取措施时要多追加维修费5 美元，顺筋开裂 时需多追加维修费2 5 美元，严重破坏时需多追加维修费1 2 5 美元 3 8 】。沉重的代 价使人们认识到，不仅要用耐久性良好的材料及时修复已出现问题的混凝土工程， 更重要的是今后新建的混凝土工程必须要具有足够的耐久性以保证设计使用寿命。 由于混凝土耐久性能的重要性，作为耐久性能非常优秀的引气混凝土此时脱 颖而出，成为研究和应用的首选土木建筑材料。在公路建设中，尤其是在高等级 路面中，引气混凝土也越来越受到广泛的使用。但目前国内对引气混凝土的研究 尚不全面系统，很多建设施工单位仍对引气混凝土的强度有所顾忌，加之施工过 程中混凝土的引气量难以控制，因而都不太敢大量使用。因此，关于一整套路用 引气混凝土配合比优化设计，施工工艺以及耐久性的试验研究就显得非常的重要。 本文正是抱着这样一个想法，希望能解决在引气混凝土路面设计和施工中所遇到 的一系列问题。同时也希望为高等级引气水泥混凝土路面建设提供必要的理论依 据。 1 2 引气剂与引气混凝土的产生及定义 1 2 1 引气剂的定义及发展历史 引气剂也称为加气剂，是指在混凝土拌合物的搅拌过程中，能引入大量分布 均匀的微小气泡，能降低混凝土拌合物中水的表面张力，从而导致更好的分散性， 减少混凝土拌合物的泌水、离析的一种外加剂。美国从1 9 3 7 年开始研究引气混凝 土和引气剂，首创松香树脂酸类引气剂一文沙树脂( v i n s o ) 树脂，1 9 3 8 年获得 专利。文沙树脂最初被用于改善预拌混凝土的保水性、地下结构排水工程防渗、 装饰砂浆以及提高寒冷地区路面和大坝混凝土的抗冻性等方面。美国材料试验协 会首先制定了关于引气剂的标准及试验方法a s t - m c 2 6 0 及c 2 3 3 。2 0 世纪4 0 年 代日本从美国引进引气混凝土技术，5 0 年代初，由山宗化学公司等开发了文沙类 引气剂产品。此外，日本还研制了木制磺酸盐类引气减水剂、萘磺酸盐类引气减 水剂等n 们。 1 2 2 引气剂的种类 引气剂的发展至今已经有七十多年的历史了，其种类繁多，应用范围广，数 量也多。但目前我国引气剂产品种类仍很少。许多单位对应用引气剂或引气型外 2 加剂仍有顾虑，担心含气量影响混凝土的强度。发展至今，根据引气剂的主要组 分可将引气剂分为以下四类： 1 ) 松香树脂类的钠盐化物，主要包括文沙树脂、松香皂、松香热聚物。第一 代松香皂引气剂优点：价格低、生产简单；缺点：引气泡较大且不稳定，溶解性 及与其他j l - ；b l l 剂复合性差，混凝土强度降低较大。第二代松香热聚物引气剂优点： 掺量小，引气效率高；缺点：因聚合反应程度不同，引气剂及其引气气泡质量差 异较大。 2 ) 非离子型表面活性剂，主要有烷基酚环氧乙烷缩合物( o p ) 和皂荚苷类 引气剂。多年生乔木皂荚树果实中含有一种辛辣刺鼻的提取物，主要成分为三萜 皂苷，它具有良好的引气性能。三萜皂苷分子结构较大，形成的分子膜较厚，气 泡壁的弹性和强度较高，气泡能保持相对稳定。优点：引气气泡细小、结构良好、 强度损失小、稳定、水溶性和外加剂的复合性好、有一定的减水和缓凝效果；缺 点：掺量相对较大、受资源制约价格高。 3 ) 烷基苯磺酸盐类，主要有烷基磺酸钠、烷基苯磺酸钠、聚氧乙烯醚、皂角 素等，属阴离子表面活性剂，易溶于水而产生气泡。优点：发泡能力强、掺量小； 缺点：气泡不稳定，且气泡结构较差。 4 ) 脂肪醇类，主要有脂肪醇硫酸钠( f s ) ，高级脂肪醇衍生物。优点：无明 显优点；缺点：引气气泡较大且不稳定，混凝土强度损失较大。 