引气剂对混凝土抗渗性能的影响研究

文摘 2025-01-27 07:04 河南

引言

建筑混凝土在使用过程中，受到建筑荷载、冻融循环、氯离子渗透、碳化、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应等多重因素的影响，易导致混凝土出现裂缝、剥落、翘曲、错位等现象，严重影响混凝土的安全性此外，恶劣的气候环境、频繁的突发性自然灾害、非自然环境（如除冰盐）等因素的共同作用，加速建筑混凝土的损坏和使用寿命的缩短。混凝土的碳化、水和氯离子渗透、硫酸盐腐蚀、冻融破坏和碱－骨料反应都与其渗透性有关。混凝土的渗透性与耐久性密切相关，胡瀚尹等发现，混凝土的渗透性或透水性是与耐久性直接相关的唯一特征。混凝土的渗透性在很大程度上决定其耐久性。袁江涛研究了不同类似引气剂对水泥砂浆固化的影响，结果表明改性松香热聚物引气剂能提高水泥砂浆的强度，降低砂浆的孔隙度和渗透性，并能最大限度地减小砂浆表面的改变程度。显微镜试验表明，改性松香热聚物引气剂与水泥水化产物C-S-H凝胶相互作用，形成的凝胶链比水泥长。

而在高湿度地区，有必要提高混凝土对水和其他侵蚀溶液的抗渗性。而添加引气剂是提高混凝土抗渗性的有效方法。龙翔等[6]制备一种新型盐基引气剂，将掺量为0.5%的引气剂掺入混凝土中，可以极大提高混凝土试样的密实度，且混凝土试样防水性能也得到明显改善。但该引气剂的碳化性能较差，无法有效提高混凝土的耐久性。因此需要改进引气剂，提高引气剂的综合性能。基于此，本文以正硅酸四乙酯为制备单体，异丁基三乙氧基硅烷为杂化剂，丙烯酸、磷酸、盐酸为催化剂，制备改性正硅酸四乙酯引气剂，进一步研究混凝土的吸水率、氯离子含量和碳化深度。研究结果可为建筑混凝土的抗渗性能研究提供参考依据。

1 试验方法与材料

1.1 材料

水泥为42.5R普通硅酸盐水泥，密度和比表面积分别为3.15g/cm³和346m²/kg。

细骨料为机制砂，产自中国福建泉州市，细度模数约为2.8，表观密度为2.72g/cm³。

粗骨料为碎石，5～25mm 连续级配碎石。

水为普通自来水，减水剂为聚羧酸减水剂。

根据初步实验室测试结果，本文采用的混凝土配合比如表1所示。

1.2 改性正硅酸四乙酯引气剂

实验中使用原硅酸四乙酯、异丁基三乙氧基硅烷、丙烯酸、盐酸、磷酸、无水乙醇、润湿剂和蒸馏水等材料制备引气剂。正硅酸四乙酯的分子式为C₈H₂₀O₄Si。异丁基三乙氧基硅烷的分子式为C₁₀H₂₄O₃Si。改性正硅酸四乙酯引气剂的制备过程如下：首先，将无水乙醇和蒸馏水在高速分散剂中搅拌升温，然后缓慢滴入酸催化剂（丙烯酸、磷酸或盐酸）以调节pH值。将润湿剂缓慢加入溶液中，在加入所有组分后继续反应1h，待冷却至得到改性正硅酸四乙酯引气剂。本文设定引气剂掺量为0%（A）、0.1%（B）、0.2%（C）、0.3%（D）。

1.3 试验方法

1.3.1 吸水率测试吸水率测试

采用100mm×100mm×100mm的立方体试件，试件在标准养护28d后放入40℃的烘箱中48h，表层在干燥和冷却后浸渍2h，在温度20℃±2℃和湿度50%±10%的室内环境中养护7d，第5天，将混凝土用环氧树脂封闭，并对其进行吸水试验。将封闭的混凝土重新置于40℃炉内48h，并进行称量。并将混凝土放置于一个玻璃基板，吸收面向下，慢慢地加入23℃的水。然后，每隔5、15、45、105、225和365min分

