引氣方式對水泥基材料性能的影響

孔德玉,孫立豪,孫子祥,陳元朋

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,浙江 杭州 310023;2.杭州博墅科技有限公司,浙江 杭州 311300;3.浙江泛華工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310005)

在嚴(yán)寒地區(qū),為防止混凝土因凍融循環(huán)作用而過早出現(xiàn)開裂與剝落等破壞現(xiàn)象,通常會在混凝土生產(chǎn)時摻加引氣劑,其引入的氣泡雖然會導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降,但可為混凝土內(nèi)部孔隙水在結(jié)冰時提供一定的膨脹空間,從而可緩解內(nèi)部凍脹壓力,明顯改善混凝土抗凍性[1-3]。杭美艷等[4]研究發(fā)現(xiàn):摻加引氣劑可降低水泥基材料孔溶液的表面張力,因而在早期有助于減弱毛細(xì)管壓力并抑制層間水的遷移,從而有助于減小水泥基材料的收縮。肖剛[5]研究發(fā)現(xiàn):通過摻加引氣劑引入適量氣泡,在提高水泥基材料勻質(zhì)性的同時,還能削弱水泥基材料中微裂縫端部的應(yīng)力集中并阻斷內(nèi)部微裂紋的發(fā)展。摻量較低的引氣劑雖然能推遲砂漿開裂時間,但是當(dāng)摻量逐漸增加時,易形成連通孔隙,導(dǎo)致試件開裂時間有所提前[6]。

除摻加引氣劑可在混凝土中引入適量氣孔外,采用在加氣混凝土生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用的加氣劑——鋁粉,亦可在水泥基材料中引入少量或大量氣孔,并可利用其發(fā)氣作用補(bǔ)償水泥基材料早期收縮。例如,在高速鐵路CRTS Ⅰ型和Ⅱ型板式無碴軌道作為彈性調(diào)整層的CA砂漿[7]中引入適量鋁粉,以保證CA砂漿在凝結(jié)硬化過程中具有一定的膨脹率,從而可有效填充軌道板與混凝土基層之間的空隙,使其充分發(fā)揮彈性調(diào)整作用。目前,在普通混凝土或砂漿中采用鋁粉作為引氣劑的研究尚不多見。實(shí)際上,雖然鋁粉引入的氣孔孔徑通常在0.5～2.0 mm[8],氣孔直徑偏大,但其可能的優(yōu)勢是在發(fā)氣過程中不僅可消耗部分游離水,有助于減小由于引入氣孔而引起的混凝土強(qiáng)度損失,而且可產(chǎn)生微膨脹,可能有助于補(bǔ)償早期收縮。因此,筆者嘗試在水泥砂漿中采用鋁粉取代引氣劑,研究不同引氣方式對新拌和硬化水泥基材料性能的影響。

1 原材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原 材 料

選用阿爾博波特蘭(安慶)有限公司生產(chǎn)的袋裝52.5白色硅酸鹽水泥作為膠凝材料,該水泥除顏色與普通硅酸鹽水泥不同外,其化學(xué)與熟料礦物組成均與普通硅酸鹽水泥相近,其物理力學(xué)性能如表1所示。細(xì)骨料采用粒徑為28～40目的石英砂;鋁粉膏取自紹興市路成建材有限公司;白色粉末狀引氣劑購自廣東龍湖科技股份有限公司(FLOTAGE AE-2)。實(shí)驗(yàn)用水為市政自來水。

表1 P.W 52.5水泥物理力學(xué)性能

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

制備砂漿時,所用水灰比為0.50,灰砂比為1∶2.5,鋁粉摻量分別為水泥質(zhì)量的0.009%,0.018%,0.027%,0.036%(編號分別為BL9,BL18,BL27,BL36),引氣劑摻量分別為水泥質(zhì)量的0.004%,0.008%,0.012%,0.016%(編號分別為BY4,BY8,BY12,BY16)。首先將引氣劑和鋁粉分別溶解或分散于水中;然后加入水泥和砂;最后采用膠砂攪拌機(jī)攪拌后制備而成。