5 ) 木质素磺酸盐类，优点：有较明显的减水效果，一定的缓凝作用；缺点： 掺量大，引气气泡结构不好。 1 2 3引气混凝土的产生及定义 引气混凝土的产生和发展与引气剂的产生和发展紧密相关。引气剂的产生和 发展促进了引气混凝土技术的发展和应用，引气混凝土随着引气混凝土技术的应 用应运而生，引气混凝土技术是指在混凝土拌和物拌和过程中掺加适量的引气型 外加剂来达到改善混凝土抗渗、抗冻性能的目的，从而提高混凝土耐久性的项 技术，而引气混凝土就是指采用引气混凝土技术，在混凝土中掺加引气剂引入大 量微气泡( 2 0 0um 以下) ，最终使得混凝土工作性、耐久性等性能得到改善的混凝 土n 。引气混凝土是一种性能较优良的水泥混凝土，目前广泛应用于建筑节能保 温、道路工程、水工结构、机场道面等混凝土材料所涉及的各个方面，具有很好 的发展前景。 1 3 国内外研究概况 1 3 1国外发展及研究概况 2 0 世纪3 0 年代，在分析研究美国纽约州具有较好耐久性混凝土公路时，引 3 气剂被一个偶然的机会发现。从1 9 3 8 年开始，在公路上不断推广应用，并在此基 础上发展了引气减水剂( 又称a e 减水剂) 。美国材料试验学会首先制定了关于引气 剂的标准及试验方法a s t - m c 2 6 0 及c 2 3 3 。1 9 4 2 年，美国还率先制定了引气混凝 土的施工规范。1 9 4 8 年以后，引气剂和引气减水剂在美国公路、桥梁、水工等工 程中广泛应用。2 0 世纪8 0 年代，全世界许多国家在有关水泥混凝土路面的设计 施工规范中都不同程度地提出采用引气混凝土技术的要求或建议，并指出引气混 凝土在抵抗冻融、盐蚀、抗渗以及提高混凝土的工作和易性方面均有显著效果。 在美国、加拿大、和欧洲等发达国家及地区，由于他们十分重视工程的耐久性， 引气剂已成为最常用的一种外加剂，掺引气剂的混凝土已占混凝土总量的7 0 8 0 ，甚至更多。 2 0 世纪4 0 年代，日本从美国引进引气混凝土技术，5 0 年代，由山宗化学公 司等开发了文沙类引气剂产品。随后，相继发表了有关的研究成果。主要是将引 气混凝土用于寒冷地区的道路和大坝混凝土以提高抗冻性。例如，日本著名的奥 只见坝、田子仓坝、东京都小河内坝、北海道开发局金山坝等都使用了引气剂。 目前日本全国约有8 0 以上的混凝土搅拌站采用引气剂。此外，日本还研制了木 质磺酸盐类引气减水剂、奈磺酸盐类引气减水剂等。1 9 6 6 - - 19 7 5 年间，日本土木 学会、材料学会、住宅公团、建筑学会制定了引气剂的标准和规范。l9 8 2 年，日 本j i s a6 0 2 4 混凝土用化学外加剂中列出了引气剂、减水剂和引气减水剂三种 外加剂的质量标准；1 9 9 5 年又添增了高性能引气减水剂n 们。 日本把引气混凝土以外的混凝土视作特殊混凝土，足见其普及程度之大以及 它的重要性h 一1 。国外使用和研究引气剂的历史相对较长，理论及应用技术也比较 成熟，为世界各国引气混凝土的应用提供了宝贵的经验，但由于各国气候、地理、 原材料、技术等因素各不相同，因此，在各自的应用过程中都需不断的进行试验 研究，逐步建立和完善适应自己的一套引气剂理论和技术并逐步推广。 1 3 2 国内发展和研究现状 2 0 世纪5 0 年代，我国从前苏联引进以松香皂为代表的第一代引气剂，并在 天津新港、梅山和佛子岭水库等工程中成功应用，后来不断在国内许多港口和水 工工程中相继应用。但是由于国内当时对工程耐久性的重视不够，相应的标准和 规范没有作出必要的规定，使得引气剂产品质量及应用技术发展非常缓慢，引气 混凝土的使用领域也比较狭窄。 