消泡剂对钢渣砂聚合物砂浆性能的影响

杨 洁

上海同济检测技术有限公司

1 引言

目前，减水剂、乳胶粉、纤维素醚等化学外加剂是干混砂浆常用的添加剂，可明显改善砂浆流动性、保水性以及力学性能等。但这些化学外加剂在使用过程中常在砂浆中引入过多的气泡，对砂浆强度不利，甚至使砂浆表面出现明显缺陷，影响施工质量。因此，消泡剂常用于干混砂浆制备中，以防止过量气泡的产生，有利于砂浆粉料的润湿。近些年，业内人士已关注到消泡剂在聚合物砂浆中的作用效果存在差异，以及对砂浆性能的影响规律[1-2]，并以此来作为消泡剂选择的依据。

建国以来，我国经济高速发展，钢铁产业作为基础产业，发展迅猛，年产钢量现居世界首位，钢渣排放量也与日俱增，不容忽视。目前,我国钢渣的综合利用途径主要集中在以下几个方面：道路路基、回填材料、烧结配料、地面砖、建筑用墙体材料、钢渣水泥、钢渣粉作混凝土掺合料及钢渣作细集料等。其中,钢渣作细集料,代替天然砂制备砂浆可以大幅拓展钢渣的综合利用空间，解决自然砂石资源面临枯竭的问题。很多学者也研究了钢渣砂在抗裂砂浆、砌筑砂浆、地坪砂浆等干混砂浆中的应用，钢渣砂作为细集料制备干混砂浆常存在级配不合理、需水量大，流动性差的问题，笔者也曾就此开展过相关研究，认为减水剂、乳胶粉等化学外加剂的使用可有明显改善这些问题，但也带来砂浆拌和物过量引气的问题。因此，消泡剂在钢渣砂类聚合物砂浆中的作用效果及对砂浆性能的影响，有待进一步探讨。

本文研究了消泡剂对钢渣砂聚合物砂浆的流动性、含气量、抗折强度和抗压强度的影响，并分析了作用机理，以期对拓宽钢渣应用领域起到一定的指导和借鉴作用。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

试验中采用的水泥为52.5 级P·Ⅱ水泥，来自上海三航小野田水泥有限公司，比表面积为370m2/kg。细集料为钢渣砂，经热闷法工艺处理的转炉钢渣，来自上海宝钢集团，堆积密度为1910kg/m3，颗粒级配为：粒径＜0.315mm，占比25.0%；粒径为0.315mm～0.63mm，占比22.5%；粒径为0.63mm～1.25mm 占比10.5%；粒径为1.25mm～2.5mm，占比12.6%；粒径为2.5mm～5.0mm 占比29.4%。减水剂采用聚羧酸系减水剂，粉末状，上海高铁化工有限公司生产。乳胶粉采用瓦克化学(中国)有限公司生产的5010N；消泡剂来自德国明凌化工集团，白色粉状，代号P803，密度为340g/L，灰度为34%（800℃），PH值为7.2（20°C DIN ISO 976，1%IN DIST，水）；拌和水为自来水。

2.2 试验配比

试验所设计的钢渣砂聚合物砂浆灰砂比（质量比）为1：3，水灰比为0.39，聚羧酸系减水剂掺量为水泥质量的0.25%，乳胶粉掺量为水泥质量的2.0%。消泡剂掺量分别为水泥质量的0，0.03%，0.05%，0.08%和0.10%，具体配合比如表1所示。

表1 钢渣砂聚合物砂浆配合比

2.3 试验方法

砂浆扩展度测试根据标准GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行；含气量测试参照标准JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》中的方法进行；砂浆抗压强度和抗折强度测试依据标准GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验法（ISO法）》，测试龄期分别为3d、7d和28d。

3 结果与讨论

3.1 消泡剂对钢渣砂聚合物砂浆含气量的影响

图1 消泡剂对钢渣砂聚合物砂浆含气量的影响

图1为不同消泡剂掺量下钢渣砂聚合物砂浆的含气量。由图1可以看出，消泡剂掺量为0.03%时，砂浆的含气量明显降低，降低幅度高达45.7%；当消泡剂掺量继续增加时，砂浆的含气量虽随之降低，但降低幅度有所减缓，当掺量由0.05%增至0.10%时，砂浆含气量仅降低了2%。

由于钢渣砂聚合物砂浆中的所用的减水剂为聚羧酸系减水剂，可明显降低浆体液—气界面张力，易于在砂浆搅拌过程中形成许多微小气泡，因而具有一定的引气性；孙振平等[1]认为，消泡剂与减水剂互溶性较好时，消泡作用明显，反之则效果不佳；再者，乳胶粉的掺加，除改善砂浆的流动性外，也具有一定的引气作用。在图1中可明显看出，消泡剂在钢渣砂聚合物砂浆中的作用明显，显著降低了砂浆的含气量，说明消泡剂P803 与砂浆中的外加剂互溶性良好。

