【摘要】 引气剂与消泡剂对清水混凝土的性能与表观形貌有重要的影响。论述了不同引气和消泡比例的聚羧酸高效减水剂对清水混凝土流动性、含气量、强度与硬化后表观形貌的影响。为使清水混凝土表现出更好的性能和美观的表面形貌,两者存在一个最佳比例。结果表明:当引气剂掺量为2%、消泡剂掺量为1%时,清水混凝土的表观形貌最佳。 更多还原
【关键词】 引气剂； 消泡剂； 清水混凝土； 表观形貌；
1 引言
近年来，我国的清水混凝土随着混凝土技术的发展得到不断进步，其工程应用不再局限于道桥和机场，越来越多的工业和民用建筑也开始使用清水混凝土。与普通混凝土相比，清水混凝土要求外观色泽均匀、平整美观、无蜂窝麻面的现象，这对混凝土配制和施工管理是个很大的挑战。目前对于清水混凝土的研究多集中于清水混凝土的施工方面，而从清水混凝土自身本质的研究很少。因此，这是一次值得的尝试。为使清水混凝土的工作性、力学性能和美观程度达到较高的水平，混凝土中应引入适当量的引气剂和消泡剂变得尤为重要。
2 试验原材料
2.1 水泥
清水混凝土宜使用同一厂家、同一批次、同一等级色泽均匀的普通硅酸盐水泥[1]。清水混凝土表面颜色受水泥颜色的影响，普通硅酸盐水泥的明度值较高，颜色较亮。本试验均采用同一批次的润丰42.5普通硅酸盐水泥，水泥各项物理化学指标见表1。
2.3 骨料
砂：细骨料的颜色、级配和含泥量对清水混凝土表观颜色和气孔有较大的影响。砂子的颜色越深，配制的混凝土表面颜色也越深；砂子细度模数越小，对表面颜色影响越大；砂子的含泥量越高，混凝土表面色会偏向泥土的颜色。本试验均采用同一批次的河砂，细度模数为2.6，级配范围为II区，筛分曲线如图1所示。
石：粗骨料的级配对混凝土拌和物的流动性影响较大。好的级配范围能使硬化后混凝土的外观和内部结构更好，如果无连续级配的石子，可以将两种单粒级配混合成连续级配[3]。本试验将5mm—31.5mm的普通碎石与粒形较好5mm—20mm的反击破石子搭配使用，使级配更合理。
2.4 外加剂
化学外加剂对混凝土表面颜色明度的影响与外加剂品种有关。采用聚羧酸减水剂对混凝土自身颜色明度影响较小，萘系和脂肪族外加剂对混凝土影响较大。本试验采用聚羧酸外加剂。
减水剂：福建科之杰新材料有限公司生产的聚羧酸低浓型缓凝高效减水剂（Point—400S）。
引气剂：引气量大、气泡小、稳泡性好，推荐掺量万分之一到五。
消泡剂：属于有机硅类，掺量小、消泡性能好，推荐掺量万分之一到四。
2.5 脱模剂
脱模剂可极大减少混凝土表面气泡和缺陷的产生，并使混凝土表面光洁度更高，是制备优质清水混凝土的重要保证之一。本试验采用湖南金华达建材有限公司生产的HD-2水性脱模剂，该产品脱模效果优良，拆模后可保持表面光滑平整，棱角整齐无损。
2 试验与研究
3.1 清水混凝土配合比
根据混凝土配合比试配情况，调节水胶比和砂率，获得初始坍落度大、坍落度损失小、和易性良好的混凝土拌和物，符合清水混凝土配合比的各项要求，所得配合比如表3所示。
3.2 引气剂与消泡剂复配比例设计
引气剂能显著改善新拌混凝土的工作性。由于引入气泡可以增加浆体与骨料间的润滑作用，以及增加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，相比非引气混凝土性能更好[4]。此外，引气剂对硬化混凝土性能也有积极的作用。当引入适当量细小均匀的气孔时，混凝土力学性能和各项耐久性能显著提高[5]。然而，当引气量不当时，混凝土强度会降低，表面也会产生许多细而密的小气孔，特别是引气量大于4.0%时，强度下降更明显，混凝土可能出现蜂窝麻面的现象。
消泡剂有利于混凝土大气泡的排除。由于聚羧酸母液本身含气量大，再加上引气剂引入的空气，易导致混凝土外观气泡多的现象，然而消泡剂能够降低液体的表面张力[6]，使混凝土中的气泡破裂开来，形成直径更小的微气泡，或经过浆体界面排出到空气中。如果调整混凝土中的含气量到合适的量，就可增强混凝土的强度并使混凝土的表面更为平整。
经过综合分析所选引气剂和消泡剂的性能，设计了12组配方，引气剂和消泡剂的比例如图2中所示，减水剂的量（5000g）固定不变，引气剂的掺量在万分之1到6之间，消泡剂的掺量在万分之1到4之间。
