增稠劑對引氣水泥砂漿強度與孔結構影響研究

王 鐵，楊 哲，薛 成，周 曉 兵

(1.中交二公局第四工程有限公司，河南 洛陽 471013； 2.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710061)

0 引 言

水泥基復合材料是使用最廣泛的建筑材料之一，隨著現代化施工的理念不斷貫徹，當代水泥基復合材料已經向長距離泵送、澆筑時靠自重流動、無需振搗達到密實的高性能水泥基復合材料方向發展[1-3]。這就對水泥基復合材料提出了高穩定、高流態的要求。但高流態水泥基復合材料由于其坍落度、擴展度較大，往往容易產生泌水、離析等不良現象，產生不良穩定性的潛在風險。為克服此類問題，需提高水泥基復合材料中漿體液相黏度，降低水膠比和加入適量增稠劑(VEA)，如纖維素水溶性高分子、生物膠等高聚物[4-6]，都可達到此目的，但前者對自密實水泥基復合材料自身工作性不利。增稠劑可通過提高漿體黏度進而增強高性能高流態水泥基復合材料的穩定性，因此添加增稠劑逐漸成為改善高性能水泥基復合材料工作性的常用方法。

同時，現代工程對水泥基復合材料耐久性的要求也越來越高，向水泥基復合材料中引入微小、均一的氣泡是能經濟有效改善水泥基材料耐久性能的方法之一[7-9]。薛瑞[10]研究了引氣自密實水泥基復合材料的抗凍性能，認為含氣量3%的自密實混凝土抗凍性強于含氣量為5%時；Ye等[11]研究了自密實混凝土的氣孔結構，發現其孔間距、孔徑分布較相同配比普通混凝土更為合理；Puthipad等[12-13]研究了拌和方式、礦物摻和料和引氣劑種類對新拌自密實混凝土中氣泡結構特征的影響。Yang等[14]發現納米材料可影響引氣劑所引入氣泡的特征和時變特性，進而影響硬化后的水泥基性能。可見，在水泥基材料體系中，引氣劑引入氣孔會被多種因素影響，進而可能導致水泥基材料性能不能達到預期。但目前鮮有研究涉及增稠劑對引氣水泥基材料性能及氣孔結構的影響。

鑒于此，為探究增稠劑對引氣水泥基材料性能的影響，本文選用2種工程常用的生物膠類增稠劑，以5檔摻量摻入至高砂灰比、高流動度水泥膠砂中，對其力學性能、硬化孔隙率和氣孔結構等性能進行對比分析，并通過無電極電阻率儀等探究其影響機理，為改善高性能混凝土離析、泌水和氣孔粗化等問題提供解決方案。

1 試驗原材料與方法

1.1 原材料

試驗原材料為：普通硅酸鹽水泥P·O 42.5、中砂和飲用自來水。試驗所用的引氣劑(AEA)為非離子類松香皂，增稠劑選用阿拉伯膠(AG)和黃原膠(XG)，上述化學試劑均購自西安晶博生物有限公司，具體參數見表1。

表1 材料參數Tab.1 Materials type and properties

1.2 配合比設計

本次研究采用的配合比見表2。基準組砂漿試件固定水灰比為0.5，砂灰比為3，引氣劑摻量為膠凝材料質量的0.1%。保持基材比例不變，分別摻入AG、XG 2種生物膠類增稠劑，每組生物膠由0.01%～0.05%取5檔摻量，制得2組增稠水泥砂漿，組號分別為A和X。高輝等[15]的研究表明，混凝土篩余砂漿含氣量大約為混凝土含氣量的3倍，為保證試驗符合實際情況，各組新拌砂漿含氣量(參照GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物試驗方法標準》)均控制在11%～13%范圍內。

表2 配合比設計Tab.2 Mix design

1.3 試驗方法

1.3.1力學及微觀試件制備

先將水泥、砂和生物膠粉末倒入砂漿攪拌鍋中干拌30 s，然后邊攪拌邊倒入水，攪拌210 s后得到所需水泥砂漿。澆筑成型160 mm×40 mm×40 mm試件，24 h后脫模并在標準條件下養護至規定齡期，參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO)》對試件進行抗壓強度及抗折強度測試。

1.3.2硬化砂漿孔隙率計算

硬化砂漿孔隙率測試方法參考美國規范c.f.ASTM C 127與文獻[16-17]，在此基礎上將待測試件尺寸由100 mm×200 mm圓柱體變為40 mm×40 mm×160 mm長方體，其余試驗參數不變，計算公式如下：

