聚羧酸系减水剂引气方式对混凝土性能的影响.pdf

第 1 4卷第 4 期 2 0 1 1 年 8月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI ALS Vo 1 ． 1 4。 No ． 4 Au g ．， 2 0 11 文章编号 ： 1 0 0 7 — 9 6 2 9 ( 2 0 1 1 ) 0 4 — 0 5 2 8 — 0 4 聚羧酸 系减水剂 引气 方式对混凝 土性能 的影 响 刘加平 ， 尚 燕 ， 缪 昌文 ， 冉 千平 ( 江苏省建筑科学研究院有限公司 博特新材料有限公司，江苏 南京 2 1 0 0 0 8 ) 摘 要 ： 探 讨 了部分 消 泡 、 局部 消泡 、 先 消后 引这 3种 引 气方 式 对 混凝 土含 气 量稳 定 性 、 气泡 间距 系 数 、 平均气泡径等参数及混凝土力学性能和耐久性的影响． 结果表 明， 采用“ 先 消后 引’ ’ 的 引气方式 并选 用聚羧 酸 专 用引气 剂 ， 可 以调 整 混凝 土含 气 量 ， 使 含 气 量 稳 定 、 气 泡 间 距 系数 大 、 平 均 气 泡孔 径 小 ． 关 键 词 ：聚羧 酸减 水 剂 ；引 气方式 ；气泡性 能 中图分 类号 ： TU5 2 8 ． 0 1 文献标 志 码 ： A d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 — 9 6 2 9 ． 2 0 1 1 ． 0 4 ． 0 1 8 Ef f e c t s o f Ai r En t r a i ni n g M a n ne r s o f P0 l y c a r b 0 x y l a t e - Ty p e W a t e r Re d u c e r o n t he Pr o p e r t i e s o f Co nc r e t e L儿， Ji a — pi n g， SHANG Y a n， M I AO C h a n g — we n， RAN Qi a n — pi n g ( B o t e Ne w Ma t e r i a l s C o ．Lt d ．，J i a n g s u Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Bu i l d i n g S c i e n c e Co ．L t d ． ，Na n j i n g 2 1 0 0 0 8。Ch i n a ) Ab s t r a c t ~The i nf l u e n c e of t hr e e a i r e nt r a i ni n g ma n ne r s i ．e ．pa r t i a l l y de f o a mi ng， l oc a l l y d e f o a m i n g a n d f i r s t de f o a mi ng t he n a i r e nt r a i n i ng o n t h e a i r — vo i d c ha r a c t e r i s t i c s i n ha r d e ne d c on c r e t e，s u c h a s s t a b i l i t y。s p a c i n g f a c t o r a n d m e a n a i r v o i d d i a m e t e r wa s i n ve s t i ga t e d ． The me c ha n i c a l p r o pe r t i e s a nd du r a bi l i t y of a i r e n— t r a i n e d c o n c r e t e by di f f e r e nt a i r e n t r a i ni n g a g e nt s we r e a l s o s t u di e d．