2 试验结果与分析
4.1 混凝土工作性
在不同的引气剂与消泡剂比例下，相同混凝土配合比试拌出的混凝土工作性不同，各组混凝土坍落度数据如图3所示。由图可知，在相同消泡剂掺量下，随着引气剂的逐渐增大，混凝土坍落度整体上呈增大趋势，如图中1-3组和4-6组。这是主要是因为，在相同外加剂和消泡剂掺量下，更高引气剂引入的微小气泡更多，这些气泡在混凝土拌和物中起到滚珠作用，以及大量气泡可增加浆体的体积、浆体粘度和屈服应力[7]。
尽管引气剂的增大一定程度上提高了混凝土的坍落度和和易性，但是当消泡剂增加到一定程度上却会明显降低混凝土的流动性。各组混凝土工作性能如表4所示。由表可知，混凝土流动性大体趋势是先提高后降低的过程，这是因为消泡剂在较低范围内（万分之1到2）混凝土工作性主要是由引气剂起主导作用，即引气量增大，混凝土的流动性提高，然而当消泡剂提高至较高的量（万分之4）时，起主导作用的变为消泡剂。对比第8与第10组、第9与第11组可知，在相同引气剂掺量下，消泡剂含量更高，混凝土的工作性相对更差。这时的消泡剂处于高掺量状态下，带有表面活性的消泡剂，可降低液相的表面张力，使液相与气相之间的润湿角减小[8]。当润湿角减小到一定程度时，气泡即会脱离固体表面的吸附而破裂，一部分气体形成微小气泡，另一部分气体逃逸至空气中。过多的微小气泡会锁住混凝土自由水，使混凝土粘度提高，但是工作性会有所下降。因此第10和第12组会出现工作性变差的现象。
4.2 混凝土含气量
不同引气剂与消泡剂比例下的混凝土含气量如图4所示，将含气量曲线按不同消泡剂的掺量分为I、II、III、IV四个区，相同消泡剂掺量在同一个区。由图可知，在相同消泡剂掺量下，混凝土含气量呈现逐渐增大的趋势，然而在区与区之间混凝土含气量却呈现规律稍有不同，如I区和II区之间、III区与IV区之间。可以看到的是，第8组与第10组的引气剂量相同但是消泡剂后者更高，因此第8组的混凝土含气量更高（图中第9组与第11组与其相似），然而第2组与第4组的规律却与之相反，消泡剂的量更高却表现含气量异常偏高。这是因为，带有表面活性的引气剂的发泡能力的大小，不仅与其降低浆体表面张力的效益有关，还与其在混凝土拌合物中的渗透作用有关[9]。在I区中，混凝土的扩展度较小，说明混凝土流动性低，引气剂难以在浆体中有效渗透开来。然而在II区中，更多的消泡剂发挥其降低浆体的表面势能的作用，使浆体稠度更低，引气剂更易在浆体中均匀地渗透。最后，在III区与IV区中，混凝土的流动性均比较好，引气剂能在浆体中均匀的渗透，因此，含气量曲线表现正常的规律性。
4.3 混凝土强度数据
混凝土的强度与其含气量是密不可分的。虽然混凝土引气技术已被业界广泛接受，但是由引气不当带来的工程质量问题和经济损失却屡见不鲜[10]。混凝土的抗压强度随其含气量的增加而线性降低的，基本上含气量每增加1%，混凝土的抗压强度会下降4%—5%[11]。不同引气剂与消泡剂比例下的混凝土强度如图5所示。图中Ⅱ区与IV区表现出类似的规律，即在消泡剂的掺量相同的条件下，混凝土强度随着引气剂的量的增大而逐渐降低。然而，I区和Ⅲ区中的曲线规律异常。在I区中混凝土的强度相差不大，这是因为引气剂在混凝土中是有一个最低掺量的。在低于最小掺量下，浆体的表面张力并没有明显变化，此时的强度不仅和含气量有关，还与其他因素有关，例如气泡的分布及形态[12]。从第1组（第2组和第3组与其相似）混凝土试块表面壳观察到：气泡分布不均匀，孔径大小也相差较大，因此I区的混凝土强度呈现出不规律性；而第10组（第11和第12组与其相似）中气泡孔分布较均匀，孔径大小也较集中，因此IV区的混凝土强度呈现线性下降的趋势。在Ⅲ区中，第8组强度异常是因为混凝土试拌完后停留时间过长，混凝土坍落度损失大，振捣不密实所致。
4.4 清水混凝土表观形貌
清水混凝土表面气孔的形成是一个非常复杂的过程，与许多影响因素有关，包括搅拌过程、混凝土配合比参数、外加剂性能、脱模剂性能、模板材质以及施工过程等。正因为气孔形成的复杂性，任何定量分析清水混凝土表面气孔的有效性均是值得怀疑的。本文将结合外加剂与混凝土性能，定性分析清水混凝土气孔形成机理。
