外加剂对机制砂混凝土表面气泡参数影响试验研究

2022-01-17来源：《新型建筑材料》2021.11

　　引言：

　　近年来，我国基础设施建设的迅猛发展和对环境保护的日益重视，使得混凝土发展正面临自然资源（天然砂）消耗的挑战，在不少地区已经出现天然砂逐步减少、甚至无砂可用的情况。相对于天然砂，机制砂的原材料来源广泛，机制砂用作混凝土的细集料，既可解决天然砂资源短缺问题，又能降低运输成本，保护环境，而且混凝土强度能够得到保障。机制砂替代天然砂用作混凝土细骨料已经成为混凝土行业的发展趋势。在机制砂混凝土配制过程中，由于机制砂比表面积大、粒形不规整、级配不合理等原因导致硬化混凝土表面出现大量气孔结构，严重影响混凝土质量，而且对混凝土的耐久性也有不利的影响。目前，混凝土质量不仅对强度、完整性、几何尺寸及其他技术指标有越来越高的标准，而且对于混凝土外观要求也越来越严格。

　　混凝土表面气泡质量是清水混凝土验收的关键指标，且硬化混凝土表面气泡质量问题是工程界亟需解决的难题。国内外众多研究工作者对混凝土表面气泡质量问题开展了大量的研究工作。外加剂作为混凝土重要组成原材料也势必成为表面气泡重要影响因素之一。因此，探讨混凝土外加剂对混凝土表观质量的影响规律对于混凝土工程界具有重要的现实意义，可为混凝土表观质量的改善提供参考依据。

　　1、试验

　　1.1原材料

　　1.1.1混凝土原材料

　　水泥：中国海螺P·O42.5水泥，其物理力学性能测试结果见表1；矿粉（SL）：南京梅宝S95级；

　　粉煤灰（FA）：镇江谏壁域级灰；

　　砂（S）：鹅卵石破碎机制砂，产地为江苏扬中，其物理性能见表2；

碎石（G）：5～31.5mm连续级配的石灰岩，产地为安徽和县。

　　1.1.2外加剂

　　聚羧酸系减水剂PC102B1（减水型）与PC203A1（保坍型）由安徽瑞和新材料有限公司提供，其匀质性检测结果为：PC102B1，含固量39.6%，pH值6.87，密度1.081g/cm3，碱含量0.72%，氯离子含量0.024%，硫酸钠含量0.13%；PC203A1，含固量39.49%，pH值5.82，密度1.079g/cm3，碱含量0.46%，氯离子含量0.011%，硫酸钠含量0。引气剂：浅黄色液体，含固量为33.65%，东邦化学（上海）有限公司；消泡剂：无色透明液体，含固量为31.28%，东邦化学（上海）有限公司。

　　1.2试验方法

　　机制砂混凝土配合比（kg/m3）为：m（水泥）：m（粉煤灰）：m（矿粉）：m（机制砂）：m（碎石）：m（水）=252：54：54：757：1046：210，且外加剂均按原液掺量计算，掺量按占胶凝材料质量计。

　　混凝土表面气泡参数测试试件采用200mm×200mm×200mm立方体试模成型。混凝土搅拌均匀一次性入模，统一用振动台经高频振捣25s后刮平，在（20±3）℃下养护48h拆模后晾干，立即测试混凝土表面气泡参数，测试方法如下：首先用数码相机对试件测试面表面图像进行采集，然后采用Image-Pro-Plus6.0图像分析软件对待测图像的气泡参数如气泡直径、气泡面积、不同直径气泡数量进行数据采集，然后进行计算分析获得气泡面积百分率（μ）、气泡最大孔径（Dmax）、气泡直径（D）分布等参数。气泡面积百分率是指混凝土表面气泡总面积相对于混凝土表面面积的比值；不同直径（D）的气泡数量是指在混凝土表面积为40000mm2时的统计数量。

　　2、结果与讨论

　　2.1减水型聚羧酸系减水剂的影响

　　表3为减水型聚羧酸系减水剂PC102B1掺量分别为0.15%、0.20%、0.25%与0.30%时的混凝土表面气泡参数。

　　由表3可知，随减水剂掺量的增加，气泡面积百分率（μ）总体呈减小趋势，在掺量0.30%时具有最小值，为0.39%，相对于掺量0.15%时的最大值0.93%减小了58.1%；最大孔径则为先减小后增大再减小的无规律变化，同样在掺量0.30%时具有最小值，为3.6mm，相对于掺量0.25%时的最大值5.2mm减小了30.8%；直径D臆1mm与D>1mm气泡数量总体均呈逐渐减少趋势，均在掺量0.15%时具有最大值，分别为272个、70个，且均在掺量0.30%时具有最小值，分别为196个、39个，相对于最大值，最小值分别减小了27.9%、44.3%。上述4个参数总体上均随减水剂掺量增加而减小，主要是因为减水型聚羧酸系减水剂的减水率相对比较高，随着掺量的增加，混凝土坍落度逐渐增大，而混凝土流动性的增加则有利于混凝土表面气泡的排出。