Th e r e s ul t s s ho w t ha t a i r c on t e nt c a n b e a d j u s t e d a n d o p t i mu m q u a l i t y o f a i r v o i d s c a n b e o b t a i n e d b y me a n s o f t h e t h i r d ma n n e r b y s e l e c t i n g t h e a p pr o pr i a t i ve a i r e n t r a i ni ng a g e nt s f o r p o1 y c ar b ox y 1 a t e — t y pe wa t e r r e d uc e r s ． Ke y wo r ds ：p ol y c a r bO xy l a t e — t y pe wa t e r r e d uc e r ；a i r e n t r a i ni ng ma nne r；pr o pe r t y o f a i r v o i ds 近年来 ， 高效减水剂的应用对高性能混凝土 、 自 密实混 凝 土等新 型混 凝 土的 生产 和应用 产生 了重 要 影响口 ] ， 对这些减水剂性能特点的认识 也在不 断深 化． 聚羧酸系高性能减水剂作为一种引气型减水剂 ， 如何正确使用和充分发挥其性能， 正确认识其 引气 特征 ， 这对它的合理使用和推广应用具有重要意义． 聚羧酸系减水剂引气方式有 3种 ： 在合成 过程 中添加少量消泡剂 ( 部分消泡 ) ； 在合成过程中接枝 消泡官能团( 局部消泡) ； 先采用大量消泡剂消去混 凝土搅拌过程 中产生 的气泡 ， 再复合 引气剂产生气 泡 ( 先 消后 引) ． 本 文 系统 研 究 了这 3种 常 用 引 气 方 式对掺 入 聚羧 酸 系 减 水 剂 的混 凝 土含 气 量 稳 定 性 、 硬化 混凝 土气 泡 间距 系数及 平 均气 泡径 、 抗 压强 度 、 渗透 性和 抗冻 性 能的影 响． 1 试验部分 1 ． 1 试 验材 料及 配合 比 水泥 ( C) ： 江 南水 泥 厂 产小 野 田 P1 I 5 2 ． 5 R硅 酸盐 水泥 ， 其 化学 组 成 ( 质 量 分数 ， 本 文 所 涉及 的 组 成 、 含量等除特别说 明外均 为质量分 数) 见 表 1 ； 磨 细粉煤灰 ( F A) ： 南京 热 电厂产 I级 粉煤 灰 ， 细 度 4 ． 8 ， 需 水量 比 9 5 ； 矿 渣 ( S L ) ； 细集 料 ( S ) ： 细 度 收稿 日期 ： 2 0 1 0 — 0 4 — 1 5 ；修订 日期 ： 2 0 1 0 — 0 6 — 0 7 基金项 目： 国家重点基础研究发展规划( 9 7 3计划) 项 目( 2 o o 9 c B 6 2 3 2 0 0 ) ； 江苏省 自然科学基金 资助项 目( B K2 0 0 7 7 2 2 ) ； 江苏省创新 学者攀 登 项 目 ( S B K2 0 0 8 2 2 2 3 ) 第一作者 ： 刘加平( 1 9 6 7 一) ， 男 ， 江苏海安人 ， 江苏省建筑科 学研究 院有 限公 司研究员级 高级工程师 ， 博士． E ma i l ： l i p @c n j s j k ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 刘加平 ， 等 ： 聚羧酸系减水剂引气方式对 混凝 土性能的影响 5 2 9 模 数 2 ． 6的 中砂 ， 表 观 密度 2 5 5 0 k g ／ m。 ， 堆 积密 度 1 5 7 0 k g ／ m。 ； 粗 集料 ( G) ： 5 ～2 0 mm 连续级配的玄武 岩碎石 ， 表观密度 2 8 5 0 k g ／ m 3 ， 堆积密度 1 6 5 0 k g ／ m 3 ； 水 ( w) ： 自来水 ； 减水剂 ( P C A) ： 江苏博特新材 料有限 公司生产 的聚羧 酸 系超塑 化剂． 混 凝 土配合 比见 表 2 ． 表 1 水泥的化学组成 T a b l e 1 C h e mi c a l c o mp o s i t i o n ( b y ma s s ) o f c e me n t 1 ． 2试 验 方法 ． ( 1 ) 含气 量 、 抗压 强度 、 电通量 和抗 冻性 试 验． 混 凝 土采 用强 制式 搅 拌 机搅 拌 ， 含气 量 测 定 采 用 G B ／ T 5 0 0 8 0 --2 0 0 2 { 普通混凝土拌合物性能实验方法标 准》 所 规定 的方 法 ， 混凝 土力 学 性 能 依 据 GB ／ T 5 0 0 8 1 -- 2 0 0 2 { 普 通混凝 土 力学 性能 试验 方法 》 测试 ， 电通量试验采用美国 AS TM C 1 2 0 2标准进行 ， 抗冻 性采用 GB J 8 2 —8 5 《 普通混凝土长期性能和耐久性 能 实验 方法 》 规定 的快速 冻融 方法 测试 ． ( 2 ) 硬化混凝土气泡特征参数． 