水泥消泡剂(从S201工程谈混凝土气泡的问题)

Posted 2023-05-30

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水泥消泡剂(从S201工程谈混凝土气泡的问题)

高国成，范云岗等

本文通过一个工程引发了对混凝土气泡的思考，分析了气泡产生的机理及引发因素，提出了解决气泡外观质量问题的具体措施。

1 工程情况

S201 威东线田和至温泉段工程（环山路）是省级干线公路 S201 威东线的重要路段，也是承担威海高区、环翠区、经区间交通出行的城市主干道，兼顾公路与市政道路的功能。该项目路线全长 22.7 公里。其中新建段 5.8 公里，完全利用段长 2.6 公里，采用改扩建段 14 多公里，采用双向六车道一级公路，路基宽 27.5m，全路段大桥 3 座和小桥 1 座，涵洞 18 道，隧道 3 座，互通立交 5 座，通道 3 座，天桥 2 座，平面交叉 2 处。该工程桥板和横梁均采用 C50 预应力梁场预制和墩柱采用 C40 吊车现浇施工工艺。在施工初期均出现外观气泡偏多的现象：有密密麻麻的微小气泡，有分布均匀的大气泡，有大气泡和少量的小气泡，有局部出现气泡等。根据气泡的分布情况，结合工程使用混凝土的材料和配合比、施工工艺等综合判断分析找出气泡产生的主要原因，再有针对性地解决。

2 混凝土气泡的认识和理解

众所周知，混凝土是由不同密度的材料通过搅拌后凝结硬化而成的人工石。由于混凝土新材料的利用，尤其是高性能减水剂的发展，使得混凝土变得越发复杂，形成了科学体系。既然是不同密度的材料的“堆积物”，这就决定了气泡的存在是混凝土的固有属性，通俗地讲就是与生俱来的。这种气泡除了本身组成材料带来的气泡，更多的是组成材料组合在一起，夹杂在其中的空气成了混凝土中的气泡。同样，在混凝土浇筑过程中，即使是混凝土已经均匀拌合在一起，由于在浇筑过程中，混凝土受浇筑结构空间的约束（钢筋密度、脱模剂品种、模板的平滑度和密封度等），仍然携带部分空气。混凝土组成材料带来混凝土气泡，比如水泥中的助磨剂遇水极性变化带来的气泡；水泥和减水剂的适应性带来的气泡；粗细骨料级配不合理，粗骨料中针片状颗料含量过多，细集料中的粒径片状过多，以及在生产过程中实际使用砂率的变化，此时细粒料填充粗骨料之间的空隙不足，导致骨料不密实，形成产生气泡的空间填充。胶凝材料的用量和水胶比的大小，也是导致气泡产生和难以破坏的重要因素，当然最为重要的还是减水剂本身的引气性和复配的引气剂品种带来的气泡。简而言之，混凝土气泡主要由各组成材料本身材质带来的和搅拌过程中带入的空气两部分组成。可根据气泡的稳泡时间、直径大小和均匀性等特点来分析，最终通过施工工艺，在混凝土的外观上展现出来，这是对混凝土气泡的一个宏观认识。而气泡真正生产的机理是什么，如何消除？需要进行一个剖析。

3 气泡消除的理论性分析

3.1 消除气泡的手段

混凝土中消除气泡的主要手段就是通过增大气泡的半径，及减少气泡的薄膜厚度来提高气泡在混凝土中的不稳定性。

（1）增加混凝土的表面张力。从能量的角度来说，增加混凝土体系中表面张力，气泡膜强度降低，不利于气泡的形成，或者受到外界张力的挤压气泡在短时间内就会消除。

（2）降低混凝土的粘度。这种粘度是由于各种材料堆积和化学活性剂在其表面相互作用而产生的。混凝土体系粘度的降低，减少了气泡的厚度和松弛时间、气体扩散松弛时间及气泡的破坏期；气泡内部液体排除，又使气体在液膜中的溶解度增加。混凝土粘度的降低，即使在受到外力作用也不能形成一定稳定的气泡，当然这里面排除减水剂引入的一些稳定封闭的、均匀的气泡。为了改善混凝土的和易性，额外在减水剂中引入的气泡都是半径小且稳定的气泡，很难破坏。