直到2 0 世纪8 0 年代末，国内的公路、桥梁、机场道面等工程基本上还没有 使用引气剂的案例，工程技术人员也大多没有混凝土需要引气的意识，19 9 6 年为 举办冬季亚运会修建的哈绥高等级公路，在使用1 个冬季后，因撤除冰盐造成路 面和路肩板出现大面积严重剥蚀破坏，引起了公路界的重视，也开启了国内这一 4 工程领域使用引气剂的先河聃j 引。1 9 9 9 年，采用了引气混凝土技术的黑龙江省哈 同公路集佳路段公路，成为我国第一条引气水泥混凝土高等级公路，此后，在桥 梁工程和市政工程中不断得到成功应用，并制订了相关规范。随着混凝土技术的 发展，尤其是引进国外施工设备和批准外资工程公司进入我国施工市场，引气剂 的使用更加广泛。在我国南方混凝土道路施工中，正是引进的滑模摊铺机要求必 须使用引气剂，从而使引气剂第一次在我国南方地区混凝土道路工程中使用，并 取得了良好效果心。 然而，目前国内的有关引气剂的研究还停留在引气剂的气泡质量对于混凝土 性能的影响阶段，对于引气剂气泡质量优劣原理的研究几乎是空白，这也是当前 国内引气剂产品质量参差不齐的主要原因之一h 3 。我国对引气剂及引气混凝土的 研究相对较晚，最初的研究只局限于混凝土的抗冻性能、抗渗性能等，主要应用 于水工结构、港口工程等混凝土工程。随着引气混凝土表现出来的各种优良性能， 研究领域正慢慢扩展开来，虽然目前研究还不够系统全面，但对引气剂已倍加关 注，在相关标准规范中已明确指出了对引气剂的使用。这都将进一步推动引气剂 的使用和引气混凝土的应用发展。国内很多学者对引气混凝土进行了许多试验研 究并进行了实践，都取得了相当好的经济和社会效益。 1 3 3 国内外主要研究成果 1 3 3 1引气剂引气机理 引气剂实际上是气泡形成剂。在水中产生气泡时，形成气液分散体系，要得 到稳定泡沫必须要有起泡剂的存在，它吸附在气液界面上并降低其表面张力。当 单个气泡在毛细管中形成时，它受到两种力的作用。一种是气泡受到的浮力力， 其大小为： 4 = r r r 3 9 p j 式中r 一所形成气泡的半径； g 一重力加速度； p 一液体密度( 严格来说应为液气之间的密度差) 。 另一种力是在毛细管上形成的气泡所受到的表面引力五，它是阻碍气泡离开 毛细管的力。其大小可近似为： 厶= 2 r t r a 式中厂_ 毛细管半径； 卜液体表面张力。 当两种作用力相等时，即力= f 2 ， 5 则得： r 3 = 3 r _ z 2 9 p 式( 1 1 ) 表示气泡刚能离开毛细管时的半径，故称为临界半径。这就是说， 只有气泡的半径大于r 值时，它才能形成气泡。由此得出，形成气泡的大小取决 于，- 、p 、盯。要形成稳定的小气泡必须降低表面张力盯。此外，还受气体的流速和 液体粘度的影响n 们。 从表面活性剂溶液中生成泡沫首先应使空气进入溶液中。为此可以使用某些 机械方法使进入溶液中的空气被周围的溶液包围形成气泡。此时，瞬间生成憎水 基朝气泡内部，亲水基朝向液相的吸附膜。形成的气泡由于溶液的浮力而上升， 冲向溶液的表面。如满足适当的条件，当气泡正在从表面向外部空气相中逸出时， 便形成双分子膜。被双分子膜包围起来的气泡释入空气中的状态如图1 1 示。 罄每 上 k _ r 二二誓二二妒并钦；= 。二- 二- 二- = - = - 二- 二= = i 二= 二= - 一一一一一一一- ) (7 【一一一一一一一一一一 图1 1 气泡形成示意图 1 3 3 2气泡稳定机理 ( 1 ) 引气剂含有表面活性剂，能够显著降低气一液界面张力，有助于减小气泡 直径，形成稳定的微小气泡。