复合引气剂对砂浆性能调控分析

张晓乐，张 雄，郇 坤

(同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海200092)

目前，利用引气剂来调控水泥基材料的孔结构以改善其抗冻性［1］、抗渗性［2］、均质性、强度等性能，这一方法渐渐被人们所接受。我国在20世纪50年代开始对引气剂进行研究，并取得了丰硕的成果，研制出了多种引气剂，有松香树脂类、烷基苯磺酸盐类、脂肪醇类以及非离子型引气剂等。引气剂在水泥基材料拌合过程中引入大量均匀的气泡，对混凝土的结构与性能会产生很大的影响。因此，对水泥基材料的含气量和孔结构进行质量控制，已经成为配制高性能水泥基材料的一项重要技术。但是，目前国内引气剂虽然种类繁多，质量却良莠不齐，在水泥基材料中引入气泡的结构大小不均匀导致其强度损失严重，甚至会引发工程事故。引气剂在水泥基材料中引入大量气泡，对该类材料的孔结构有着很大的影响。张国防等人［3］指出，水泥基材料的宏观性能与孔结构之间存在很大的关系;金南国等人［4］通过分析水泥基材料气孔与强度数据发现，水泥基材料的强度不仅与总孔隙率之间存在相关关系，而且与孔径分布对水泥基材料的强度也有很明显的影响。Sun等［5］指出，硬化砂浆的孔结构对氯离子渗透性存在一定的相关性。这些研究都表明水泥基材料的孔结构对其宏观性能有着巨大的影响，但是关于复合引气剂对水泥基材料孔的优化调控的相关文章却鲜有报道。

因此，本文主要是基于砂浆试验的复合引气剂优化配伍试验，研究了十二烷基硫酸钠与调控组分c对砂浆性能的影响，分析了砂浆强度、流动性改善的原因，为实际应用提供理论依据。

1 试验

1.1 试验材料与配比

表1 试验中所用的引气剂及调控组分的基本性质

表2 试验中所用到的各种材料之间的配比

水泥:安徽宁国海螺水泥P·Ⅱ52.5。水泥的各项指标符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》的质量要求。砂子:中砂(河)，细度模数为2.66，各项指标符合GB/T 14684-2001《建筑用砂》。水:上海用自来水作为拌合水，去离子水作为配置溶液用水。试验中所使用的引气剂与调控组分的性质见表1。调控组分按一定比例加入到H引气剂，所组成的复合引气剂记为Hc，掺入时与水混合加入。本试验掺入不同种类的引气剂并且其组分配制比例不同，试验配比见表2。

1.2 试验方法

1.2.1 胶砂流动性和强度的试验 (1)水泥胶砂流动度试验根据GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》;(2)水泥胶砂试块的抗压强度:按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》测试试件7d，28d的抗折强度和抗压强度，试件尺寸为40mm×40mm×160mm。;(3)砂浆含气量的测定标准DL-T 5150-2001《水工混凝土试验规程》。

1.2.2 图像分析方法 将养护到一定龄期的砂浆试块用切割机切成40mm×40mm×20mm的薄片，用磨片机打磨观测面，用抛光机抛光观测面，然后清洗观测面，并用黑色墨水均匀涂黑观测面。将砂浆切片放入烘箱(105±5)℃条件下烘干，用50nm级碳酸钙粉末填充气孔并用绒布擦掉表面多岁纳米碳酸钙，此时可以清晰分辨出观测面上的气孔。本试验采用OPLENIC品牌Pro-MicroSan系列200万像素电子目镜对观测面拍照，获取RGB图像，放大倍数为50倍，拍照时去除样品周边5mm的部分，即只取其中间30mm×30mm进行拍照，目的是为了减小边界效应。最后用Image-Pro Plus 6.0软件对显微图片进行处理，得到我们所需的气孔结构参数。图1为砂浆气孔结构定量体视学图像分析图谱。图1(a)为原始RGB图像;图1(b)为灰度处理后的灰阶八位图像;图1(c)为二值化后的图像。