砂漿含氣量測定時,按《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)進(jìn)行測定。摻引氣劑時,在砂漿制備完成后,立即開始測定。摻鋁粉時,由于鋁粉在水泥砂漿中的發(fā)氣時間較長,為確定摻加鋁粉后的引氣量,首先確定鋁粉在水泥砂漿中的發(fā)氣時間和水泥砂漿的凝結(jié)時間;然后確定測試含氣量的時間。鋁粉發(fā)氣時間通過靜水天平法進(jìn)行測定,首先在氣球中加入砂漿,使氣球緊緊包裹砂漿;然后將裝滿砂漿的氣球放入吊籃中,測其在靜水中的質(zhì)量;最后每隔一定時間測一次水中質(zhì)量,根據(jù)水中質(zhì)量的經(jīng)時變化曲線即可確定砂漿中鋁粉的發(fā)氣時間。砂漿凝結(jié)時間則參考《建筑砂漿基本性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)進(jìn)行測定。砂漿中鋁粉的發(fā)氣時間曲線和砂漿凝結(jié)時間測定結(jié)果分別如圖1,2所示。由圖1,2可知:在砂漿中摻加的鋁粉,在90 min時已基本停止發(fā)氣,其初凝時間在130 min以上,因此,根據(jù)砂漿中鋁粉發(fā)氣時間曲線和凝結(jié)時間測定結(jié)果,確定對于摻鋁粉的砂漿,其含氣量測定需要將所得砂漿加入含氣量測定儀,靜置2 h后再測定含氣量,以保證其發(fā)氣基本完成,而砂漿尚未達(dá)到初凝狀態(tài)。

圖1 砂漿中鋁粉的發(fā)氣時間曲線

圖2 鋁粉和引氣劑摻量對砂漿凝結(jié)時間的影響

當(dāng)干燥收縮測試時,根據(jù)《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》(JC/T 603—2004)進(jìn)行測試,試件尺寸為25 mm×25 mm×280 mm。制備得到的砂漿試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d后,首先用比長儀測定試件初始長度;然后置于溫度(20±2)℃,相對濕度(60±5)%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi),至不同齡期的相同時間點(diǎn),測定試件干燥收縮,測試至90 d齡期時結(jié)束。

當(dāng)水泥膠砂強(qiáng)度測定時,根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)進(jìn)行測定。試塊制備完成后,由于鋁粉發(fā)氣會引起試塊膨脹鼓包,為控制與基準(zhǔn)砂漿和引氣砂漿試塊體積基本相同,實(shí)驗(yàn)時將鼓包部分進(jìn)行刮平處理。采用水中稱重法測定砂漿的體積密度,所用試件邊長為70.7 mm的立方體試件。

對摻引氣外加劑的水泥砂漿進(jìn)行斷面氣孔分布與形貌特征分析,將養(yǎng)護(hù)至90 d的70.7 mm立方體試件采用切割機(jī)沿中部切開后,對切割面采用磨拋機(jī)打磨至斷面平整光滑,采用吹風(fēng)機(jī)將嵌在氣孔里的殘余粉末清理干凈,采用黑色記號筆涂黑切割平面后,采用佳能EOS RP相機(jī)拍照并適當(dāng)剪裁至試塊邊緣,以觀察和分析砂漿斷面氣孔分布與形貌特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 對砂漿流動性的影響

不同引氣方式引氣時,外加劑摻量對砂漿流動性與含氣量的影響如圖3所示。由圖3可知:摻引氣劑時,隨著引氣劑摻量增加,砂漿含氣量有所增大,新拌砂漿的流動性也隨之逐漸增大,這是由于摻引氣劑引入的氣泡具有明顯的“滾珠效應(yīng)”[9]。然而,摻鋁粉時,所得砂漿流動度隨著鋁粉摻量增大并未見明顯增大的趨勢,這主要是由于新拌砂漿中鋁粉尚未開始產(chǎn)生反應(yīng)而未能引入對改善流動度有利的氣泡。制備得到的砂漿靜置2 h后,所測得的砂漿含氣量也隨著鋁粉摻量的增加而增大。

