增稠剂对引气水泥砂浆强度与孔结构影响研究

王 铁，杨 哲，薛 成，周 晓 兵

(1.中交二公局第四工程有限公司，河南 洛阳 471013； 2.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710061)

0 引 言

水泥基复合材料是使用最广泛的建筑材料之一，随着现代化施工的理念不断贯彻，当代水泥基复合材料已经向长距离泵送、浇筑时靠自重流动、无需振捣达到密实的高性能水泥基复合材料方向发展[1-3]。这就对水泥基复合材料提出了高稳定、高流态的要求。但高流态水泥基复合材料由于其坍落度、扩展度较大，往往容易产生泌水、离析等不良现象，产生不良稳定性的潜在风险。为克服此类问题，需提高水泥基复合材料中浆体液相黏度，降低水胶比和加入适量增稠剂(VEA)，如纤维素水溶性高分子、生物胶等高聚物[4-6]，都可达到此目的，但前者对自密实水泥基复合材料自身工作性不利。增稠剂可通过提高浆体黏度进而增强高性能高流态水泥基复合材料的稳定性，因此添加增稠剂逐渐成为改善高性能水泥基复合材料工作性的常用方法。

同时，现代工程对水泥基复合材料耐久性的要求也越来越高，向水泥基复合材料中引入微小、均一的气泡是能经济有效改善水泥基材料耐久性能的方法之一[7-9]。薛瑞[10]研究了引气自密实水泥基复合材料的抗冻性能，认为含气量3%的自密实混凝土抗冻性强于含气量为5%时；Ye等[11]研究了自密实混凝土的气孔结构，发现其孔间距、孔径分布较相同配比普通混凝土更为合理；Puthipad等[12-13]研究了拌和方式、矿物掺和料和引气剂种类对新拌自密实混凝土中气泡结构特征的影响。Yang等[14]发现纳米材料可影响引气剂所引入气泡的特征和时变特性，进而影响硬化后的水泥基性能。可见，在水泥基材料体系中，引气剂引入气孔会被多种因素影响，进而可能导致水泥基材料性能不能达到预期。但目前鲜有研究涉及增稠剂对引气水泥基材料性能及气孔结构的影响。

鉴于此，为探究增稠剂对引气水泥基材料性能的影响，本文选用2种工程常用的生物胶类增稠剂，以5档掺量掺入至高砂灰比、高流动度水泥胶砂中，对其力学性能、硬化孔隙率和气孔结构等性能进行对比分析，并通过无电极电阻率仪等探究其影响机理，为改善高性能混凝土离析、泌水和气孔粗化等问题提供解决方案。

1 试验原材料与方法

1.1 原材料

试验原材料为：普通硅酸盐水泥P·O 42.5、中砂和饮用自来水。试验所用的引气剂(AEA)为非离子类松香皂，增稠剂选用阿拉伯胶(AG)和黄原胶(XG)，上述化学试剂均购自西安晶博生物有限公司，具体参数见表1。

表1 材料参数Tab.1 Materials type and properties

1.2 配合比设计

本次研究采用的配合比见表2。基准组砂浆试件固定水灰比为0.5，砂灰比为3，引气剂掺量为胶凝材料质量的0.1%。保持基材比例不变，分别掺入AG、XG 2种生物胶类增稠剂，每组生物胶由0.01%～0.05%取5档掺量，制得2组增稠水泥砂浆，组号分别为A和X。高辉等[15]的研究表明，混凝土筛余砂浆含气量大约为混凝土含气量的3倍，为保证试验符合实际情况，各组新拌砂浆含气量(参照GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物试验方法标准》)均控制在11%～13%范围内。

表2 配合比设计Tab.2 Mix design

1.3 试验方法

1.3.1力学及微观试件制备

先将水泥、砂和生物胶粉末倒入砂浆搅拌锅中干拌30 s，然后边搅拌边倒入水，搅拌210 s后得到所需水泥砂浆。浇筑成型160 mm×40 mm×40 mm试件，24 h后脱模并在标准条件下养护至规定龄期，参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO)》对试件进行抗压强度及抗折强度测试。

