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文档简介
1、第五章 引气剂与引气减水剂,5.1 引气剂的种类与化学性质 5.2 引气剂在混凝土中的作用 5.3 引气减水剂 5.4 引气剂及引气减水剂的工程应用,1938年 美国 引气剂推广公路应用 1942年 美国 引气混凝土施工规范 1948年 广泛应用 我国:1950年开始,松香热聚物、松香 皂、复合多功能产品。 近年:引气剂领先地位是日本。,5.1 引气剂的种类与化学性质,表面活性剂,阴离子,阳离子,非离子,两性离子,5.1.1 松香类引气剂,特点:性能可靠、制备简便、价格便宜,松香皂类,松香热聚物,松香皂类引气剂,主要成分:松香酸,制备过程 :松香酸,遇碱皂化反应松香酸脂(松香皂),配制烧碱(N
2、aoH)溶液,a= k100B/c a 碱用量,g c 碱纯度 K 0.71,NaoH换算系数 B 松香皂化系数,中和1kg松香所需NaoH质量, 一般160180。, 松香处理(二级、三级松香),松香粉碎粉状氧化(在空气中)颜色加深,皂化过程 碱液加热至沸,徐徐加入松香,边加边搅拌(防止爆沸) 反应结束时:PH值89,澄清透明,无浑浊,无沉淀 松香皂物理性质:外观为棕色膏状物,含水22%,PH810,缺点:功能不够全面, 使用不方便,加入透明其他成分改性,加入载体粉状产品,与其他减水剂复合引气减水剂,2. 松香热聚物引气剂,由于树脂酸中具有 COOH ,加碱后会发生反应生成 皂类。将松香与石
3、碳酸 ( 苯酚 ) 、硫酸按一定比例投入反应 釜,在一定温度和合适条件下反应,该反应过程相当复杂,经 过缩合、聚合反应,变成一种分子比较大的物质,再用过氢化 钠处理成为钠盐的缩合热聚物 。,5.1.2 烷基苯磺酸盐类引气剂,工业上是用廉价的石油化学制品丙烯为原料,使其聚 合成丙烯四聚体,再与苯反应,则得到十二烷基苯的 复杂混合物。,5.1.3 其他类型引气剂,(1)皂角苷类引气剂(三萜皂苷 ) 萜 萜类通式(C5H8)n,皂苷(碱皂体 ),单糖基 甙键 甙元基,皂角苷类水溶性引气剂产品主要由三萜皂甙与少量改 性化学物质混合而成。它的生产原理主要是利用三萜皂甙 易溶于水和乙醇的特性,从植物原料中
4、溶出三萜皂甙成份, 然后经与残渣分离、浓缩精制而成。根据生产条件不同, 可分别采用“水溶法”和“乙醇法”两种工艺生产。,皂角苷类引气剂的生产工艺流程,引气原理 皂角苷类引气剂的引气作用是由三萜皂甙的分子结构 决定的。单糖基中的单糖有很多羟基 (-OH) 能与水分子形 成氢键,因而具有很强的亲水性;而甙元基中的甙元具有 亲油性,是憎水基团。因此三萜单甙是一个即含亲水基团 又含憎水基团的两性分子。 当三萜皂甙溶于水后,分子就定向排列在气液界面上, 降低了溶液的表面张力,从而使新界面的产生变得更容易。 若用机械方法搅动溶液,就会产生气泡。由于三萜皂甙分 子结构较大,形成的分子膜较厚,气泡壁的弹性和强
5、度较 高,气泡保持相对稳定。,物理性质: 皂角苷类引气剂产品有固体粉状和液状两种。粉状产 品呈褐黄色,比重约为 1.3 ,水份含量小于 5 ,水不溶 物微量,产品中含有少量挥发份和糖份。产品易吸收空气中 的水份而变潮,但不影响产品质量和使用。 液状产品呈深棕色,不透明,固体含量大于 15 ,沉 淀物微量。产品水溶性极强,可与任何其他外加剂,如萘系 和三聚氰胺类高效减水剂等按用户要求比例复合使用。,皂角苷类引气剂溶液起泡能力和稳定性,皂角苷类型引气剂检测结果与我国混凝土外加剂标准指标比较,性能指标: ( 1 )经中国水利水电科学院检测其各项性能均满足国标中 引气剂一级品的指标要求。 ( 2 )可
6、提高混凝土抗冻性 10 倍以上。( 3 )当混凝土含气量小于 4% 时,混凝土抗压强度不因 引气而降低;抗折强度有较大幅度的提高( 1 5 20% ), 当含气量在常用值 4 6% 时,引气剂引起的每单位含气 量混凝土抗压强度损失率小于 3% ;抗折强度仍有提高。( 4 )提高混凝土抗碱集料反应、干湿循环耐久性。此外, 引气剂显著降低混凝土的离析与泌水,改善工作性和可泵性。,生产情况 我国掺引气剂的混凝土仅占混凝土总量的 20 30 。 而发达国家占 70 80 ,我国混凝土总年生产量约为 2 亿 M 3 ,即有 6000 万 M 3 。应使用引气剂的年产量 至少为 6000 吨,价值约 1.