圖3 鋁粉和引氣劑摻量對砂漿流動性和含氣量的影響

2.2 對干燥收縮的影響

鋁粉和引氣劑摻量對砂漿干燥收縮的影響如圖4所示。圖4中數(shù)據(jù)零點(diǎn)為水泥與水接觸后的第24 h。不同引氣方式下,含氣量對砂漿3 d和90 d總干燥收縮的影響如圖5所示。由圖5可知:無論是采用鋁粉引氣,還是采用引氣劑發(fā)氣,兩種引氣方式引入球形氣孔均有助于減小砂漿干縮。然而,兩種引氣方式的減縮效果隨含氣量變化而變化的規(guī)律有所不同。采用鋁粉發(fā)氣時,其含氣量變化對所得砂漿3 d和90 d干縮的影響規(guī)律也有所不同。采用引氣劑引氣時,所得砂漿3 d和90 d干縮隨著摻量和含氣量增大呈先減小后增大的趨勢,當(dāng)含氣量為9.0%時,所得砂漿3 d和90 d干縮均最小,隨著摻量和含氣量逐漸增大,其3 d和90 d干縮也開始增大。由此可見,采用引氣劑引氣時,所得砂漿含氣量不宜超過9.0%,否則其干燥收縮又開始有所增大;而采用鋁粉發(fā)氣時,其3 d干縮隨鋁粉摻量和砂漿含氣量增大持續(xù)減小,未摻鋁粉的對比砂漿3 d干燥收縮為418,摻0.036%鋁粉時,3 d干縮下降為284,其干縮下降幅度可達(dá)32.06%。由圖5(b)可知:與摻引氣劑的砂漿類似,摻鋁粉的砂漿90 d干縮亦呈隨含氣量增大而先減小后增大趨勢,含氣量為10.5%時,干縮達(dá)到最小,約為1 330,但與空白砂漿相比,其減縮率僅為6.47%。因此,摻鋁粉發(fā)氣不僅有助于補(bǔ)償砂漿早期收縮,而且對后期收縮也具有明顯的減縮效果,然而與早期相比,其減縮效果明顯較小。

圖4 鋁粉和引氣劑摻量對砂漿干燥收縮的影響

圖5 含氣量對3 d和90 d干燥收縮的影響

摻加引氣劑或鋁粉制備的硬化砂漿截面氣孔分布與形貌特征照片如圖6所示。由圖6可知:摻加引氣劑或鋁粉后,砂漿內(nèi)部均形成大量球形氣孔,摻引氣劑的砂漿內(nèi)部氣孔易形成連通孔隙,而摻鋁粉的砂漿一般均為孤立的球形氣孔。很明顯,摻加引氣劑或鋁粉在砂漿中引氣有助于減小干縮,其原因是摻引氣劑或鋁粉引入的氣孔為球形氣孔,而空白水泥砂漿中形成的毛細(xì)孔隙,除少量同樣是由于減水劑等有機(jī)分子引入的球形孔隙外,其他由于水泥水化產(chǎn)物填充水泥顆粒之間的空隙而形成的孔隙均為狹長曲折的毛細(xì)孔,其孔徑明顯較小所致。

圖6 硬化砂漿截面的氣孔分布和形貌特征(90 d)

根據(jù)毛細(xì)管張力理論[10],毛細(xì)管收縮應(yīng)力σca計算式為

(1)

式中:γ為毛細(xì)孔內(nèi)液體的表面張力;θ為液體和固體之間的接觸角;r為毛細(xì)孔臨界直徑。

由式(1)可知:由于引氣劑或鋁粉引入的球形孔隙半徑較大,其毛細(xì)管驅(qū)動力較小,故摻加引氣劑或鋁粉引氣有助于減小水泥砂漿干燥收縮。然而,當(dāng)引氣劑或鋁粉摻量過高,導(dǎo)致砂漿含氣量過大時,所得砂漿的彈性模量將會下降[10],其抑制收縮的能力也有所下降。