图1 砂浆气孔结构分析图谱

2 试验结果及讨论

2.1 调控组分对砂浆含气量的影响

按表2中的配比制备试样并按照相关标准成型试件。试件成型两组，分别养护7d和28d。对硬化7d和28d的试件处理并进行观察，测试试样7d与28d含气量。由图2可以看出，在引气剂中掺入c组分时，曲线基本持平，这表明c组分的掺入既没有引气也没有消泡，对引气剂H的引起作用影响不大。图3是掺入H引气剂与Hc引气剂的混凝土的孔结构图像。从图3可以看到试样表面肉眼可分辨的大孔明显减少，但从图2表明，c组分的加入并没有引起试样总含气量的变化，结合图3，笔者认为是由于c组分的加入使大泡破裂，变为了小泡。

但c组分具体将这些大孔的直径改变到多少有待进一步研究。基于试件的观察结果，可以认为c组分的加入对引气剂H的引气作用没有影响，但是对引入气泡的粒径具有一定的改善作用。

图2 掺入调控组分的砂浆含气量

图3 同一含气量H与Hc二值化图像

2.2 复合引气剂对砂浆强度的影响

按表2的配比制备试样，并测试其7d与28d的抗压强度，为了更加能说明调控组分对砂浆强度的影响，图4给出的是砂浆强度的损失率，其值越大说明强度损失越大。图2中的结构表明，c组分的掺入没有对砂浆的含气量产生影响，即随着调控组分的增加砂浆的总体的含气量是不变的。由图4可知，调控组分的加入能够降低强度的损失率(与单掺H相比)。对于28d的砂浆试件而言，掺入c组分可以显著降低砂浆强度损失率。从图中可以看出，H和c的比例为3:25的c-6砂浆试件，可将损失率降低至12.5%。

众所周知，引气剂的加入由于引入了大量气泡，使混凝土中含气量增加，这会降低混凝土的抗压强度。高辉等［6］人的研究指出，提高混凝土微小气泡的含量会提高其抗压强度。这与在含气量测试中观察到的现象是一致的，即c组分的加入破坏了大气泡，使小气泡增多进而降低了强度损失率。

图4 Hc引气剂砂浆强度损失率

2.3 复合引气剂对砂浆流动度的作用

图5为掺入各引气剂砂浆流动度随着各引气剂内组分比例不同而变化的关系图。由图可知，c组分的掺入对砂浆的流动性具有一定的改善作用。随着c组分掺量的增加，砂浆的流动度不断提高，c-6(H:c=3:25)时达到最大值226mm比单掺H的砂浆的流动度208mm提高了8.7%;当c-6以后，随着c组分的增加，砂浆流动度不在提高。这是由于直径的较大的气泡被破坏变为直径较小的气泡。我们知道，直径越小其表面张力越大。因此我们可以这样理解流动度增加:气泡在新拌砂浆中起到“滚珠”的作用，因此可以提高流动度;小气泡比大气泡“滚珠”作用大，部分原因可能是因为小气泡具有较大的表面张力，不易变形，近似于圆球形，因此“滚珠”作用比大气泡要好一些，对于流动度的增强效果更加明显。

图5 Hc引气剂砂浆流动度

3 复合引气剂对砂浆性能调控分析

3.1 复合引气剂对砂浆孔径分布的改善

在混凝土气泡结构中，并非所有的气泡都是有益的，一般认为气泡直径小、分布均匀、构造稳定的气泡是有益的气泡［7-9］。图6是水泥浆体中加入引气剂后的孔结构数据。在前面的数据中，可以看见调控组分的加入并没有影响原来引气剂的引气效果，也就是说调控组分的加入并没有改变砂浆总的孔隙率。高辉等人［6］的研究指出，微小气孔所占的百分比增加有利于改善砂浆的孔径分布。因此本次实验主要研究砂浆孔径在10μm～1600μm之间的孔，并将其划分3个区间10μm ～200μm、200μm ～800μm 和 800μm ～1600μm，分别称为小孔、中孔和大孔。表3中是砂浆各区间孔径所占的百分比。