(1)

(2)

式中：D為試件計算密度；P為試件孔隙率；MOD為試件干重，即在(110±5)℃烘箱內烘干3 d后測得質量；MSSD為試件表干重，即在室溫清水浸泡2周后，(99±3) ℃水浴1 d以排除內部氣泡，擦干表面后測得質量；Min water為試件在水中重量，即飽和試件測得水中質量；ρwater為水密度。

1.3.3硬化砂漿孔結構優劣評價

選用基準組和2種增稠劑摻量為0.03%的試件進行硬化砂漿孔結構優劣評價。將養護好的水泥砂漿抗壓試件切成1～2 cm左右的薄片，用600，1 000，1 500目的砂紙由粗到細依次打磨10～20 min至表面無影響觀測的劃痕。再放入裝滿無水乙醇的超聲波清洗機內以70 Hz的頻率清洗10 min，清洗后80 ℃烘干至恒重，用黑色炭黑墨水將打磨后薄片表面涂黑，放入烘箱內再一次烘干，在其表面涂覆一層納米碳酸鈣，并將多余粉末用刮刀除去，完成硬化砂漿孔結構待測樣品制備。

將待測樣品放置在固定好的CCD攝像頭下進行取樣，固定相機和小方塊的位置以保證每次的拍攝焦距恒定，并將相機設置為超焦距或者微焦距普通拍照模式，對截面進行拍照。照片區域為70 mm×70 mm，測試區域為照片中心20 mm×20 mm區域(見圖1)。

本文使用Matlab作為引氣砂漿氣孔結構分析的平臺，照片經過測試區域提取、灰度化、中值濾波、背景扣除、對比度調節、二值化及圖像表征處理步驟后，由Matlab軟件自動采集數據并自動計算得到結果，得出孔徑像素分布范圍。

1.3.4無電極電阻率試驗

應用CCR-Ⅱ型無電極電阻率儀原位檢測待測水泥凈漿電阻率變化全過程，具體配合比見表3。每組漿體經行星式凈漿攪拌機充分混合4 min后迅速倒入無電極電阻率儀的環形模具中，并手動振實排除氣泡后將模具蓋扣上，以阻止水分蒸發。用計算機自動采樣，間隔時間為1 min。試驗完畢后用千分尺測量樣品高度進而校正電阻率數據。

表3 無電級電阻率測試試件配合比Tab.3 Mix ratio of specimens in test of electrodeless resistivity

1.3.5掃描電子顯微鏡試驗

應用掃描電子顯微鏡(SEM)對摻入XG與AG凈漿的3 d水化產物形貌進行分析。真空加速電壓為3 kV，放大倍率2 500倍，所有樣品在測試前都被噴金。

2 試驗結果和分析

2.1 力學強度分析

水泥砂漿常用力學性能評價指標有抗壓性能與抗折性能，抗折強度可反映水泥砂漿材料的韌性，抗壓性能可一定程度反映水泥砂漿微結構密實程度。圖2為增稠劑種類與摻量對引氣水泥砂漿28 d抗壓、抗折強度影響。

由圖2可見：摻入阿拉伯膠的引氣水泥砂漿(A組)抗折強度隨摻量逐漸增大略有改善，于AG摻量為0.02%時達到峰值，較基準組提高了5.61%，AG摻量大于0.02%時，抗折強度隨摻量遞增而線性減小，AG摻量至0.05%時抗折強度降為基準組的88.70%。摻入黃原膠的引氣砂漿(X組)抗折強度隨黃原膠摻量增加表現為先增大后減小，于XG摻量為0.04%時達到峰值，較基準組提高了18.49%，當XG摻量為0.05%時抗折強度陡降至峰值的79.41%，略低于基準組。

同時從圖2也可以看出：A組抗壓強度強度隨AG摻量增加總體呈下降趨勢，AG摻量0～0.02%時下降幅度較小，最大降幅為1.11%，AG摻量大于0.03%時，抗壓強度隨摻量遞增呈陡降趨勢，AG摻量0.05%時，其抗壓強度僅為基準組61.50%。反而，X組抗壓強度隨XG摻量增加呈先上升后下降趨勢，XG摻量不超過0.04%時，抗壓強度隨摻量遞增而線性增加，至摻量0.04%時達到峰值，較基準組提高12.32%；而當XG摻量增至0.05%時，其抗壓強度陡降至基準組的78.10%。

