混凝土外加剂.doc

混凝土外加剂：引气剂混凝土外加剂是指在拌制混凝土过程中掺入的用以改善混凝土性能的物质，其掺量一般不大于水泥质量的5%（特殊情况除外）。 外加剂按其主要功能，一般分为四类：（1）改善混凝土拌合物流变性能的外加剂，如减水剂、引气剂、泵送剂等。（2）调节混凝土凝结时间和硬化性能的外加剂，如缓凝剂、早强剂等。（3）改善混凝土耐久性的外加剂，如防水剂、阻锈剂、抗冻剂等。（4）提供特殊性能的外加剂，如加气剂、膨胀剂、着色剂等。我国混凝土外加剂的起步较国外稍晚，20世纪50年代开始研究和应用木质素磺酸盐和引气剂，但是由于当时条件的限制，在随后相当长的时期内，发展缓慢。直到1970年以后，外加剂的研究和生产才得到发展。特别是20世纪80年代中国混凝土外加剂学会和分会的相继成立，加之改革开放后良好的建设市场，促进了混凝土外加剂的科研、生产和应用的快速发展，使用外加剂的混凝土量占混凝土总量的比率从5%增长到近40%.引气剂是在搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂。引气剂的主要种类有：松香树脂类，如松香热聚物、松香皂等；烷基苯磺酸盐类，如烷基苯磺酸钠、烷基磺酸钠等；脂肪醇类，如脂肪醇硫酸钠、高级脂肪醇衍生物等；非离子型表面活性剂，如烷基酚环氧乙烷缩合物等；木质素磺酸盐类，如木质素磺酸钙等。 引气剂属于表面活性剂，可为阴离子、阳离子、非离子与两性离子等类型，使用较多的是阴离子表面活性剂，常用的有松香类引气剂和非松香类引气剂。松香类引气剂由松香或松香酸皂化物与苯酚、硫酸、氢氧化钠在一定温度下反应、缩聚成大分子，经氢氧化钠处理，成为松香热聚物。松香类引气剂至今已有60多年应用历史，其性能可靠，制备方法简便、价格便宜，效果较好，它可显著改善浆体的和易性、保水性、抗渗性及抗冻性，但其缺点是难以水溶解，使用时需加热、加碱。非松香类引气剂包括烷基苯磺酸钠、OP乳化剂、丙稀酸环氧脂、三萜皂苷。这类引气剂的特点是在非离子表面活性剂复合。其中烷基苯磺酸钠易溶于水，起泡量大，但泡沫容易消失。脂肪醇类主要品种有脂肪醇硫酸钠、高级脂肪醇衍生物。木质素磺酸盐类主要品种为木质素磺酸钙，是一种引气型减水剂。引气剂都为表面活性剂，其界面活性作用基本上与前述的减水剂相似，而区别在于减水剂的界面活性作用主要发生在液一固界面上。而引气剂的界面活性作用主要发生在气一液界面上。含有引气剂的水溶液拌制混凝土时，由于引气剂能显著降低水的表面张力和界面能，使水溶液在搅拌过程中极易产生许多微小的封闭气泡，气泡直径大多在200m以下。引气剂分子定向吸附在气泡表面，形成较为牢固的液膜，使气泡稳定而不易破裂。引气剂适用于抗冻、防渗、抗硫酸盐、泌水严重的混凝土、贫混凝土、轻骨料混凝土以及对饰面有要求的混凝土等。由于单掺引气剂有可能会使混凝土强度降低，故近年来较多使用引气减水剂。引气剂的作用 (1)改善混凝土拌合物的和易性。引气剂的掺入使混凝土拌合物内形成大量微小的封闭球状气泡，这些微气泡如同滚珠一样，减少骨料颗粒间的摩擦阻力，使混凝土拌合物的流动性增加。若保持流动性不变，就可减少用水量。同时由于水分均匀分布在大量气泡的表面，这就使能自由移动的水量减少，混凝土拌合物的泌水量因此减少，而保水性、粘聚性相应随之提高。 (2)降低混凝土的强度。由于大量气泡的存在，减少了混凝土的有效受力面积，使混凝土强度有所降低。但引气剂有一定的减水作用(尤其象引气减水剂，减水作用更为显著)，水灰比的降低，使强度得到一定补偿。