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)試驗方法，獲得了在實驗室模擬和高原現(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)測試分析設備，實現(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，避免了試驗中氣壓變化對試驗結(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。

(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)兩地進行了6種引氣劑制備混凝土性能對比試驗，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，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，此階段時長30 s比常壓下此階段時長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，衰亡階段時長8 h比常壓下此階段時長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)評價混凝土引氣能力的參數(shù)——氣體壓縮轉(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測模型，經(jīng)過工程驗證，模型計算值與試驗值之差小于國家標準中含氣量測定結(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，發(fā)明了馬來松香基雙子引氣劑，設計三元菲環(huán)基團來增加分子結(jié)構(gòu)剛性，引入雙子連接基團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。