3.2 气泡相关理论研究综述

3.2.1 GIBBS-Marangoni 表面弹性效应

气泡受到外部作用力冲击，液体部分厚度变薄，表面积增加，活性分子密度减小，表面张力增大。在形成的表面张力梯度作用下，活性分子沿表面扩张并拖带着相当量的液膜下的溶液，使局部变薄的液膜又恢复到原来的厚度，这种现象叫 Gibbs 弹性。活性分子向着局部变薄的液膜扩散并恢复到原来的表面张力，需要一定的时间，这就是 Marangom 效应。显然，加入活性分子前后，表面张力变化越大，形成的表面张力落差越大，Gibs Marangoni 效应也就越显著，气泡的自修复能力就越大。表面弹性有助于气泡膜厚度保持均匀。当活性分子溶液浓度较高时，因溶液中的活性分子迅速扩散到表面上，使局部的表面张力梯度变化。

3.2.2 气泡膜的表面带电荷

离子型表面活性分子的气泡膜中，反离子不能中和表面活性分子同侧的吸附电荷，而在气泡膜中形成扩散层。气泡膜厚度变得近于扩散层厚度时，液膜两侧吸附电荷产生的排斥力阻止气泡膜变薄，有利于气泡的稳定性，这样分离压可因溶液中浓度的增加而减弱显著，多价离子影响比较显著，气泡膜薄化速率加快，气泡容易破裂。加入适量低价离子化合物，可使吸附的活性剂分子头基间斥力降低，因而有利于增强气泡膜的稳定性。

3.2.3 气泡膜本身的质量

气泡质量是气泡中气体所占气泡总体积比例。Minssieux 认为气泡质量对其稳定性能有决定性作用，这种影响随着气泡衰变的主要机理不同而产生差异。以排液为主要衰变机理的气泡，其稳定性能随气泡质量的增加而增加，以气体扩散为主要衰变机理的气泡，其气泡稳定性随气泡质量增加而降低。前者，因气泡质量提高，气泡直径变小、液膜变薄，排液速率降低；后者，由于气泡质量增加，加速了气体速率扩散，气泡变得极不稳定。

3.2.4 气体的溶解度和渗透率对气泡的影响

研究表明，气体扩散使气泡破灭的速度，与气体在液相中的溶解度和扩散系数之乘积成正比。气体在液相中溶解度和扩散越大，从小泡向大泡的扩散就越快，从而加速了气泡的衰变过程。

3.2.5 压力和气泡大小分布对气泡的影响

气泡在不同压力作用下稳定性不同。压力越小，气泡越不稳定；压力越大，气泡稳定性增强。而单位时间内气泡数量的减小和最初气泡大小分布频率相关，气泡分布越窄、越均匀，气泡越稳定，因此，欲破坏稳定气泡，应尽量使气泡的半径分布宽一些。

3.2.5 温度和表面活分子的溶解度

很多情况下，随温度的增高使气泡稳定性下降，在低温和高温下气泡的破坏过程也不同：低温下，气泡排液使液膜达到一定厚度时，就呈现亚稳状态，其衰变机理主要是气体扩散；在高温下，气泡破灭由气泡柱顶端开始，气泡体积随时间延长有规律地减小。其原因是：最上面的液膜上侧，总是向上凸的，这种弯曲膜对蒸发作用很敏感，温度越高蒸发越快，膜变薄到一定厚度，就自行破灭。因此在夏季高温施工时，气泡破坏越强。那么混凝土气泡生产的具体途径，主要影响因素如何界定，需要有一个认知。

4 混凝土气泡产生的具体途径分析

4.1 原材料以及配合比

（1）对于水泥品种和掺加的助磨剂不同，带给混凝土引气量也是不同的。试验表明，其他相同条件下，硅酸盐水泥所配制混凝土的含气量大于用火山灰水泥或者粉煤灰所配制的混凝土，而小于用矿渣水泥所配制混凝土。这是因为火山灰、粉煤灰对混凝土引气吸附作用很强，而矿渣粉颗粒对引气的吸附作用较弱。而在目前环保的高压下，原料紧缺，水泥厂掺加劣质掺合料和超规范掺加不但不会降低引气量，反而增大了含气量。