3.2 消泡剂对钢渣砂聚合物砂浆流动度的影响

图2 消泡剂对钢渣砂聚合砂浆流动度的影响

不同消泡剂掺量下钢渣砂聚合物砂浆流动度如图2 所示。由图2可以看出，消泡剂掺量为0.03%时，砂浆流动度显著降低，由原来的220mm 将至160mm；之后，随消泡剂掺量的增加，砂浆的流动度逐渐缓慢增加，消泡剂掺量增至0.1%时，砂浆流动度为180mm。

聚羧酸系减水剂在砂浆搅拌过程中引入的微小气泡，处于水泥颗粒之间有助于水泥颗粒的分散，起到一定的减水的作用，由于消泡剂掺入，尤其掺量0.03%时大幅降低了砂浆中的含气量，在一定程度上削弱了微小气泡的减水作用，从而致使砂浆流动度大幅降低；虽乳胶粉也有一定引气和改善砂浆流动度的作用，但在韩冬冬等[5]的研究中，发现乳胶粉掺量不大于4%时，砂浆含气量明显增加，但砂浆流动度变化不明显；还有研究表明，消泡剂的掺加，可明显改善掺乳胶粉的自流平砂浆的流动度。本文中消泡剂少量掺加时对砂浆流动度不利，主要是因为消除了具有减水作用的微小气泡，之后增加掺量后，由于和乳胶粉的协同作用，在一定程度上改善了砂浆流动度。

3.3 消泡剂掺量对钢渣砂聚合物砂浆强度的影响

图3 消泡剂对钢渣砂聚合物砂浆抗折强度的影响

图3为消泡剂对钢渣砂聚合物砂浆抗折强度的影响。由图3可以看出，消泡剂掺量为0.03%时，不论早期强度（3d和7d），或后期强度(28d)都明显增加，其中28d 抗折强度由12.8MPa 增至15.5MPa；当消泡剂掺量不断增加至0.10%时，3d、7d 和28d 抗折强度变化规律有所不同，其中3d的抗折强度随消泡剂掺量的增加而缓慢增长，但当掺量增加至0.10%时，抗折强度略有降低；7d 的抗折强度随消泡剂掺量的增加而不断增长，当掺量为0.10%时，增至12.8MPa；28d的抗折强度则随消泡剂掺量的增加而不断降低，当掺量为0.10%时，降至14.3MPa，仍略高于未掺者。

图4 消泡剂对钢渣砂聚合物砂浆抗压强度的影响

图4为消泡剂对钢渣砂聚合物砂浆抗压强度的影响见。由图4可以看出，消泡剂掺量为0.03%时，不论早期强度（3d和7d）,或后期强度（28d）都有明显增长，分别提高了34.4%、22%和50.8%；之后随消泡剂掺量的增加，钢渣砂浆的抗压强度增长缓慢，相对于掺量0.03%时，当掺量增至0.10%，砂浆3d、7d 和28d抗压强度分别增长了9.2%、11.4%和7.1%。

结合以上内容分析，消泡剂掺量为0.03%时，大幅降低了砂浆含气量，增加砂浆的密实度，因此砂浆强度出现大幅增长的现象。究其根本，消泡剂是一种表面张力低的活性表面剂，其作用在于抑制砂浆中气泡的产生，或者降低砂浆液相的黏度，促使气泡液膜失去弹性，从而加速液体渗出，致使气泡液膜破裂。

消泡剂的加入，由于液膜结构遭到破坏，故浆体含气量降低，钢渣颗粒和水泥浆体相互搭接，因而流动度减小；随消泡剂掺量的增加，聚合物颗粒发挥滚珠效应[22]，使得浆体流动性得到改善。在一定掺量范围内，消泡剂降低含气量，使得砂浆密实程度提高，孔结构得到改善，因而抗压和抗折强度大幅度增加。而消泡剂掺量过多时，其达到临界胶团浓度之后消泡能力受到影响[6]，故抗压强度和抗折强度会不再增加甚至略微下降。

4 结论

本文研究了消泡剂对钢渣砂聚合物砂浆含气量、流动度以及强度的影响，分析了消泡剂与聚合物砂浆中化学外加剂的协调作用机理，以及对强度的影响规律，得到如下结论：消泡剂掺量（0.03%）适当时，可使砂浆含气量显著降低，同时砂浆强度大幅提高，但砂浆流动度也有一定程度的降低；当消泡剂掺量高于0.03%时，随其掺量的增加，砂浆含气量却随之降低，但降低幅度减小，砂浆流动度随之有所增长，砂浆强度除28d抗折强度有所下降，其他龄期不论抗折或抗压（3d、7d和28d）都有不同程度的增加；钢渣砂聚合物砂浆中消泡剂的使用，需考虑与其他化学外加剂（减水剂、乳胶粉）的协同效应。