此外,由圖5可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)引氣劑或鋁粉摻量較小,所得砂漿含氣量較小時,摻加引氣劑的減縮效果大于摻鋁粉時引入相同含氣量的減縮效果。究其原因,這可能是因摻加引氣劑引入氣孔時,所摻引氣劑可有效減小孔隙液的表面張力所致。然而,當(dāng)引氣劑或鋁粉摻量較高,所得砂漿含氣量較高時,摻鋁粉對減小收縮的效果更明顯,其原因可能是由于鋁粉在與氫氧化鈣反應(yīng)形成氫氣時,會消耗部分游離水,同時,所形成的球形氣孔無法相互連通,而引氣劑引入氣孔,在含氣量較大時,易形成連通孔,從而導(dǎo)致其抑制收縮能力有所下降所致(圖6)。

2.3 對力學(xué)性能的影響

采用不同引氣方式進(jìn)行引氣時,含氣量對砂漿3 d,28 d抗折和抗壓強(qiáng)度的影響如圖7所示。不同含氣量時砂漿的體積密度如圖8所示。由圖7可知:在相同含氣量條件下,摻鋁粉的砂漿3 d,28 d抗折和抗壓強(qiáng)度均高于摻引氣劑的砂漿,尤其是在引氣量較大時,其幅度更加明顯。由圖8可知:相同含氣量時,摻鋁粉的砂漿體積密度均明顯高于摻引氣劑的水泥砂漿。此外,如圖6所示,隨著摻量進(jìn)一步增加,引氣劑砂漿內(nèi)部氣泡連通以及氣泡的不穩(wěn)定導(dǎo)致其合并重疊的現(xiàn)象相較于鋁粉砂漿更為普遍。因此,隨著含氣量增大,兩者強(qiáng)度的差距愈發(fā)明顯。

圖7 不同含氣量對砂漿強(qiáng)度的影響

圖8 不同含氣量時砂漿的體積密度

3 結(jié) 論

研究了不同引氣方式對新拌和硬化水泥基材性能的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:1)隨著含氣量增加,引氣劑砂漿流動度逐漸增大,鋁粉砂漿基本保持不變,前者是由于引入的氣泡可產(chǎn)生滾珠效應(yīng),而后者是由于發(fā)氣過程與砂漿稠化同步,其引入氣泡不影響砂漿的初始流動度。2)雖然在砂漿中摻加引氣劑或鋁粉引入半徑較大的球形氣孔有助于減小砂漿干縮,但是兩者摻量變化對砂漿減縮效果的影響規(guī)律不同。摻引氣劑時,隨著引氣劑摻量增大,砂漿3 d和90 d干縮均呈先減小后增大趨勢,當(dāng)含氣量約為9.0%時,減縮效果最佳;摻鋁粉時,所得砂漿3 d干縮隨著摻量增大而持續(xù)減小,即摻鋁粉有助于補(bǔ)償砂漿早期收縮,但其90 d干縮亦呈隨摻量增大而先減小后增大的趨勢,當(dāng)含氣量約為10.5%時,其減縮效果最佳。3)當(dāng)砂漿含氣量較低時,相同含氣量下?lián)揭龤鈩┑臏p縮效果較好,但當(dāng)含氣量較高時,相同含氣量下鋁粉的減縮效果更明顯。其原因是當(dāng)含氣量較小時,摻引氣劑可減小孔隙液的表面張力,更有助于減小干縮;當(dāng)含氣量較大時,雖然摻引氣劑仍有助于減小孔隙液表面張力,但是引氣劑引入的氣孔易形成連通氣孔,硬化砂漿彈性模量下降,導(dǎo)致抑制收縮能力下降。4)隨著引氣劑和鋁粉摻量增加,砂漿含氣量增大,硬化后的水泥砂漿抗折和抗壓強(qiáng)度均明顯減小,但在相同含氣量條件下,摻鋁粉的水泥砂漿強(qiáng)度高于摻引氣劑砂漿,且含氣量越大,兩者差距也越大,其原因是鋁粉發(fā)氣會消耗部分游離水,且氣孔為孤立氣孔,而引氣劑引入的氣泡在引氣量較大時,易發(fā)生合并重疊,形成連通大氣孔,因而對強(qiáng)度的影響更明顯。