（2）掺合料品种和用量对混凝土的含气量也有很大影响。粉煤灰和硅灰的引气吸附作用强，替代部分水泥，将减少混凝土的一部分含气。但是如果采用劣质统灰或者电厂为了脱硫采用氨类物质，残留其中，在混凝土碱性环境下，发生剧烈氨气释放的化学反应，致使混凝土在浇筑后产出“冒泡”。

（3）骨料的级配不良。粗骨料针片状过多，颗粒棱角过多。对于细骨料，当其中 0.16～0.63mm粒径范围的砂子越多，混凝土含气量越大，小于 0.16mm、大于 0.63mm 的砂子的比例居多时，混凝土含气量减小。混凝土料级配不良会造成混凝土孔隙率变大，在搅拌过程中空隙被空气不断填充，积成数量很多的小气泡，不过这些气泡大多数为大粒径气泡，粒径为 2～20mm。

（4）目前高性能混凝土基本均采用聚羧酸高性能减水剂，而聚羧酸减水剂含有很多极性基团，这些基团引气量高。尤其是缓释型聚羧酸引气量更大。而在实际应用中，为了保坍，基本都要复配一些缓释型聚羧酸。当然为了调整混凝土的和易性，还要添加一部分引气剂，这都会给混凝土引入一定量的气体。对于外观要求严格的混凝土，尽量采用低引气的聚羧酸减水剂和复配稳定性差的引气剂。

（5）水胶比大小也是影响混凝土含气重要因素，在实际生产过程中，水胶比越大，自由水越多，从而使气泡的形成几率增大，这也是在实际生产中，水胶比变大、气泡严重增多的原因。而水胶比过小，混凝土粘度过大，引入的气泡较小、稳定性强，气泡不易排出。

4.2 混凝土搅拌

混凝土在拌合过程中，随着搅拌桨叶的不断搅拌，会不断卷入大量空气进入混凝土内部逐渐成为气泡，这些气泡大多数半径较大，在搅拌拌合过程中被减少或者消灭，但同时又有新的空气被带入混凝土中形成新的气泡，此消彼长。随着搅拌时间的延续，混凝土中的气泡会趋于稳定状态，但在混凝土搅拌均匀的前提下，尽量缩短搅拌时间，也会减少混凝土中的含气量。

4.3 施工工艺

（1）板的选择。大型预制构件一般都采用钢模板。钢模板的刚度和表面的平滑度符合要求，其刚度必须满足施工要求外，还必须具有弹性。钢模板的振动附着震动器布置必须合理，防止产生共振和局部共振。在振动器工作时，整个钢模板才会同时震动，才会有足够的震动力。钢板在长期震动荷载下发生疲劳，振动时钢板受到撕裂式的震动导致有些钢模板有刚度，但无震动力；或由于模板材质厚度或者设计问题，使得钢模板板面刚度太大，振动器振动力很难以带动整个模面的震动，致使混凝土在施工过程中达不到良好的震动效果，从而形成气泡聚集，很难破坏而出现外表面气泡缺陷。其二，实践证明，模板平整度和光滑度高，有利于气泡的排出，从而减少混凝土表面气泡。

（2）脱模剂的使用。选择良好的脱模剂能起到消泡作用。而现实中施工单位为了降低脱模剂成本，往往会选用废机油等作为脱模剂，这种废机油对气泡具有很强的吸附性，混凝土内气泡与之一接触便会吸附在模板上而定型在结构物表面，且废机油增强了气泡膜的厚度，起到稳泡作用，因此气泡很难被排除。优质的脱模剂具有较低的粘度，对气泡不具有吸附性，甚至起到“消泡”作用。目前市场上有很多具有消泡化学成分的脱模剂，使用此类消泡型的脱模剂后，当气泡与模板表面脱模剂中所含的消泡剂相遇后，立即破灭或由大变小、由小变微，使混凝土墩柱表面极其平滑致密。

