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低氣壓下氣泡全生命期特征及引氣混凝土性能提升

來源:李揚(yáng) 瀏覽 581 次 發(fā)布時(shí)間:2022-10-18

高原地區(qū)約占我國國土面積的四分之一,該地區(qū)的工程建設(shè)量呈逐年增加趨勢。工程中發(fā)現(xiàn),在高原地區(qū)使用常規(guī)品種引氣劑后,新拌混凝土與平原地區(qū)的混凝土相比含氣量降低、流動性不足,硬化混凝土抗凍耐久性下降,引氣劑使用效果受到了高原環(huán)境的影響。為探明高原環(huán)境影響引氣劑使用效果的機(jī)理,本文基于自主建立的全程低氣壓條件下氣泡結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法,獲得了在實(shí)驗(yàn)室模擬和高原現(xiàn)場條件下低氣壓對引氣劑性能影響結(jié)果,對比研究了常壓和低氣壓下引氣劑氣泡全生命期內(nèi)的發(fā)展變化,闡明了低氣壓下氣泡全生命期特征,發(fā)明了新型引氣劑以提升高原低氣壓環(huán)境下制備混凝土的性能。


取得了如下主要結(jié)果:


(1)研制了模擬高原低氣壓環(huán)境的氣泡結(jié)構(gòu)測試分析設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了溶液和凈漿樣品的制備與性能測試全程低氣壓,獲得了20 kPa~100 kPa氣壓條件下引氣劑溶液泡沫體積V_s、引氣劑溶液氣泡直徑d_s和水泥凈漿中氣泡直徑d_c等氣泡特征參數(shù)的演化規(guī)律,避免了試驗(yàn)中氣壓變化對試驗(yàn)結(jié)果的影響。發(fā)現(xiàn)了60 kPa下6種引氣劑溶液V_s平均降低9.4%,皂甙引氣劑的d_(s-5min)增加4%,d_c增加18%。高原低氣壓下引氣效果變差和混凝土含氣量下降與氣泡結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)。


(2)在北京(海拔高度50 m,氣壓100 kPa)和拉薩(海拔高度4200 m,氣壓60 kPa)兩地進(jìn)行了6種引氣劑制備混凝土性能對比試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)60 kPa下引氣混凝土的含氣量降低程度與引氣劑品種和分子結(jié)構(gòu)有關(guān),摻加皂甙類、松香類和陽離子雙子類引氣劑的混凝土含氣量比100 kPa下含氣量降低率小于10%,摻加烷基苯磺酸鹽、聚醚類和陰離子雙子類引氣劑的混凝土含氣量降低率大于15%。對硬化混凝土的研究發(fā)現(xiàn),與100 kPa相比,60 kPa下混凝土中氣孔直徑平均增加21%,氣泡間距系數(shù)平均增加45%,氯離子擴(kuò)散系數(shù)平均增加80%,快速凍融200次后混凝土相對動彈性模量平均降低11.6%。試驗(yàn)結(jié)果顯示在60kPa下引氣混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)劣化,耐久性降低。


(3)提出引氣劑氣泡全生命期分為氣泡產(chǎn)生、混合-分離、氣泡衰亡三個(gè)階段,闡明了各階段引氣劑溶液的氣泡全生命期特征:


1)在氣泡產(chǎn)生階段,通過攪拌作用引氣劑溶液中產(chǎn)生大量氣泡,泡沫體積在20 s內(nèi)快速增長至最大值Vs-max,低氣壓下Vs-max比常壓下降低5%;


2)在混合-分離階段,小氣泡懸浮在溶液中,整個(gè)溶液成為水與氣泡的混合體系,V_s在此階段能保持短暫的穩(wěn)定,然后在浮力作用下部分氣泡快速上升,氣液分離,Vs快速減少。低氣壓下,氣泡在溶液中上升速度較快,此階段時(shí)長30 s比常壓下此階段時(shí)長45 s減少33%;


3)在衰亡階段,氣泡熟化、排液和聚并,泡沫體積緩慢減少至完全消失。低氣壓下氣泡穩(wěn)定性相比常壓環(huán)境更低,衰亡階段時(shí)長8 h比常壓下此階段時(shí)長12 h減少33%。


4)分析了60 kPa低氣壓下引起氣泡全生命期發(fā)展變化的原因,發(fā)現(xiàn)了氣體體積壓縮量比常壓下降低6%是引氣量下降的主要原因之一;引氣劑溶液表面張力比常壓下增加4%,氣泡直徑增大,導(dǎo)致在混合-分離階段氣泡更快地從溶液中逸出,保留在分散介質(zhì)中的氣體減少;空氣溶解度比常壓下降低40%,可溶解氣體減少,無法溶解的氣體進(jìn)入氣泡,引起溶液氣泡生長速率比常壓下增加104%,氣泡衰亡加速。


5)提出了氣泡全生命期內(nèi)評價(jià)混凝土引氣能力的參數(shù)——?dú)怏w壓縮轉(zhuǎn)換系數(shù)kZ、氣體保留矯正系數(shù)kB和氣泡穩(wěn)定轉(zhuǎn)換系數(shù)kS,建立了低氣壓下混凝土含氣量預(yù)測模型,經(jīng)過工程驗(yàn)證,模型計(jì)算值與試驗(yàn)值之差小于國家標(biāo)準(zhǔn)中含氣量測定結(jié)果誤差0.5%。


6)基于提高氣泡穩(wěn)定轉(zhuǎn)換系數(shù)k_S的目標(biāo),發(fā)明了馬來松香基雙子引氣劑,設(shè)計(jì)三元菲環(huán)基團(tuán)來增加分子結(jié)構(gòu)剛性,引入雙子連接基團(tuán)降低親水基間的靜電斥力,合成出了低氣壓專用引氣劑MRP。與松香引氣劑相比,馬來松香基雙子引氣劑MRP的氣泡液膜強(qiáng)度提高11%,液膜上分子排列密度增加50%,氣泡穩(wěn)定性提高。低氣壓下MRP引氣混凝土含氣量降低率比松香引氣混凝土減少5%,氣泡間距系數(shù)增加率減少87%,有效提高了高原混凝土的工作性和抗凍耐久性。