采用 MI C - 8 4 0 — 0 1 型硬化混凝土孑 L 隙结构测定仪， 该设备能 自动测定硬 化混凝 土 的气 孔 特征 参 数 ， 减 少 测试 中 的人工 误 差 ， 提高精度和测试速度． 混凝土测试面积为 6 0 mm 6 0 mm， 圆形度值取 0 ． 6 0 ， 像素删除标准值取 1 0 ， 阈 值取 2 0 0左右． 将混凝土试件标养 2 8 d ， 每组试件取 3个 ， 并 分别 切 割成厚 度 为 1 ～2 c m 的试 样 ， 表 面 经 研磨 、 清洁并涂荧光剂 ， 再将表面上的荧光剂仔细研 磨掉 ， 仅使气孔中充满荧光剂 ， 用于气泡特征参数测 定 ， 取 3个试样的平均值作为最终试验结果． 根 据 AS T M C 4 5 7 — 9 8《 S t a n d a r d t e s t me t h o d f or m i c r os c op i c a l d e t e r m i n a t i on of p a r a me t e r s o f t h e a i r — v o i d s y s t e m i n h a r d e n e d c o n c r e t e } ~ 0 定 硬化 混凝土的气泡参数． 硬化混凝土气泡特征参 数计算 公式 如 下 ： A 一 1 O 0 na {a麦A (A 4 ． 3 3 ) 一 式中： A 为含气量( 体积分数) ， ； ”为单位面积内 气泡数 ； L为气泡间距系数 ； P为浆体质量分数 ， ； a为平均气泡面积， ff m ； o r 为比表面积， a 一、 ／ ／ 6 r c ／ a ． 2 试验 结果与讨 论 考 察 了 3种 引气 方式 下掺 入 聚羧 酸系减 水 剂 的 混凝土性能． 其 中， 1 为部分消泡方式 ； 2 为局部消 泡方式 ； 3—1 为先消后引方式 ， 其 中引气剂为聚羧 酸专用引气剂 ； 3 —2 为先消后引方式， 其中引气剂 为普通引气剂． 研究表明， 在“ 先消后引” 这种引气方 式 中 ， 消 泡剂 和 引气 剂 的选 择 最为关 键 ． 表 3 ， 4为 消 泡剂种类和引气剂种类对聚羧酸系减水剂的影响． 2 ． 1 引气 方式 对含 气量 稳定 性 的影 响 试验控制新拌混凝土含气量为 5 0 ． 5 ， 表 5为 相应 的新 拌混 凝土 和硬 化混 凝 土含气 量 ． 表 3 消泡剂种类对聚羧酸 系减水剂的影响 Ta b l e 3 I n f l u e n c e o f k i n d o f d e f o a mi n g a g e n t o n p o l y c a r b o x y l a t e - t y p e ， i “ ? ， ．，． De f 。 a me d c。 p i “ i y e f 。 ’ n g H。 。 g e n e i t y s 妇 h i “ t y ～ i ． t h ． a i r - e n t r a a ge nt m m g agent 表 4 引气剂种类对聚羧酸 系减水剂的影响 T a b l e 4 I n f l u e n c e o f k i n d o f a i r e n t r a i n i n g a g e n t o n po l y c a r b o x y l a t e - t y p e wa t e r r e d u c e r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 3 O 建筑材料学报 第 1 4卷 表 5 引气方式对新拌混凝土和硬 化混凝 土含气■ 的影 响 Ta b l e 5 I n f l u e n c e o f a i r e nt r a i n i n g ma nn e r s o n a i r c o n t e n t i n h a r d e n e d a n d f r e s h c o n c r e t e W a y o f a i r e nt r ai ni ng Ai r c o n t e n t i n f r e s h c o n c r e t e ( b y v o l u me ) ／ Ai r c o nt e n t i n h a r d e n e d c o n c r e t e ( b y v ol u me ) ／ 4 ． 