高原地區(qū)約占我國(guó)國(guó)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(shì)。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(dòng)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(chǎng)條件下低氣壓對(duì)引氣劑性能影響結(jié)果，對(duì)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(cè)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(cè)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(duì)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(duì)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(lèi)、松香類(lèi)和陽(yáng)離子雙子類(lèi)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(lèi)和陰離子雙子類(lèi)引氣劑的混凝土含氣量降低率大于15%。對(duì)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(duì)動(dòng)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)30 s比常壓下此階段時(shí)長(zhǎng)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(zhǎng)8 h比常壓下此階段時(shí)長(zhǎng)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(wú)法溶解的氣體進(jìn)入氣泡，引起溶液氣泡生長(zhǎng)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(píng)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(cè)模型，經(jīng)過(guò)工程驗(yàn)證，模型計(jì)算值與試驗(yàn)值之差小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中含氣量測(cè)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(lái)松香基雙子引氣劑，設(shè)計(jì)三元菲環(huán)基團(tuán)來(lái)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(zhuān)用引氣劑MRP。與松香引氣劑相比，馬來(lái)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。