当水灰比固定时，空气量每增加1体积时，混凝土的抗压强度要降低45，抗折强度降低23 。因此，引气剂的掺量应严格控制，一般引气量以36为宜。此外，由于大量气泡的存在，使混凝土的弹性变形增大，弹性模量有所降低，这对提高混凝土的抗裂性是有利的。 (3)提高混凝土的抗渗性、抗冻性。 引气剂使混凝土拌合物泌水性减小(一般泌水量可减少3040)。因此泌水通道的毛细管也相应减少。同时，大量封闭的微气泡的存在，堵塞或隔断了混凝土中毛细管渗水通道，改变了混凝土的孔结构，使混凝土抗渗性显著提高。气泡有较大的弹性变形能力，对由水结冰所产生的膨胀应力有一定的缓冲作用，因而混凝土的抗冻性得到提高，耐久性也随之提高。引气剂作用原理混凝土引气剂基本上都属于阴离子表面活性剂，其分子结构由憎水基团和亲水基团组成，亲水基团在分子溶于水解离后会因释放出阳离子而带正电荷。概括起来讲，引气剂的作用机理在于：在混凝土搅拌过程中能使其大量包裹微小的气泡，而这些微小的气泡又能稳定地存在于混凝土体内。具体地分析，引气剂的作用机理包括以下方面： 1) 界面活性作用不加引气剂时，搅拌混凝土过程中，也会裹入一定量的气泡。但是当加入引气剂后，在水泥-水-空气体系中，引气剂分子很快吸附在各相界面上。在水泥-水界 面上，形成憎水基指向水泥颗粒，而亲水基指向水的单分子(或多分子)定向吸附膜；在气泡膜(也即水-气界面)上，形成憎水基指向空气，而亲水基指向水的定 向吸附层。由于表面活性剂的吸附作用，大大降低了整个体系的自由能，使得在搅拌过程中，容易引入小气泡。 2) 起泡作用 泡可分为气泡、泡沫和溶胶性气泡三种。混凝土中的泡属于溶胶性气泡。清净的水不会起泡，即使在剧烈搅动或振荡作用下，使水中卷入搅成细碎的小气泡而混浊，但静置后，气泡立即上浮而破灭。但是当水中加入引气剂(比如洗衣 粉)后，经过振荡或搅动，便引入大量气泡。其原因是：液体表面具有自动缩小的趋势，而起泡是一种界面面积大量增加的过程，在表面张力不变的情况下，必然导 致体系自由能大大增加，是热力学不稳定的系统，会导致气泡缩小、破灭。但在引气剂存在的情况下，由于它能吸附到气-液界面上，降低了界面能，即降低了表面 张力，因而使起泡较容易。 3) 稳泡作用 通过试验发现，将有些表面活性剂加入混凝土中，在搅拌过程中也能引入大量微小气泡，但是当将混凝土静置一定时间，或经过运输、装卸、浇注后，混凝土的含气量却大大下降，大部分气泡都溢出消失了，而引气剂则不同，掺入后，不但 能使混凝土在搅拌过程中引入大量微小气泡，而且这些气泡能较稳定地存在，这是使硬化混凝土中存在一定结构的气孔的重要保证。研究表明，气泡的稳定与静表面张力并非简单的关系，还取决于一些其它的条件，包括在气泡周围形成有一定机械强度和弹性的膜、要有适当的膜表面粘度、适当的液相介质粘度、使泡膜不易流失、泡膜动电电位提高等，对于混凝土这样的多项系统，情况就更复杂了。 由于上述作用，使得掺加引气剂的混凝土在搅拌过程中所形成的气泡大小均匀(20-1000m)，迁移速度小，且相互聚并的可能性也很小，基本上都能稳定地存在与混凝土体内。 还有一项试验数据，也能够帮助说明掺加引气剂混凝土中引入的气泡的稳定性：一些阴离子引气剂在含钙量高的水泥浆溶液中有钙盐沉淀，当微细的水泥颗粒周围和气泡膜上的这种沉淀物浓度适当时，能防止气泡破灭。引气剂对硬化混凝土性能的影响引气剂由于在混凝土中引入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和易性得到较大程度的改善。