9 0 5 ． 2 O 5 ． O 0 5 ．1 0 由表 5 可见 ， 与新拌混凝土含气量相 比， 采用不 同引气方式的硬化混凝土含气量均有一定程度的下 降． 1 方式是在合成聚羧酸 系减水剂 的过程中加少 量消泡剂 ， 大气泡较多， 且 气泡稳定性较差 ， 其含气 量损失高达 4 0 ． 2 ． 2 方式是通过接枝局部消泡 ， 其含气量损失为 1 4 ． 4 2 ， 虽然气泡结构优 良， 含气 量损失较小 ， 但在工程施工现场可调性差． 采用“ 先 消后引” 方式 ， 其含气量的稳定性与所选引气剂关系 很大 ： 3—2 方式选取 的是普通引气剂 ， 其含气量损 失高达 4 6 ． 3 ； 3—1 方式选取 的是 聚羧 酸专用 引 气剂 ， 其含气量损失仅为8 ． 8 9 ／ 6 ， 表现出优异 的含气 量 稳定 性． 这是 由于 聚 羧 酸 专用 引气 剂 除 具 有 一 般 引气剂 的特 性外 ， 还 具有 很多 特点 ， 如在 低 掺量 时 引 气量高、 引入混凝土中的气泡直径小 ， 且具有空间位 阻效应[ 2 。 等． 该引气剂主链上的阴离子吸附于水泥 颗粒表面 ， 支链的位阻则使水泥粒子分散 ， 同时由于 其 分 子结 构 中还含 有羧 酸根 离子 、 磺 酸根 离子 ， 因而 其 电位小于传统的阴离 子减水剂 ] ， 表面活性作 用更强， 分散和分散保持性能优异 ， 符合高性能混凝 土和 自密实混凝土对引气剂 的性能要求 ] ． 2 ． 2 引气 方 式对 硬化 混凝 土气 泡 间距 系数 的影 响 硬 化混凝 土 气泡 间距 系数 试验 结果 见表 6 ． 表 6 引气方式对硬化混凝土气泡间距系数的影响 Ta b l e 6 I nf l u e n c e o f a I r e n t r a i n i n g ma n n e r s O i l s p a c i n g f a c t o r 由表 6可 知 ， 采 用 1 引气 方 式 时 ， 硬 化 混 凝 土 气泡间距系数较大 ， 为 2 8 4 m． 这是 由于这种引气 方式的引气原因是侧链上的聚醚具有非常强的引气 功能 ， 虽然该方式 工艺简单 ， 成本较低 ， 但气泡稳定 性差 ， 且大气泡 占较大 比例． 采用 2 引气方式时 ， 硬 化 混凝 土气 泡 间距 系数 为 1 9 6肚 m． 采 用 “ 先 消 后 引” 的方式 ， 其气泡结构的优劣则与所选取 的引气剂密 切相关 ： 选取普通引气剂， 其气泡 间距系数偏 大， 为 3 4 2 m， 而选 取 聚 羧 酸 专用 引气 剂 ， 其 气 泡 间距 系 数为 2 1 0 ， 气泡结构 良好． 硬化混凝土含气量和气泡间距系数之间的相关 性 见 图 1 所 示 ． 由图 1 可 知 ， 气 泡 间距 系数 随硬 化 混 凝土含气量 的增加而降低 ， 但并不呈指数关系． 当含 气量为 3 时， 即可使混凝土的气泡 间距 系数 达到 2 0 0 m左右； 当含气量 大于 4 时， 气泡 间距 系数 的减小趋势趋缓． 图 1 硬化混凝土含气量和气 泡间距 系数之 间的相关性 Fi g ．1 Co r r e l at i o n b e t 。we e n a i r c o nt e n t a nd s pa c i n g f a c t or i n ha r d e n e d c on c r e t e 2 ． 3 引气方 式对 硬化 混 凝土 平均气 泡 径 的影 响 硬化混凝土含气量 、 气泡间距 系数 和平 均气 泡 径是 表征 硬 化混凝 土 气泡 体系 特征 的 3个最 重 要参 数． 为进一步考察引气方式对气泡结构的影响 ， 对采 用不同引气方式 的硬化混凝土平均气泡径进行 了试 验 ， 结果见图 2 ． 由图 2可知 ， 采用不同引气方式 ， 对 硬化混凝土的平均气泡径没有 明显影响 ， 平均气泡 径均在 1 1 0 m 左右． 硬化混凝土 的平 均气泡径与 硬 化混 凝 土 的含 气量 也 无 明显 相 关 性 ， 即仅 用 平 均 气泡 径无 法准 确表 征硬 化混 凝 土 的气 泡 体 系特征 ． 耄 亳 喜 1 2 O 9 0 6 O 3 0 0 1 2 3 —1 3 - 2 W a y o f a i r e n t r a i n i n g 图 2 引气方式对硬化混凝 土平 均气 泡径 的影 响 Fi g ．