这些小气泡能降低表面能，其双膜间液体粘度较大， 比重较轻，使气泡膜中液体的流动速度及渗出的过程极为缓慢，形成亚稳定的泡 膜。测定表面张力过程中还发现引气剂所形成的膜还具有表面弹性，这将使得气 泡更具稳定性。 ( 2 ) 气泡表层液膜之间产生的静电斥力作用，减少小气泡因靠近而造成互相兼 并从而形成大气泡的可能，提高了气泡的稳定性。同时增大了水化膜厚度及机械 强度，提高了气泡表面粘度及液膜弹性，这都是气泡稳定性的重要因素。 ( 3 ) 引气剂通过其极性基团可能吸附大量的水泥颗粒或者水泥水化颗粒使之 沉积于气泡表面，使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3 。 6 1 3 3 3引气混凝土性能 1 新拌混凝土的和易性 掺引气剂和引气减水剂，由于使混凝土引进大量微小且独立的气泡，这些球 状气泡的滚动作用和浮托作用使混凝土和易性和稳定性得到大大改善和提高。尤 其在骨料粒形不好的碎石或人工砂混凝土中更为显著。引气减水剂由于具有引气 减水双重作用，所以在相同情况下效果更佳。 2 泌水沉降收缩 由于引气剂或引气减水剂的引气减水作用，使拌合物的泌水和沉降收缩显著 减少。克雷杰格( k r e i j g e r ) 提出，对于w c = o 5 0 的水泥浆，掺阴离子型减水剂 时，相对泌水速度为： 警= 1 1 0 x ( 1 2 ) 而对阴离子型引气剂和非离子减水剂为： 姿= 1 4 x ( 1 3 ) v 式中驮、q 一不掺或掺外加剂的水泥浆的泌水速度； 石一外加剂浓度。 泌水和沉降与水泥浆的粘度有密切关系，而水泥浆的粘度又与其微粒对表面 活性剂的吸附及气泡在粒子表面的附着有关。由于气泡的存在，整个体系的表面 积增大，比不引气时的粘度大得多。尤其当有将粒子憎水化的阴离子表面活性剂 ( 如松香皂类) 存在时，由于粒子间引力增大，使水泥浆的粘度进一步增大，这 样泌水和沉降就减少n 们。 3 抗渗性 由于掺引气剂使混凝土用水量减少和泌水沉降降低，这都使混凝土中的毛细 孔减少( 在水泥石与集料的界面区产生的毛细孔比水泥石内的毛细孔至少大1 0 倍) ，这样使混凝土水分迁移的主要通路减少，即混凝土中最薄弱和易受破坏的部 分减少。同时，引入大量微气泡占据了混凝土中的自由空间，破坏了毛细管的连 续性，这样就使混凝土抗渗性得到改善。 杨钱荣研究指出，与同强度普通混凝土相比，混凝土引气后，水渗透系数明 显降低，尤其在中低强度( 2 5 - - 一4 5m p a ) 时比较明显，引气混凝土的渗透系数为普 通混凝土的1 5 左右朝。 4 抗冻融性 掺引气剂能使混凝土的抗冻融性得到显著改善，其改善程度不是百分之几十 7 而通常是几倍，甚至十几倍地提高，大大延长了混凝土在受冻融情况下的使用寿 命。掺引气剂能显著提高混凝土的抗冻融性，对这个问题存在几种不同的解释。 美国的鲍尔斯( t c p o w e r s ) 提出的静水压力就是其中之一n 们。 当混凝土表面处于冰点以下时，靠近表面的孔隙中的非结晶水和渗进的水冻 结，产生约9 的体积膨胀，产生膨胀压使没有冻结的自由水不得不迁移，当迁 移受约束时就形成静水压，混凝土薄弱部分由此造成裂缝，如此反复循环，裂缝 发展最后造成破坏。当混凝土中掺引气剂后，引入大量微细气泡，这些气泡均匀 分布在混凝土体内，可以容纳自由水的迁移，大大缓和了净水压力，因此显著提 高了混凝土承受反复冻融循环的能力。 这个理论较好地解释了引进空气改善抗冻性的作用，但和后来他自己及其他 学者所得的若干试验结果相违。以后他又提出渗透压说，认为由于混凝土较大孔 隙内部水先结晶后，余留部分碱浓度提高，造成微细孑l 隙中冻结水向较大孔隙内 形成的冰晶迁移，形成的渗透压可以导致混凝土破坏。 