Powers描述了气泡在混凝土中的形成过程。混凝土含气系统的形成分为两个过程：一个过程是气泡的形成，空气在涡流作用下被包裹住；另一过程是气泡的稳定，在搅拌过程中，当混凝土落在空气上时，细集料会形成一个所谓的三维空间的薄膜[13]。当形成的气泡能稳定地存在于混凝土中时，清水混凝土表面就易形成气孔多的现象。一般而言，新拌混凝土中的气孔是不稳定存在的[14]。然而当混凝土流动性较低时，气泡在混凝土中的移动受到阻碍，降低了气泡破裂和排出的可能性，因此气泡的尺寸较大、分布不均匀、形状也较不规则（如图6所示）。当通过提高含气量来增加混凝土的流动性时，虽然气泡能够较自由的移动，但是混凝土中的小气泡太多，难以在短时间内迅速排除，因此混凝土表面小而密的气孔较多（如图7所示）。只有当含气量与流动性达到一个均衡的水平时，清水混凝土表面才会较光滑平整（如图8所示）。
5 结论
综上试验研究表明，引气和消泡在混凝土中是一对“相互克制”又“相互补充”的变量。引气剂主要作用是引入细小的气泡，而消泡剂主要作用是减少有害气泡，进而分别起到提高和降低混凝土含气量的作用。
（1）若消泡剂在较低范围内（万分之1到2）混凝土工作性主要是由引气剂起主导作用；若消泡剂提高至较高的量（万分之4）时，起主导作用的变为消泡剂。
（2）当混凝土流动性较低时，易引起工作性不良造成的缺陷孔。当含气量不当时，易造成小而密的引气孔。只有当含气量与流动性达到一个均衡的水平时，清水混凝土表面才会较光滑平整。
（3）当引气剂掺量为万分之二、消泡剂掺量为万分之一时，清水混凝土表观形貌最佳。
参考文献
[1] 吴海勇,马建高,石福弟,朱慧,凌超,朱山,韩兴建.清水混凝土配合比设计及脱模剂的选择[J]. 混凝土,2007,12:93-94+102.
[2] 冯乃谦,笠井芳夫,顾晴霞.清水混凝土[M].北京:机械工业出版社,2011,03.
[3] 杨鲲鹏,吕晓琳. 清水混凝土原材料的选择与配合比的设计[J]. 建材技术与应用,2010,03:30-33.
[4] 杨全兵,朱蓓蓉,黄土元.对混凝土引气剂的新认识[J]. 低温建筑技术,1998,03:33-35+50.
[5] 薛庆.引气剂与混凝土高性能化[J]. 混凝土,2005,04:22-25.
[6] 李春静,卢义和,宫素芝,宋伟,解振兵,刘真,卢妍华.消泡剂的发展概述[J]. 四川化工,2005,06:20-23.
[7] 单旭辉,朱尔玉,韩玉莲.引气剂对混凝土性能的影响[J]. 南水北调与水利科技,2004,06:47-51.
[8] 张希清,宋少民. 消泡剂对清水混凝土表面性能影响的研究[J]. 建筑技术,2002,09:669-670.
[9] D.Myers, Surfactant Science and Technology, 2nd ed., VCH, New York, 1992.
[10] A.J. Hulshizer, Air-entrainmentcontrol or consequences [J]. Concr. Int.18 (7) (1997) 38–40.
[11] 张金喜,郭明洋,杨荣俊,张莉.引气剂对硬化混凝土结构和性能的影响[J]. 武汉理工大学学报,2008,05:38-41.
[12] Du L, Folliard KJ. Mechanisms ofair entrainment in concrete [J]. Cem Concr Res2005; 35:1463–71.
[13] T.C. Powers. The Properties ofFresh Concrete[J], John Wiley & Sons, New York, 1968.
[14] Khayat KH, Assaad J. Air-void stabilityin self-consolidating concrete. ACI Mater J 2002;99(4):408–16.