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構試驗方法，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果，對比研究了常壓和低氣壓下引氣劑氣泡全生命期內的發(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。

取得了如下主要結果：

(1)研制了模擬高原低氣壓環(huán)境的氣泡結構測試分析設備，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等氣泡特征參數的演化規(guī)律，避免了試驗中氣壓變化對試驗結果的影響。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構變化密切相關。

(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構有關，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%，氣泡間距系數平均增加45%，氯離子擴散系數平均增加80%，快速凍融200次后混凝土相對動彈性模量平均降低11.6%。試驗結果顯示在60kPa下引氣混凝土的氣孔結構劣化，耐久性降低。

(3)提出引氣劑氣泡全生命期分為氣泡產生、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)在氣泡產生階段，通過攪拌作用引氣劑溶液中產生大量氣泡，泡沫體積在20 s內快速增長至最大值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評價混凝土引氣能力的參數——氣體壓縮轉換系數kZ、氣體保留矯正系數kB和氣泡穩(wěn)定轉換系數kS，建立了低氣壓下混凝土含氣量預測模型，經過工程驗證，模型計算值與試驗值之差小于國家標準中含氣量測定結果誤差0.5%。

6)基于提高氣泡穩(wěn)定轉換系數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)基團來增加分子結構剛性，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。