　　2.2保坍型聚羧酸系减水剂的影响

　　表4为保坍型聚羧酸系减水剂PC203A1掺量分别为0.30%、0.35%、0.40%与0.45%时的混凝土表面气泡参数。

　　由表4可知，随减水剂掺量的增加，气泡面积百分率（μ）先增大后减小，在掺量0.45%时具有最小值，为0.70%，相对于掺量0.35%时的最大值1.48%减小了52.7%；最大孔径则为先不变后减小再增大，在掺量0.40%时具有最小值，为3.6mm，相对于掺量0.30%与0.35%时的最大值6.0mm减小了40.0%；直径D≤1mm与D>1mm气泡数量均先增加后减少，其中D≤1mm气泡数量在掺量0.30%与0.40%时分别出现最小值605个、最大值1400个，最小值相对于最大值减小了56.8%，D>1mm气泡数量在掺量0.45%与0.35%时分别出现最小值58个、最大值110个，最小值相对于最大值减小了47.3%。气泡面积百分率、直径D≤1mm与D>1mm气泡数量随减水剂掺量增加先增大后减小，主要是保坍型聚羧酸系减水剂的减水率相对比较低且具有一定的引气作用，因此，在达到临界掺量之前，随掺量的增加坍落度变化较小且含气量逐渐增大，当达到临界掺量后，随掺量增加坍落度变化增大，有利于表面气泡的排出。同时，与表3对比可知，相对减水型聚羧酸系减水剂，混凝土表面气泡参数均有所增大，气泡面积百分率的最大值与最小值分别增大了59.1%、79.5%，直径≤1mm气泡数量的最大值与最小值分别增大了4.15倍、2.09倍，直径D>1mm气泡数量的最大值与最小值分别增大了57.1%、48.7%。

　　2.3引气剂的影响

　　表5为引气剂掺量分别为0、0.003%、0.006%与0.010%时混凝土表面气泡参数，同时掺入0.25%PC102B1聚羧酸系减水剂。

　　由表5可知，随引气剂掺量的增加，气泡面积百分率（μ）逐渐增大，相对于最小值，最大值增大了1.59倍；最大孔径的变化无明显规律性，在掺量0.003%时具有最大值为8.3mm，相对于未掺引气剂时的最小值5.2mm增大了59.6%；直径D≤1mm的气泡数量逐渐增加，相对于最小值，最大值增大了3.05倍；直径D>1mm气泡数量先增加后保持不变，在掺量0.006%时具有最大值118个，相对于未掺引气剂时的最小值58个增加了1.03倍。由此可见，在PC102B1聚羧酸系减水剂的基础上掺入引气剂时，混凝土气泡面积百分率、最大孔径、直径D>1mm气泡数量均明显增多，对混凝土外观质量有不利影响。

　　2.4消泡剂的影响

　　表6为消泡剂掺量分别为0.001%、0.002%、0.004%与0.008%时混凝土表面气泡参数，同时掺入0.25%的PC102B1聚羧酸系减水剂。

　　由表6可知，随消泡剂掺量的增加，气泡面积百分率（μ）先减小后增大，在掺量0.004%时具有最小值，为0.09%，相对于掺量0.001%时的最大值0.74%减小了87.8%，在掺量进一步提高到0.008%时，气泡面积百分率依然相对较小，仅为0.16%；最大孔径的变化规律也是先减小后增大，在掺量0.004%时具有最小值2.5mm，相对于掺量0.001%时的最大值4.2mm减小了40.5%；直径D≤1mm的气泡数量先减少后增多，在掺量0.004%时具有最小值67个，相对于掺量0.001%时的最大值264个减小74.6%；直径D>1mm气泡数量逐渐减少，在掺量0.008%时的最小值仅为9个，相对于掺量0.001%时的最大值60个减小了85.0%。综上可见，在PC102B1聚羧酸系减水剂的基础上掺入消泡剂时，混凝土气泡面积百分率、最大孔径、直径D≤1mm与D>1mm气泡数量均显著下降。气泡面积百分率的最小值相对于减水型聚羧酸系减水剂、保坍型聚羧酸系减水剂及引气剂的各自最小值分别降低了76.9%、87.1%与94.2%，气泡面积百分率的最大值相对于减水型聚羧酸系减水剂、保坍型聚羧酸系减水剂及引气剂的各自最大值分别降低了20.4%、50%与61.9%。可见，消泡剂的掺入可极大改善混凝土表面气泡外观质量。

　　2.5含气量与表面气泡参数的关系

　　针对上述4种外加剂对混凝土表面气泡参数影响试验所测得的含气量，建立了含气量与混凝土表面气泡参数的关系如图1所示。