AG作為增稠劑，可提高引氣水泥砂漿自身黏度，在一定摻量下可通過強化引入氣泡液膜黏度與韌性，減少微小氣泡的聚并，優化孔結構從而改善硬化引氣砂漿的抗折性能。當摻量過大時，水泥砂漿體系黏度過大，使得機械拌和引入的不規則大氣泡難以通過水動力及氣泡上升行為排除，致使AG摻量大于0.03%時，抗折、抗壓強度都會產生陡降趨勢。XG作為增稠劑與AG對引氣水泥砂漿的作用效果存在差異，可歸因于其自身溶于水泥基體系中或可密實水泥砂漿微結構，此現象將于其他試驗予以證明。

2.2 硬化水泥砂漿孔結構評估

經過計算，硬化后基準引氣砂漿孔隙率與密度分別為11.339%和2 068.997 kg/m3。圖3為摻入2種增稠劑的試件其計算孔隙率和密度與基準組間差值。

由圖3可見：A組引氣水泥砂漿孔隙率整體大于基準組，AG摻量0.04%時，引氣水泥砂漿孔隙率增加達到峰值，較基準組提高2.36%。X組引氣水泥砂漿在XG摻量為0.01%和0.03%時孔隙率小于基準組，分別下降了0.668%和0.012%，其他摻量下孔隙率高于基準組，其漲幅均小于A組同等摻量。A組引氣砂漿密度均小于基準組，隨著摻量的增加，A組引氣砂漿密度逐漸逼近基準組；X組引氣砂漿密度均大于基準組。

AG與XG作為增稠劑可使引氣水泥砂漿黏度增大。黏度增加一方面會導致新拌水泥砂漿體系中更難以引入氣泡；另一方面也可減少氣泡至氣孔過程中氣泡損失，使得硬化后引氣水泥砂漿孔隙率增加。摻入XG的引氣水泥砂漿在孔隙率較基準組高的情況下，密度仍高于基準組，說明黃原膠可密實水泥砂漿微結構。

應用Matlab程序對拋光處理后的試件進行圖像處理(見圖4)，對識別孔隙進行標記，統計各孔隙所占像素，統計結果見圖5。基準組像素點>100的孔隙所占面積比例遠大于A3和X3組，可見加入適量的2種增稠劑后，引氣砂漿內氣孔尺寸被細化，減少了硬化砂漿內大孔數量，優化了引氣砂漿的氣孔結構。值得注意的是黃原膠對引氣砂漿孔徑分布細化的效果要強于阿拉伯樹膠，這導致了黃原膠對引氣砂漿力學性能改善效果更明顯。

2.3 機理分析

為了進一步分析增稠劑對水泥砂漿性能影響差異機理，測得摻入增稠劑前后凈漿的無電極電阻率曲線如圖6所示。

JZ-E與X-E誘導期結束時間在400～450 min，而A-E誘導期結束時間在600 min左右，且電阻率增加速率小于JZ-E與X-E兩組。由此可說明摻入AG可導致水泥早期水化速率減緩，而摻入XG略微加速了水泥的水化進程。

4 000 min后水泥凈漿電阻率結果顯示由大到小依次為X-E>JZ-E>A-E。同樣的，如圖7所示，摻入XG后的凈漿其水化產物為致密的C-S-H凝膠，而摻入AG后的凈漿其水化產物中有較多片狀的氫氧化鈣(CH)和針棒狀的鈣礬石(AFt)。這說明，摻入XG的引氣水泥砂漿結構更為致密，而摻入AG后的引氣水泥砂漿結構疏松。這也解釋了摻入XG的引氣水泥砂漿在孔隙率較基準組高的情況下，密度仍高于基準組，而AG表現相反的原因。

3 結 論

(1) 增稠劑可使引氣水泥砂漿黏度增大。黏度增加一方面會導致新拌水泥砂漿體系中更難以引入氣泡；另一方面也可減少氣泡至氣孔過程中氣泡損失，使得硬化后引氣水泥砂漿孔隙率增加。

(2) 一定摻量的增稠劑可通過強化引入氣泡液膜黏度與韌性，減少微小氣泡的聚并，優化孔結構，從而改善硬化引氣砂漿力學性能。

(3) 阿拉伯膠會延長水泥水化誘導期時間，使水泥水化產物結構疏松，對引氣水泥砂漿力學性能整體呈負面影響。黃原膠可使水泥砂漿微結構變得致密，對引氣水泥砂漿力學性能有積極作用。