2 I n f l u e nc e of ai r e nt r a i n i ng ma n ne r s o n me a n a i r v oi d di a me t e r i n ha r de ne d c o nc r e t e 2 ． 4 引气 方式 对 混凝 土抗 压强 度 的影 响 试 验 过 程 中 ， 控 制 新 拌 混 凝 土 含 气 量 为 5 昌i， J 80 a u I 甚 口 ∞ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 刘加平 ， 等 ： 聚羧酸系减水剂 引气 方式对混凝土性 能的影 响 0 ． 5 ， 采 用 不 同引 气 方 式 所 得混 凝 土 的 2 8 d抗 压 强度见图 3 ． 由图 3可见 ， 在新拌混凝 土含气量基 本 相同的情况下 ， 采用不 同引气方式对混凝土抗压强 度 影 响不 大 ． 采 用 2 和 3—1 引气 方式 ， 混 凝 土 的 2 8 d抗压强度几乎无 差别 ， 即在合成过程 中接枝消 泡 功能 的官能 团加 以调 控 含 气 量 ， 或 者 采 用 聚 羧 酸 减水剂的专用引气剂进行“ 先消后引” ， 气泡结构的 稳 定性 都较 好 ， 对混 凝 土后期 力 学性 能 没有 影 响． 由 于 1 引气方式是通过在合成过程 中控制添加消泡 剂 的量而引气 的， 所得 气泡稳定性差 ， 大气 泡较多 ， 因此 ， 混凝 土后 期 强度 要低 2 0 左 右 ． 采用 3— 2 引 气 方式 ， 即使用 普通 引气剂 进行 “ 先 消后 引 ” ， 则 混 凝 土 强度 要 比采 用 3—1 引气 方 式低 8 MP a ． 1 2 3 一l 3 — 2 W a yo fa i re n t r a ini n g 图 3 引气方式对 混凝 土抗 压强度的影响 Fi g． 3 I n f l ue nc e o f a i r e n t r a i ni ng m a nne r s 0 n c omp r e s s i v e s t r e ng t h o f c o nc r e t e 2 ． 5 引气 方 式对 混凝 土抗 冻 性 的影响 抗 冻性 是 混凝 土 耐久 性 中最 重 要 的 问题 之 一 ， 而引气是提高混凝土抗冻性最有效的措施． 不 同的 引气 方 式在 混凝 土 中 引人 的气 泡 质 量 不 同 ( 气 泡 质 量包括气泡直径分布、 气泡在混凝土 内部 的分布和 气泡形态等) ， 从而使混凝土的抗冻融性能也有所差 别． 使用聚羧酸系高性能减水剂时 ， 不同引气方式对 混凝 土 抗 冻性 的影 响试 验结 果 见表 7 ． 表 7引气 方式对 混凝土抗冻性的影响 Ta b l e 7 I n f l u e nc e of a i r e n t r a i n i n g ma n n e r s o n a n t i — f r e e z i n g p r o p e r t y o f c o nc r e t e 由表 7可知 ， 采用 1 引气方式的混凝土仅仅冻 融 1 5 0次 ， 其相对动弹模量 即下 降至 6 0 9 ／ 6 ， 质量损 失率高达 4 ． 6 8 ， 进一步反映出在合成过程中直接 引 气这 种方 式 气 泡稳 定 性 差 的缺 点 ． 采 用 2 和 3— 1 引气方式 的混凝土在冻融 3 2 5次后 ， 其相对动弹 模量依然超 过 9 9 ， 质量损失率也较小 ， 均表现 出 良好的抗冻融性能． 采用“ 先 消后引” 这种引气方式 时， 如果采用普通引气剂 ( 3 —2 方式) ， 则经过冻融 3 2 5次后 ， 混 凝土 的相 对 动弹模 量 为 8 4 ． 6 ， 质量 损 失率 为 l _ 7 2 9 ／ 5 ． 3 结论 ( 1 ) 引气方式对硬化混凝土含气量 和气泡 间距 系数均有显著影响． 采用“ 先 消后 引” 并选取聚羧酸 专用引气剂， 则混凝土的含气量损失最小 ， 气泡结构 最 好 ， 表 现 出优异 的含 气量 稳定 性 ． ( 2 ) 引气方式对硬化混凝土 的平均气泡径没有 明显影响， 仅通过平均气泡直径并不能完全反映气 泡结 构 的优 劣． ( 3 ) 引气方式对混凝土抗压强度影响不大， 但对 混 凝 土抗 冻性 有 一 定影 响． 采 用 “ 先 消 后 引 ” 方 式 并 选取聚羧酸专用引气剂的混凝土抗冻融性能良好． 参考 文献 ： [ 1 ] 蒋亚清． 