（3）通过振动脉冲液化砂浆，降低粗集料之间的内摩擦力，为气泡的排出提供最根本的环境条件。且振捣还会促使气泡位移并不断地聚合，从而形成更大体积的气泡，间接为气泡的排出提供了动力。影响振捣排气效果的两个主要因素是振捣有效半径及振捣时间。振捣有效半径主要就是对振捣的作用范围，振捣作用范围的大小主要跟振捣设备的性能及混凝土的特性密切相关。此外，在对钢筋混凝土振捣时，其振动能量容易被钢筋吸收。对小边墙进行振捣排气时，通常是在钢筋模板之间进行的，振捣设备的振幅和频率能直接对振捣半径大小造成影响。根据相关研究表明，振捣的最佳频率在 200Hz 时所取得的作用半径范围最广。不同的频率，也能加大振幅从而增大作用半径。振捣排气能分为三个阶段：第一阶段，延长振捣时间会让大气泡数量迅速少至第一个谷值。在第一阶段会排出大量的不稳定气泡，大气泡数与混凝土含气量快速减少，直至不稳定气泡完全排出为止，这时候的混凝土内的大气泡数量极少量，为谷值。第二阶段，大气泡数量会逐渐上升直达峰值，紧接着半径数量级较低而不稳定气泡逐渐再次被排出。第二阶段介稳气泡会吸收足够的能量，产生位移，从而将小部分气泡排出混凝土，大部分则仍是相互聚合，产生新的不稳定大气泡，这时就会增加混凝土中的大气泡数量，导致介稳气泡的汇聚和排出速度较下降。从该段开始，混凝土中的大气泡基本是介稳气泡聚合形成，且气泡孔径数量级很小。第三阶段，延长振动时间会让大气泡数量逐渐减少，大气泡量接近为零，但是延长振动时间也会让气泡的孔径逐渐减小。此阶段介稳气泡的数量会减少，聚合形成的大气泡数量也会减少。因此，该阶段混凝土中大气泡数量会逐渐减少，但是其含气量的稳定性会更好。

而在实际的混凝土中气泡生产的原因比较复杂，往往不予重视，等外观气泡过多才想到去解决，但为时已晚。要通过外观的气泡的分布情况，合理判断，去诊断影响外观的主因和次因，逐条解决。

4.4 混凝土外观气泡缺陷出现的诊断

很多情况下，在实验室的条件下，经过反复试验做出满意的实验结果，但是到了实际生产中，因为放大效应和实际原材料的变化，甚至施工等条件的影响导致浇筑完的梁板和柱出现表面气泡过多。轻则整改，重则工程暂停施工。通常情况下，都是出现了表面气泡缺陷问题时，开始查找原因。为了更快捷地找到气泡缺陷的问题，可采用“倒推法”予以解决，即通过观察梁板柱气泡的半径、比列和数量多少等来判断导致气泡的主因，然后通过调整这个因素而达到解决问题的目的。

根据实践经验：（1）一般梁板出现大面积的大气泡眼、少量的小气泡眼，基本可断定是施工中振动工艺不规范造成的。气泡的破坏先从大泡眼开始，当振动不足以破坏大泡眼，便产生此类现象。可通过大功率的震动设备加大振动力度等手段予以调整。当然这样也不排除由于减水剂的品种和复配引气剂的品种问题而引起此类问题，可以与外加剂厂家沟通或者通过实验室去验证。（2）梁板出现大面积的针眼状微小气泡眼，反而大气泡眼极少，基本断定减水剂的引气量过多或者引气的质量过稳定（引气质量的好主要看引气的气泡小、稳泡时间长、泡的均匀性好）造成的。当然这也不排除水胶比过小或者混凝土过粘稠的因素。为了更快捷解决问题，要抓住主要矛盾去解决，以减少施工损失。当然这是通过观察问题点作为基础推断。再同时结合“望闻问切”的方法倒推模拟施工场景来找到主因和次因，采用逐个排除法解决。

5 总结

气泡的成因是复杂的，往往不是单一原因引起的，在分析这些问题不要“只见树木不见森林”，做到既要单一解决也要顾全综合因素，具体问题具体分析。