7、2 亿元。我国的混凝土工程的 耐久性将有非常明显的提高。 皂角苷引气剂利用野生植物为原料,资源丰富,已建成 年产 1000 吨的生产线,近几年来共生产了约 1500 吨, 用于工程。提高了抗冻耐久性。引气剂已作为泵送剂组份之一。,皂角苷类引气剂的优缺点: (1) 引气剂的气泡结构较好,产泡半径较小,因此抗冻 性指标较高,强度降低相对较小。(2) 水溶性极好,施工使用方便。(3) 与减水剂、缓凝剂复合性能较好。(4) 本产品的缺点是有些刺鼻,但无害,配制人员请 戴口罩。易潮解结成小团,但在水中即溶解,不影响 使用效果。,(2)脂肪酸及其盐类引气剂 动物脂肪皂化脂肪酸盐(引气性质),5.2 引气剂
8、在混凝土中的作用 5.2.1 引气剂的作用机理,1 、混凝土引气及气泡的形成过程 搅拌产生两种作用 涡流吸气作用: 搅拌 涡流 负压区 吸入空气 剪切 力 气泡 骨料抛落形成的三维幕引气作用: 搅拌 物料相逐级下落 骨料形成三维幕将空气携带 重力、剪切 力 空气破碎 气泡,未掺引气剂的混凝土:空气被浆体包裹形成气泡,但当气泡互相靠近时,极易相互兼并增大,并上浮至表面,从而破灭消失。 引气剂的作用主要有两个方面:一是使引入的空气易于形成微小气泡;二是防止气泡兼并增大、上浮破灭,也就是要保持微小气泡稳定,并均匀分布在混凝土中。,未掺引气剂混凝土中不稳定的气泡,2. 引气剂在液 - 气界面上的吸附与
9、排布引气剂与减水剂的界面活性作用区别:减水剂界面活性作用发生在液 - 固界面上,引气剂发生在液 - 气界面上。气泡:液体薄膜包围着的气体。 引气剂是表面活性物质,由非极性基 和极性基构成。对于液 气体系,其非极性基深入气相,而极性基留于水中,从而吸附在气泡的液 气界面上形成定向排布。,由于引气剂分子在气泡表面的这种定向吸附与排布作用, 使吸附了引气剂的气泡难于兼并增大,从而能够稳定地分 布在混凝土中。,3. 引气剂的作用机理 降低液 气界面张力作用含气量一定时,体系的液 气界面积增大,体系总界面 自由焓将增大,体系处于热力学不稳定状态。 掺入引气剂后,由于降低了液气界面张力,即使气泡不 相互兼
10、并增大,也使体系总的液气界面积保持不变,整个 体系的液气界面自由焓不增大,或者还有所降低,使体系 处于热力学较为稳定的状态。,(2) 气泡表层液膜之间的静电斥力作用 离子型表面活性剂作为引气剂时,分子在水中电离成阴、 阳离子,使气泡表面液膜带上相同的负电荷,气泡之间便产生 静电斥力,阻止气泡进一步靠近,提高气泡的稳定性。,(3) 水化膜厚度及机械强度增大作用 引气剂在气泡表面吸附时非极性基深入气相,极性基留于液相。吸附了引气剂分子的气泡表面水化膜增大,机械强度提高,气泡表面黏度及液膜弹性增大,这样当气泡碰撞接触时,气泡间液膜便不易排液薄化,同时气泡的弹性变形还有利于抵消气泡所受的外力作用。,纯
11、液体中气泡,有表面活性剂的气泡,(4) 微细固体颗粒沉积气泡表面形成的“罩盖”作用 阴离子型引气剂,会吸收和集中在气泡表面,使混凝土中的气泡实际上成了气固液三相气泡,固体颗粒“罩盖”薄膜使气泡表层膜厚度增大,机械强度和弹性提高。此层“罩盖”薄膜使气泡靠近时水化膜更不易排液薄化,因而气泡更难兼并增大,并且还有助于阻止气泡上浮和凝聚,从而使大量微小气泡能够稳定地均匀分布在混凝土拌合物中。,5.2.2 引气剂对混凝土性能的影响 1 、和易性 引气剂引进了大量微小且独立的气泡,这些气泡如滚珠一样使混凝土的和易性得改善。尤其在骨料粒形不好的碎石或人工砂混凝土中。 2. 泌水性 引气剂使混凝土拌合物中的骨
12、料与水泥浆的黏聚性加大,使它们的离散性减弱,使拌合物更好地处于均质状态,使拌合用的水分能更长时间地停留在水泥浆中而减少了泌水性。,3 、强度 引气剂使混凝土的强度有所降低。 规律:含气量每增加 1 ,抗压强度约减低 4 5 ,抗折强度约降低 2 3 。 强度的降低还受到骨料最大粒径的影响,最大粒径越大,则强度降低率越小。 在一定条件下,引气反而可以提高混凝土的抗折强度。 牺牲少量强度来大幅度提高混凝土耐久性或使用寿命是值得的,损失的强度通过其它技术得到弥补。另外,引气剂使混凝土成本增加很小,带来许多施工便利,那么混凝土结构的综合成本只会降低。,同水灰比或同和易性条件下引气剂品种对混凝土抗压强度