别称量试样的吸水增重。每组包括3个试样。将每个时间间隔的吸水增重值换算成吸水高度（mm），以吸水高度为纵坐标，以相应时间间隔的平方根为横坐标绘制吸水率曲线图，并以该曲线的斜率作为混凝土试件的平均吸水率。

1.3.2 抗氯化物渗透试验

试验按照标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GB/T 50082-2009）中所述的电通量法进行，使用φ100mm×50mm的养护圆柱形试件。试样在28d后取出并干燥。在温度为20℃±2℃和相对湿度为50%±10%的室内环境中养护8d，然后在蒸馏水中放置2d，以确保混凝土处于吸水饱和状态。然后在试件侧面涂上环氧树脂，待环氧树脂固化后开始进行真空饱和度和电通量试验，每组3个试件。试验使用SRH智能混凝土真空饱和机（北京索纳检测控制技术有限公司，中国北京）。

1.3.3 碳化测试

试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》标准中描述的碳化试验方法进行，采用100mm×100mm×400mm试件。棱柱体试件养护28d后放入60℃的烘箱中烘烤48h，表层干燥冷却后浸渍2h。然后，在温度20℃±2℃和相对湿度50%±10%的室内环境中养护7d后开始测试。试样在60℃的烘箱中干燥48h，然后用加热的石蜡密封，只有一面留作测量碳化深度的表面。然后，用铅笔沿暴露面的长度方向画平行线，间距为10mm，作为测量点。每组包括3个试样。试验使用CCB-70F混凝土碳化试验箱。

在试样碳化过程进行3、7、14和28d时，取出试样并将其破碎，以确定碳化深度。试样采用压力试验机的劈裂法进行破碎，每个切口的厚度为80mm。切割后，用石蜡密封破碎的试样，并将其放入碳化室继续碳化，直至下一个测试期。

利用毛刷清除截面上的残留粉末，然后喷洒浓度为1%的酚酞酒精溶液（酒精溶液中含有20%的蒸馏水）。约30s后，混凝土未碳化的部分变红。根据用游标卡尺划出的原始标记，用钢板尺每隔10mm划出一个测量点，测量碳化深度，并根据公式（1）取每个点的算术平均值作为最终碳化深度：

2 结果与讨论

2.1 吸水率测试结果和分析

图1为不同引气剂掺量条件下的混凝土吸水率，随吸水率时间的延长，混凝土吸水率逐渐减慢。吸水率在105min时上升趋于平稳，在365min时吸水率分别达到7.40%、1.00%、1.27%和0.93%。随着吸水率时间的延长，改性正硅酸四乙酯引气剂对混凝土的吸水率有明显的削弱作用，主要因为正硅酸四乙酯引气剂掺入到混凝土后，引气性能可能受水泥浆体的理化特性影响，如水泥水化离子和体系粘度；也可能受颗粒稳定的影响，导致混凝土试件更加致密，且正硅酸四乙酯引气剂可以与水泥水化产物生成水合硅酸钙凝胶，进一步阻碍外部水进入混凝土的通道，极大降低吸水率。且4种引气剂掺量时的吸水率均随着引气剂掺量的增加而减小，当引气剂掺量为0.2%时，混凝土吸水率最低，主要因为当引气剂掺量为0.2%时，引气剂中含有大量气泡，气泡中的自由水与水泥中的结合水共同作用使混凝土发生膨胀。随着混凝土含气量的增加，其强度和耐久性也在不断提高。同时随着引气剂掺量的增加，混凝土拌合物内部产生大量微小气泡，这些微小气泡能够提高混凝土拌合物内部的密实性和耐久性。且可以观察到，引气剂掺量为0%时，吸水率均达到最高，最高吸水率为7.40%。而掺入引气剂时，可以极大降低吸水率，掺入引气剂0.1%时，吸水率从0.2%（5min）增加到1%（365min），而引气剂掺量0.3%时，吸水率较引气剂掺量0.2%明显降低，当吸水率时间为365min时，引气剂掺量0.3%较引气剂掺量0.2%降低26.77%。

