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引氣劑的作用機理、原理及應用

  概述:


  引氣劑是使混凝土拌合物在拌和過程中引入空氣而形成大量微小、封閉而穩定氣泡的外加劑。絕大部分引氣劑的成分為鬆香衍生物以及各種磺酸鹽,如烷基磺酸鈉、烷基苯磺酸鈉,常用摻量是水泥重量的50~500ppm。引氣劑主要用於抗凍性要求高的結構,如混凝土大壩、路麵、橋麵、飛機場道麵等大麵積易受凍的部位。


  定義:


  引氣劑是指能使混凝土在拌合過程中引入大量微小、封閉而穩定的氣泡的外加劑。


  二十世紀30年代,美國的汽車交通發展迅速,而混凝土路麵破壞嚴重,尤其是在北方地區的冬季期間,為防止混凝土路麵結冰而噴撒除冰鹽(如氯化鈣、氯化鈉)的路麵破壞更加嚴重。通過試驗研究發現,用摻入樹脂和油類等助劑作為助磨劑的水泥所配製的混凝土,此類破壞程度較輕。這一發現促使人們對引氣劑的作用機理和作用效果進行了深入的研究,並促使人們開發研製有效的引氣劑。目前已有多種引氣劑產品,並且對引氣所產生的改善混凝土抗凍融性、和易性方麵的效應也進行了深入研究。


  最早取得技術專利的混凝土引氣劑是文沙樹脂,它是木鬆香精製過程中的一種副產品。我國50年代研製了以鬆香熱聚物為主要成分的引氣劑,接著進行了鬆香皂、OP乳化劑和801-2等引氣劑的研究應用工作。目前市場上銷售的引氣劑主要有PC-2型引氣劑、CON-A型引氣劑、KF微沫劑和SJ-1、SJ-2引氣劑等。


  引氣劑摻量非常小,卻能因使混凝土在攪拌過程中引氣而大幅度改善混凝土的抗凍融循環方麵的耐久性,應用在道路、橋梁、大壩和港工等方麵,大大提高了它們的使用壽命,因此,它是一種非常重要的外加劑。所以,引氣劑問世至今,仍然被看作是混凝土材料科學發展過程中的一大重要發現。


  引氣劑


  種類:


  根據化學成分,引氣劑主要有以下幾類:


  1)木材樹脂酸鹽;


  2)合成洗滌劑類;


  3)磺化木質素的鹽類;


  4)石油酸鹽類;


  5)蛋白質的鹽類;


  6)脂肪酸或樹脂酸及其鹽類;


  7)有機矽化合物類;


  8)磺酸烴的有機鹽類等。


  二、主要作用機理、原理


  1、改善混凝土和易性(Workability)


  引氣劑的摻入使混凝土拌合物內形成大量微小的封閉狀氣泡,這些微氣泡如同滾珠一樣,減少骨料顆粒間的摩擦阻力,使混凝土拌合物的流動性增加。若保持流動性不變,就可減少用水量。同時由於水分均勻分布在大量氣泡的表麵,這就使能自由移動的水量減少,濕砂漿的泌水量因此減少,而保水性、粘聚性相應隨之提高。


引氣劑


  2、降低混凝土的強度和提高混凝土抗裂性能


  由於大量氣泡的存在,減少了混凝土的有效受力麵積,使混凝土強度有所降低。但引氣劑有一定的減水作用,水灰比的降低使強度得到一定補償。但引氣劑的加入,還是會使混凝土的強度下降,特別是抗壓強度。。此外,由於大量氣泡的存在,使混凝土的彈性變形增大,彈性模量有所降低,這對提高混凝土的抗裂性是有利的。


  降低混凝土的強度。


  由於大量氣泡的存在,減少了混凝土的有效受力麵積,使混凝土強度有所降低。但引氣劑有一定的減水作用(尤其象引氣減水劑,減水作用更為顯著),水灰比的降低,使強度得到一定補償。當水灰比固定時,空氣量每增加1%體積時,混凝土的抗壓強度要降低4%~5%,抗折強度降低2%~3%。因此,引氣劑的摻量應嚴格控製,一般引氣量以3%~6%為宜。此外,由於大量氣泡的存在,使混凝土的彈性變形增大,彈性模量有所降低,這對提高混凝土的抗裂性是有利的。


  3、提高混凝土的抗滲性、抗凍性


  引氣劑使混凝土拌合物泌水性減小(一般泌水量可減少30%~40%)。因此泌水通道的毛細管也相應減少。同時,大量封閉的微氣泡的存在,堵塞或隔斷了混凝土中毛細管滲水通道,改變了混凝土的孔結構,使混凝土抗滲性得到提高。氣泡有較大的彈性變形能力,對由水結冰所產生的膨脹應力有一定的緩衝作用,因而混凝土的抗凍性得到提高,耐久性也隨之提高。