h l k e n n e s y 于一九四四年，在“波特兰水泥混凝土组成中的引气效果” 一文中首次提出引气混凝土中气泡的松弛应力作用机理【1 1 】。其主要思想为：混凝 土中毛细管内中的水冻结时，必然发生膨胀而出现冻胀应力，而引气混凝土中存 在的气泡可使冻胀应力松弛，若应力未超过某一临界值则混凝土不出现冻害，即 所谓气泡“卸压”的物理作用。这就是气泡松弛应力作用机理，也是现行普遍认同 的引气混凝土抗冻机理。 综上所述，混凝土冻融破坏的主要原因在于混凝土中存在孔隙水，在冻结过 程中孔隙水产生冻胀应力，应力超过某一临界值即出现冻害，混凝士在冻融循环 下不断受损而破坏。引气混凝土的抗冻机理主要是：混凝土通过引气后，大量均 匀分布的微气泡能使因孔隙水冻结产生的冻胀应力得以松弛，并能减少孔隙水冻 结过程中的冻胀压和冰水蒸汽压及渗透压：微气泡空间还能够缓冲因冻结引起的 静水压，同时微气泡既可变位也可变形，能有效地阻止孔隙水向冰晶体的移动， 起到抑制冰晶体生长的作用，从而提高引气混凝土的抗冻耐久性h 钔。 5 抗盐冻及抗盐结晶破坏性能 由于盐冻剥蚀破坏本质也是水结冰膨胀而破坏，引气同样对改善混凝土抗盐 冻性能有很好的效果，杨全兵，吴学礼，黄士元的研究表明引气剂能明显改善混 凝土的抗盐冻性能，并指出随着冻融循环次数的增加，不同含气量的混凝土抗盐 冻性的差异更加明显，引气剂的作用也更加明显嵋钔。 杨钱荣，黄士元等【6 9 】对盐结晶产生的膨胀破坏的影响研究指出，尽管引气不 能彻底解决硫酸盐结晶破坏问题，但引气混凝土因为引入的气泡对体积膨胀起到 了缓冲作用，所以有效的减少和延迟了盐结晶引起的破坏。 6 耐硫酸盐侵蚀和耐碱集料反应性能 混凝土的碱集料反应破坏，是由于集料的活性组分与碱组分发生反应导致混凝土 膨胀开裂，这种膨胀是源于集料相对于基体的膨胀。国外的实验研究表明【55 】：引 气混凝土的耐硫酸盐侵蚀和耐碱集料反应的性能优于非引气混凝土。朱蓓蓉研究 指出引气对碱集料反应的化学膨胀抑止作用十分明显，随着含气量的增加，试件 膨胀率显著降低。引气能改善碱集料反应膨胀率的原因在于：引气剂产生的大量 微小气泡均匀分布在水泥浆体结构中，这些微小空间可以作为体积膨胀的“缓冲阀” 降低化学反应引起的混凝土破坏哺3 。 7 抗裂性能 杨钱荣，黄士元在水泥浆体早期开裂性能研究中指出，在同样水灰比的情况 下，掺引气剂可以使水泥浆体初始开裂时间延长，同时还可以降低净浆早期裂缝 的宽度，且随着引气剂掺量的增加效果越明显。当引气剂掺量大时，水泥浆体甚 至不出现开裂。掺引气剂不仅降低了水泥浆体早期开裂的敏感性，而且有助于抑 制浆体早期裂纹的发展，即引气可以明显地提高水泥浆体的早期抗裂性随1 。 8 抗压强度 在单掺引气剂时，与不掺的基准混凝土相比，水泥用量不变时，每增加l 含气量，2 8 天抗压强度下降2 3 ；水灰比不变时，下降4 6 。掺引气减 水剂时，由于减水率增大，强度可以不降低甚至有所提高。 关于掺外加剂混凝土的强度与减水率、含气量之间的关系，可以用冈田和西 林【1 0 】提出的经验公式表示： a = o o ( 1 - 0 0 5 z l n , + o t a w ) ( 1 4 ) 式中：卜掺外加剂混凝土强度； o o 一基准混凝土强度； 从一增加的含气量( 掺与不掺外加剂的混凝土含气量差值) ； 水灰l - t ；降低值( 掺与不掺外加剂的混凝土水灰l - t ；差值) ； 吐一减水能力系数( 水灰比减少1 ，强度的增长系数) 。 9 抗弯拉强度 傅智等【2