由于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。引气剂所引入的微细泡宛如微细集料，对级配不良，尤其是细颗粒缺少的细集料有补偿作用，可以使混凝土显得砂浆富余；这些微小气泡结和支撑着水泥颗粒，填塞了水泥颗粒间的空隙，从而阻或减少了水泥和集料颗粒周围的水流，减少混凝土的泌水、沉降和离析。同时，由于这些气泡的“拨开”或“分散”作用，极大地增加了水泥或细集料的自由(非凝聚)表面积，增强拌和物的粘性和工作性。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，掺有引气剂的混凝土，其浆体和易性、流动性、塑性、浇注性、捣实性等非测量指标是不掺引气剂的混凝土浆体所不能比拟的，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坍落度损失。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外。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。抗盐冻性现在许多混凝土高等级公路和城市道路，在冬季常撒除冰盐(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。北方道路由于冬季下雪之故，从第一年的10月开始到第二年3月约需洒23次的除冰盐，才能保证道路路面积雪的清除，然而在盐和冰冻的共同作用下，砼的破坏尤为严重。砼的盐冻剥蚀破坏是指在除冰盐的存在条件下，砼因受冻产生的一种特殊破坏形式，主要表现为表面剥蚀、骨料暴露、将砼表层的一层水泥砂浆壳体层全部剥蚀掉。掺入引气剂可有效地阻止混凝土向上的泌水过程，引入众多微小气泡而防止冰盐的剥蚀破坏。抗渗性黄士元教授研究表明，砼中引入4%的含气量，可使砼的抗渗性提高的约15%以上，原因是引气剂改变了砼的孔结构体系，封闭了许多毛细孔通道，同时在水泥颗粒表面上形成憎水膜，从而降低了毛细管的抽吸作用。许多引入封闭式小孔不能被水全部填充，多余下来用以缓物理膨胀有机盐结晶体或矿物结晶体；或化学膨胀骨料反应或硫酸盐反应造成的破坏，从而改善抗渗性能。水灰比是影响渗透性能的主要因素。水灰比越大包围水泥颗粒的防水层越厚，许多拌和水在水泥石中形成相互通连而无规则的毛细孔通道，增加混凝土的透水性，掺加引气剂及高效减水剂的混凝土水灰比都在0.5以下，甚至可达0.3以下，混凝土中孔隙率的改变，加之引气剂产生的细小均匀独立而不相通的气泡，有效地隔断了混凝土中的毛细孔通道，防止水分渗透。我们采用多种方法测试表明，掺用引气剂的混凝土抗渗标号可达S12以上，即在2MPa以上水压下也不会透水。工程实践证明，以引气剂及减水剂配制的混凝土无需再采用其它防水措施，即可达到防水抗渗目的，经济效益十分可观。引气剂应用中存在的问题及解决方法影响引气剂推广应用的原因主要是在许多工程技术人员中还存在一种陈旧观念，即掺用引气剂会降低混凝土强度及增加引气量会影响混凝土的体积稳定性，在高强混凝土中更不敢掺用引气剂，这些观念是很不全面的。高效减水剂同掺适当的引气剂，完全可以配制C70甚至更高标号的HPC，所配制混凝土的主要技术性能可超越单一掺用高效减水剂的混凝土。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