混凝土外加 剂应用 基础[ M] ． 北 京 ： 化学 工业出版 社 ， 2 0 05 ： 2 2 5 — 2 3 7 ． J I ANG Ya — q i n g ．Ap p l i c a t i o n f o u n d a t i o n of c o n c r e t e a d mi x t u r e s [ M] ． B e i j in g ： C h e mi c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 5 ： 2 2 5 — 2 3 7 ． ( i n C h i ne s e ) r 2 ] S AKAI E， YAMADA K， OHTA A． Mo l e c u l a r s t r u c t u r e a n d d i s p e r s i o w a d s o r p t i o n me c h a n i s ms o f c o m b —。t y p e s up e r p l a s t i c i —_ z e r s u s e d i n J a p a n [ J ] ． J o u r n a l o f Ad v a n c e d Co n c r e t e Te c h n o l — o g y， 2 0 0 3， 1 ( 1 )： 1 6 — 2 5 ． [ 3 ] 张 月星， 冉 千平， 刘加平 ， 等． 两性 羧酸类 接枝共 聚物混凝 土超 塑化剂 的性能研究 [ J ] ． 化学建材 ， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 2 ) ： 4 6 — 4 9 ． ZHANG Yu e — x i n g， RAN Qi a n — p i n g， LI U J i a p i n g， e t a 1 ．Pr o p — e r t i e s o f a mph o t e r i c c a r b o x y l i c g r a f t c o p o l y m e r a s c o n c r e t e s u — p e r p l a s t i c iz e r L J ] ． C h e mi c a l Ma t e r i a l s f o r C o n s t r u c t io n ， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 2) ： 4 6 — 4 9 ． ( i n Ch i ne s e ) [ 4 ] 卞荣兵 ， 沈 健． 聚羧 酸混 凝土 高效 减 水剂 的合 成 和研究 现 状 [ J ] ． 精细化工 ， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 2 ) ： 1 7 9 — 1 8 2 ． BI AN Ro n g — b i n g，S HEN J i a n． Re v i e w o f p o l y c a r b o x y l a t e S U — p e r p l a s t i c i z e r ： S y n t h e t ic me t h o d s a n d r e s e a r c h [ J ] ． F i n e C h e mi — e a l s ， 2 0 0 6， 2 3( 2 )： 1 7 9 一 l 8 2 ． ( i n Ch i n e s e ) E 5 ] C HR I S T ENS E N B J ， ONG F S ．自密实混 凝土 的抗冻 融性 能 研究 [ J ] ． 混凝土 ， 2 0 0 5 ( 9 ) ： 2 O 一 2 4 ． CHRI S TENS EN B J， ONG F S ．Fr o s t i n g r e s i s t a nc e o f s e l f - c o mp a c t c o n c r e t e ~ J ] ． C o n c r e t e ， 2 0 0 5 ( 9 ) ： 2 0 — 2 4 ． ( i n C h i n e s e ) 如 ∞ ∞ 加 m 0 时 鲁 _E I I a 耳 晴 A I 晴 ∞ 2d Ⅷ0 U 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m