2.2 氯化物渗透测试结果和分析

图2为不同掺量引气剂的碳化试验结果，由图可知，改性正硅酸四乙酯引气剂可以有效降低混凝土的氯离子渗透性，而未掺入改性正硅酸四乙酯引气剂的混凝土的氯离子渗透性数值较高，氯离子含量高达1.1%。而当引气剂掺量为0.1%时，氯离子含量为0.5%，较未掺入改性正硅酸四乙酯引气剂降低54.5%。当引气剂掺量为0.2%时，氯离子含量达到最低0.2%，主要因为改性正硅酸四乙酯引气剂掺入到混凝土中，与混凝土水化产物反应生成凝胶，堵塞孔隙和微裂缝，而混凝土吸水率的降低也减少氯离子的迁移，从而降低混凝土的氯离子渗透率。随着引气剂掺量继续增加，氯离子含量呈递增趋势，当引气剂掺量为0.3%时，氯离子含量较引气剂掺量为0.2%增加100%，主要因为改性正硅酸四乙酯引气剂能堵塞混凝土孔隙，细化孔径，改善孔隙结构，降低混凝土的总孔隙率和多有害孔隙及有害孔隙的数量，可以有效降低混凝土的氯化物渗透能力。因此，当掺入引气剂含量为0.2%时，抗氯化物渗透效果最优。

2.3 碳化试验结果

图3为不同引气剂混凝土的碳化试验结果数据，从图3可以看出，改性正硅酸四乙酯引气剂能显著降低混凝土的碳化深度。引气剂掺量为0.2%时的碳化深度最低，28d后碳化深度为1.0mm，比引气剂掺量0%降低87.2%。而引气剂掺量为0.3%时，28d内碳化深度为2.4mm，比引气剂掺量0%低69.2%，主要原因为改性正硅酸四乙酯引气剂能与水泥水化产物反应生成凝胶，从而提高混凝土表面的密实度，减少二氧化碳的进入。当混凝土被碳化后，水泥浆中大量的氢氧化钙与空气中的CO₂发生反应，生成CaCO₃和HCO^3-，并使Ca（OH）₂与水泥浆中水分重新分布。在混凝土内部形成一个由氢氧化钙和HCO^3-组成的碳酸钙层。如果引气剂掺量过多，则会导致碳化速度加快，进一步破坏碳酸钙层，从而使混凝土开裂。且随着养护时间增加，混凝土碳化深度呈递增趋势，最大碳化深度高达7.8mm。对于混凝土来说，碳化是一个复杂且缓慢的过程。如果在较短时间内碳化速度过快（一般为7～14d），则会使混凝土内部产生裂纹并产生一定程度的碳化收缩；如果碳化速度过慢（一般为8～12d），则会使混凝土内部产生大量裂缝并产生一定程度的碳化收缩。而当引气剂掺量为0.2%时，不同养护天数下的碳化深度均小于1mm，且引气剂的加入起到了填充作用，加速了水化过程，成为水化产物生长的场所。可以极大提高整个混凝土试样的紧密性。且改性正硅酸四乙酯引气剂还能改善混凝土内部的孔隙结构，使混凝土中大孔隙尺寸的孔隙转化为小孔隙尺寸的孔隙，使孔隙尺寸得到完善。因此，提高混凝土的抗碳化性能，进一步表明将0.2%改性正硅酸四乙酯引气剂掺入混凝土中，可以使混凝土强度增加、耐久性提高。

3 结论

（1）改性正硅酸四乙酯引气剂可以有效降低混凝土的氯离子渗透性，而未掺入改性正硅酸四乙酯引气剂的混凝土的氯离子渗透性数值较高，氯离子含量高达1.1%。

（2）当引气剂掺量为0.2%时，不同养护天数下的碳化深度均小于1mm，进一步表明将0.2%改性正硅酸四乙酯引气剂掺入到混凝土中，可以使混凝土强度增加、耐久性提高。

（3）当引气剂掺量为0.1%时，氯离子含量为0.5%，较未掺入改性正硅酸四乙酯引气剂降低54.5%。当引气剂掺量为0.2%时，氯离子含量达到最低0.2%。

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