13、的影响,同水灰比条件下含气量对混凝土强度的影响,同塌落度条件下含气量对混凝土强度的影响,4 、耐久性 引气剂使混凝土用水量减少,泌水率减低,混凝土内部的大毛细孔减少。微小的气泡占据着混凝土的自由空间,切断了毛细管的通道,这些微小空间可以作为体积膨胀的“缓冲阀”,降低和延缓其它物理膨胀 ( 如盐晶体结晶压等 ) 和化学反应膨胀 ( 如碱骨料反应和硫酸盐反应等 ) 引起的混凝土破坏。使混凝土的抗渗性得到改善。抗化学物质侵蚀作用和对碳化的抵抗作用等也同时得到提高。 在相同条件下,使用引气剂的混凝土耐久性或使用寿命可提高 5 倍以上,因此给国家带来的经济效益是非常巨大的。,皂角苷类引气剂对混凝土抗盐结
14、晶压和碱集料反应 膨胀破坏的影响,AE 2 引气剂和 Vinsol 引气剂对混凝土抗盐冻融剥蚀性能的影响,AE2 引气剂和 Vinsol 引气剂对混凝土抗盐冻剥蚀性的影响,假定不掺引气剂混凝土的使用寿命为 10 年 ( 需大修 ) ,每立方米混凝土:工程造价为 2000 元,使用引气剂混凝土的使用寿命提高 5 倍,假如使用引气剂的 140 万立方米混凝土中约有 100 万立方米是用来提高耐久性或使用寿命,则相当于每年可以为国家节省维修费用约为:,(2000/10-2000/50)*100= 1.6 亿元 /年,以混凝土公路为例,引气剂已在东北地区约 100 多公里的高等级混凝土公路中使用。这些
15、公路每公里工程造价约为 1200 万元 ( 以每立方米混凝土计,工程造价约为 4000 元,) 。 若不使用引气剂,混凝土公路约 10 年需大修一次,使用引气剂后,混凝土公路的使用寿命至少可以延长到 40 年,引气剂在 100km 的高等级混凝土公路中使用,相当于每年可以为国家节省维修费用约 :,(1200/10-1200/40)*100=9000万元,5. 引气剂对新拌混凝土性能的影响 增加:浆体体积、拌和料润滑、浆体粘度、屈服应力 提高:工作性、塑性、内聚性 原材料比例不变的条件下,引气可以提高混凝土的流动性, 相同塌落度下,引气可以降低拌和用水量。 降低新拌混凝土的塌落度损失。 降低因离
16、析和泌水带来的不利影响,改善混凝土质量。 提高新拌混凝土的可泵性能,含气量一般以小于 6 。,6. 降低混凝土综合成本 下面抗压强度为指标计算,假定不掺引气剂混凝土的水泥用量为 330kg/立方米 ,混凝土、水泥、和引气剂的价格为 350元/立方米、400元/t和 2.6 万元/t。 含气量为 4 ( 掺引气剂为水泥量的 0.017 ) ,混凝土的抗压强度认为不损失,引气后每方混凝土增加的成本为: 0.33 1. 7 10( - 4 ) 26000=1.46 元;但同时引气 4 相当于原来 l立方米混凝土的体积增加为 1.04立方米,每方增加收益为 0.0 4 350=14 元,因此每方混凝土
17、的综合收益为 (14-1.46)=12.54 元。,5.3 引气减水剂 引气减水剂是一种兼有引气和减水功能的外加剂。 5.3.1 引气减水剂的特点 性能:引气、改善和易性、减小泌水和沉降,提高混凝 土耐久性、抗侵蚀能力。同时具备减水剂的性能:减水、增强以及对混凝土其他性能的普遍改善。 特点:提高混凝土含气量的同时,不降低混凝土后期强度,在普遍改善混凝土物理力学性能的基础上,更突出的提高混凝土的抗冻融、抗渗等耐久性。,5.3.2 引气减水剂的品种与性能 1. 普通引气减水剂 主要是木钙、木钠类减水剂。木质磺酸盐减水剂本身就具有减水、引气及缓凝的特点,属引气减水剂范畴。如果引气量不够还可以与引气剂再复合,以增加引气量。 2. 高效引气减水剂 萘系,蒽系、树脂系减水剂属高效减水剂,减水效率高。蒽系减水剂本身含有引气性,属高效引气减水剂。其余都是非引气性。可
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