  4、混凝土引氣劑基本上都屬於陰離子表麵活性劑,其分子結構由憎水基團和親水基團組成,親水基團在分子溶於水解離後會因釋放出陽離子而帶正電荷。


  概括起來講,引氣劑的作用機理在於:


  在混凝土攪拌過程中能使其大量包裹微小的氣泡,而這些微小的氣泡又能穩定地存在於混凝土體內。


  具體地分析,引氣劑的作用機理包括以下方麵:


  1)界麵活性作用


  不加引氣劑時,攪拌混凝土過程中,也會裹入一定量的氣泡。但是當加入引氣劑後,在水泥-水-空氣體係中,引氣劑分子很快吸附在各相界麵上。在水泥-水界麵上,形成憎水基指向水泥顆粒,而親水基指向水的單分子(或多分子)定向吸附膜;在氣泡膜(也即水-氣界麵)上,形成憎水基指向空氣,而親水基指向水的定向吸附層。由於表麵活性劑的吸附作用,大大降低了整個體係的自由能,使得在攪拌過程中,容易引入小氣泡。


  引氣劑都為表麵活性劑,其界麵活性作用基本上與前述的減水劑相似,而區別在於減水劑的界麵活性作用主要發生在液一固界麵上。而引氣劑的界麵活性作用主要發生在氣一液界麵上。含有引氣劑的水溶液拌製混凝土時,由於引氣劑能顯著降低水的表麵張力和界麵能,使水溶液在攪拌過程中極易產生許多微小的封閉氣泡,氣泡直徑大多在200μm以下。引氣劑分子定向吸附在氣泡表麵,形成較為牢固的液膜,使氣泡穩定而不易破裂。引氣劑適用於抗凍、防滲、抗硫酸鹽、泌水嚴重的混凝土、貧混凝土、輕骨料混凝土以及對飾麵有要求的混凝土等。由於單摻引氣劑有可能會使混凝土強度降低,故近年來較多使用引氣減水劑。


  2)起泡作用


  泡可分為氣泡、泡沫和溶膠性氣泡三種。混凝土中的泡屬於溶膠性氣泡。


  清淨的水不會起泡,即使在劇烈攪動或振蕩作用下,使水中卷入攪成細碎的小氣泡而混濁,但靜置後,氣泡立即上浮而破滅。但是當水中加入引氣劑(比如洗衣粉)後,經過振蕩或攪動,便引入大量氣泡。其原因是:液體表麵具有自動縮小的趨勢,而起泡是一種界麵麵積大量增加的過程,在表麵張力不變的情況下,必然導致體係自由能大大增加,是熱力學不穩定的係統,會導致氣泡縮小、破滅。但在引氣劑存在的情況下,由於它能吸附到氣-液界麵上,降低了界麵能,即降低了表麵張力,因而使起泡較容易。


  3)穩泡作用


  通過試驗發現,將有些表麵活性劑加入混凝土中,在攪拌過程中也能引入大量微小氣泡,但是當將混凝土靜置一定時間,或經過運輸、裝卸、澆注後,混凝土的含氣量卻大大下降,大部分氣泡都溢出消失了,而引氣劑則不同,摻入後,不但能使混凝土在攪拌過程中引入大量微小氣泡,而且這些而且這些氣泡能較穩定地存在,這是使硬化混凝土中存在一定結構的氣孔的重要保證。


  研究表明,氣泡的穩定與靜表麵張力並非簡單的關係,還取決於一些其它的條件,包括在氣泡周圍形成有一定機械強度和彈性的膜、要有適當的膜表麵粘度、適當的液相介質粘度、使泡膜不易流失、泡膜動電電位提高等,對於混凝土這樣的多項係統,情況就更複雜了。


  由於上述作用,使得摻加引氣劑的混凝土在攪拌過程中所形成的氣泡大小均勻(20-1000μm),遷移速度小,且相互聚並的可能性也很小,基本上都能穩定地存在與混凝土體內。


  還有一項試驗數據,也能夠幫助說明摻加引氣劑混凝土中引入的氣泡的穩定性:一些陰離子引氣劑在含鈣量高的水泥漿溶液中有鈣鹽沉澱,當微細的水泥顆粒周圍和氣泡膜上的這種沉澱物濃度適當時,能防止氣泡破滅。


  三、引氣劑產品使用技術特點、主要性能、用途。


  (一)、引氣劑產品使用技術特點:


  1、AH係列引氣劑與水泥、砂、石一起加入攪拌機,攪拌時間需延長1分鍾-2分鍾。


  2、建築工程混凝土摻量應選低限,水工混凝土摻量應選高限。


  3、抗凍融要求較高的混凝土,以及冬季施工砼,其摻量應根據混凝土含氣量的要求,通過試驗確定。


  4、引氣劑也可配製溶液使用,但必須充分溶解。


  5、引氣量受配製混凝土的材料及配製操作環境溫度影響,故必須盡量保持穩定才能控製含氣量波動。


  6、高頻振搗不超過20秒。


  (二)、引氣劑產品主要性能


  1、摻AH係列引氣劑能提供混凝土坍落度、流動性和可塑性。


  2、減少混凝土泌水和離析,提供混凝土的均質性。


  3、提供混凝土的抗折強度,當含氣量為3%-5%時,抗折強度提高10%-20%。


  4、摻AH係列引氣劑彈性模量較低,剛性較小,柔韌性好。


  5、混凝土的熱擴散及傳導係數降低,提高了混凝土的體積穩定性,增強了野外結構的耐候性,延長道路混凝土的使用壽命。


  6、大大提高了混凝土抗凍性、抗鹽漬性、抗滲性、耐硫酸鹽侵蝕及抗堿集料反應性能。


  (三)、引氣劑產品用途:


  1、氣泡結構好,氣泡半徑小,抗凍指標高,用於高耐久性的混凝土結構,如水壩、高等級公路、熱電站冷卻塔、水池水工、港口等。


  2、撒除冰鹽的混凝土公路及橋梁。


  3、高和易性混凝土工程。


  4、泵送混凝土。


  四、研究進展


  三萜皂甙混凝土引氣劑Terpene saponins concrete air-entraining agent


  目前國內傳統商品引氣劑主要為鬆香皂及鬆香熱聚物,存在產品溶解性差、與其他外加劑複合性差、對混凝土強度降低較大等缺點。


  三萜係混凝土引氣劑具有降低溶液的表麵張力,產生封閉、獨立的氣泡,發泡倍數高,氣泡數量多,氣泡間距小,穩泡時間長,能明顯改善塑性混凝土的工作性能和提高硬化混凝土的耐久性能的特點,是一種在國內混凝土工程中極有應用前景的優質引氣劑。


  該引氣劑以我國南方分布的天然野生植物皂甙為主要原料,從植物果實中提煉的三萜皂甙類精製而成。


  產品特色


  1、摻量少,氣泡質量好


  三萜係引氣劑建議摻量為水泥重量的萬分之0.4~1.5,摻量小,使用成本低。能引入混凝土中的氣泡達10億個之多,孔徑範圍為0.02~0.2 mm,為不連續的封閉球形,分布均勻,穩定性好。當含氣量≥5%時,氣泡間距係數L<100μm,當含氣量為6%時,氣泡間距係數L約為80μm。


  2、與其他外加劑的複合性


  產品水溶性極強,在外加劑複合上,有良好配伍的適應性,能充分體現“協同效應”,複合效果優於單劑。減水,分散、濕潤、助溶、增溶、乳化、降粘等性能均有不同程度的提高,避免了鬆香類引氣劑複合時易出現的沉澱、變色,引氣效果降低的現象。能降低複合成本5%左右。


  3、對混凝土性能的影響


  本品對混凝土抗壓強度的降低幅度明顯優於國內傳統引氣劑產品。摻本引氣劑可以提高混凝土的流動性和可塑性,減少泌水和離析,提高抗折強度10%—20%。摻本劑的混凝土熱擴散、熱傳導係數降低,混凝土的體積穩定性和各種戶外結構的耐侯性得以提高。道路混凝土廣泛使用本引氣劑有利於延長道路的使用壽命。泵送砼摻入本引氣劑可提高流動性和泵送壓力,本引氣混凝土的最顯著的優勢是提高抗凍性和抗鹽凍性,這對於其應用於道路混凝土工程是非常有利的。三萜係引氣劑對混凝土其他耐久性也有不可忽視的改善效果。引氣引入的微小氣泡可作為體積膨脹的緩衝空間,降低和延緩其他物理膨脹(如鹽晶體結晶壓等)和化學反應膨脹(如堿骨料反應和硫酸鹽反應等)引起的混凝土破壞。試驗結果同時顯示,引氣還可改善混凝土的抗滲性能,僅從這一點,引氣劑就可提高混凝土的綜合耐久性。


  適用範圍


  1、用於對混凝土耐久性(特別是抗凍耐久性)要求高的混凝土結構中,如水工、港工及道橋等重要工程;


  2、北方撒除冰鹽的混凝土公路、橋梁;


  3、對施工和易性要求高的混凝土工程;


  4、因其具有極強的水溶性,與其他外加劑具有很強的複合性能,所以是配製泵送劑等其它複合外加劑的重要組成部分,如泵送混凝土;


  6、與減水劑複合,能起到引氣、改善和易性、減少泌水和沉降,提高混凝土耐久性(抗凍融循環、抗滲)、抗侵蝕能力等作用。


  我國混凝土外加劑的生產曆史不長,但發展很快,天然高效的表麵活性劑符合綠色環保的要求,隨著人們對其性能的不斷認識,必將得到更大的發展。

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