表3 掺Hc引气剂砂浆孔结构参数

图6 掺Hk砂浆试件分级含气量百分比

从表3可以看出，O基准试件10～200μm的28d分级含气量百分比为12.32%，而掺入H引气剂后，其含气量百分比为22.72%，说明掺入H引气剂后，引入了一定数量的200μm以下的细小均匀的孔，而将基准的800μm～1600μm分级含气量从51.72%降低至36.52%，这表明H引气剂可以改善砂浆的孔结构。从图6可以看出，无论是7d还是28d的砂浆试件，随着调控组分掺量，10μm～200μm的分级含气量百分比逐渐增加，800μm～1600μm的分级含气量逐渐减少。随着Hc引气剂中c组分的掺入，10μm～200μm的分级含气量百分比增加，当增至c-6(H与c比例为3:25)时，小孔的含气量百分比不再增加，此时砂浆小孔最高含气量大致在45%;而对于中孔，c组分最高可调控到48.14%的含气量百分比;对于大孔，数据显示随着c组分的增加，可将大孔百分比降低至7%。这与在图像分析方法中观察到的现象时一致的，即小孔增加，大孔减少。进一步对孔径分析可知，c组分的掺入可以增加100μm～200μm孔径范围的小孔，并降低80μm～1600μm范围内的大孔所占百分比。也就是说，100μm～200μm孔径范围气孔所占百分比增加，800μm～1600μm孔径范围气孔所占百分比减少有助于改善砂浆孔结构，可以降低砂浆强度损失率，提高砂浆流动度。从图中可以看出，100μm～200μm范围孔径所占百分比增加，对于调控砂浆性能，改善砂浆孔结构是非常有效的。

3.2 复合引气剂对砂浆起泡间距系数的影响

平均孔径是混凝土工程中非常重要的参数，由于孔径分布是一个较为随机的过程，而用平均孔径可以较为直观的把握砂浆混凝土中个的孔的基本信息。此外，孔的比表面积如上所述，也具有非常重要的意义，尤其是孔的形态的研究方面是非常必要的参数。此外，砂浆硬化孔的间距系数L其定义为浆体中任意一点到孔隙的平均距离，在《混凝土结构耐久性设计规范》中，要求混凝土的气泡间距系数在200μm或者250μm以下(视不同条件而定)，尤其是在引气剂的应用中，混凝土的气泡间距系数已经是一个必不可少的参数了。同样，在研究引气剂在对砂浆做用时，气泡间距系数也是非常必要的。图7为掺入复合引气剂的砂浆试件的平均孔径以及气泡间距系数随着H与调控组分比例不同的走势。

从图7可以看出，随着c组分的逐渐增加，砂浆7d和28d的平均孔径和气泡间距系数均减小，当c组分增加到一定程度时(H:c=3:25)，平均孔径和气泡间距系数趋于稳定值，并且28d砂浆的参数也具有相同的规律。掺入Hc引气剂的砂浆试件在7d的平均孔径和气泡间距系数最低为59.94μm和121.36μm，28d平均孔径和气泡间距系数最低为59.17μm和125.62μm。平均孔径和气泡间距系数的降低，说明砂浆内部气孔的分布更加合理，即100μm～200μm范围气孔所占百分比增加，800μm～1600μm范围内气孔所占百分比减少，这有利于降低砂浆强度损失率，增加砂浆的流动度。

图7 砂浆试件平均孔径与间距系数

4 结论

(1)调控组分c的掺入不会改变单掺引气剂H的砂浆含气量;

(2)Hc引气剂对砂浆的性能具有很好的调控作用，当H:c=3:25，砂浆28d强度损失值只有12.5%(单掺H引气剂强度损失率为41.8%)，流动度达到228mm，较单掺引气剂H的流动度提高了8.7%。

(3)小孔(100μm～200μm)的增加有利于改善砂浆的性能。对硬化砂浆7d和28d的孔结构进行分析发现，随着调控组分的增加，砂浆小孔所占的比例不断增加，大孔的比例不断减少，这使得平均孔径和气泡间距系数减小，抗压强度提高，流动性提高。

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