1.3.2硬化砂浆孔隙率计算

硬化砂浆孔隙率测试方法参考美国规范c.f.ASTM C 127与文献[16-17]，在此基础上将待测试件尺寸由100 mm×200 mm圆柱体变为40 mm×40 mm×160 mm长方体，其余试验参数不变，计算公式如下：

(1)

(2)

式中：D为试件计算密度；P为试件孔隙率；MOD为试件干重，即在(110±5)℃烘箱内烘干3 d后测得质量；MSSD为试件表干重，即在室温清水浸泡2周后，(99±3) ℃水浴1 d以排除内部气泡，擦干表面后测得质量；Min water为试件在水中重量，即饱和试件测得水中质量；ρwater为水密度。

1.3.3硬化砂浆孔结构优劣评价

选用基准组和2种增稠剂掺量为0.03%的试件进行硬化砂浆孔结构优劣评价。将养护好的水泥砂浆抗压试件切成1～2 cm左右的薄片，用600，1 000，1 500目的砂纸由粗到细依次打磨10～20 min至表面无影响观测的划痕。再放入装满无水乙醇的超声波清洗机内以70 Hz的频率清洗10 min，清洗后80 ℃烘干至恒重，用黑色炭黑墨水将打磨后薄片表面涂黑，放入烘箱内再一次烘干，在其表面涂覆一层纳米碳酸钙，并将多余粉末用刮刀除去，完成硬化砂浆孔结构待测样品制备。

将待测样品放置在固定好的CCD摄像头下进行取样，固定相机和小方块的位置以保证每次的拍摄焦距恒定，并将相机设置为超焦距或者微焦距普通拍照模式，对截面进行拍照。照片区域为70 mm×70 mm，测试区域为照片中心20 mm×20 mm区域(见图1)。

本文使用Matlab作为引气砂浆气孔结构分析的平台，照片经过测试区域提取、灰度化、中值滤波、背景扣除、对比度调节、二值化及图像表征处理步骤后，由Matlab软件自动采集数据并自动计算得到结果，得出孔径像素分布范围。

1.3.4无电极电阻率试验

应用CCR-Ⅱ型无电极电阻率仪原位检测待测水泥净浆电阻率变化全过程，具体配合比见表3。每组浆体经行星式净浆搅拌机充分混合4 min后迅速倒入无电极电阻率仪的环形模具中，并手动振实排除气泡后将模具盖扣上，以阻止水分蒸发。用计算机自动采样，间隔时间为1 min。试验完毕后用千分尺测量样品高度进而校正电阻率数据。

表3 无电级电阻率测试试件配合比Tab.3 Mix ratio of specimens in test of electrodeless resistivity

1.3.5扫描电子显微镜试验

应用扫描电子显微镜(SEM)对掺入XG与AG净浆的3 d水化产物形貌进行分析。真空加速电压为3 kV，放大倍率2 500倍，所有样品在测试前都被喷金。

2 试验结果和分析

2.1 力学强度分析

水泥砂浆常用力学性能评价指标有抗压性能与抗折性能，抗折强度可反映水泥砂浆材料的韧性，抗压性能可一定程度反映水泥砂浆微结构密实程度。图2为增稠剂种类与掺量对引气水泥砂浆28 d抗压、抗折强度影响。

由图2可见：掺入阿拉伯胶的引气水泥砂浆(A组)抗折强度随掺量逐渐增大略有改善，于AG掺量为0.02%时达到峰值，较基准组提高了5.61%，AG掺量大于0.02%时，抗折强度随掺量递增而线性减小，AG掺量至0.05%时抗折强度降为基准组的88.70%。掺入黄原胶的引气砂浆(X组)抗折强度随黄原胶掺量增加表现为先增大后减小，于XG掺量为0.04%时达到峰值，较基准组提高了18.49%，当XG掺量为0.05%时抗折强度陡降至峰值的79.41%，略低于基准组。

同时从图2也可以看出：A组抗压强度强度随AG掺量增加总体呈下降趋势，AG掺量0～0.02%时下降幅度较小，最大降幅为1.11%，AG掺量大于0.03%时，抗压强度随掺量递增呈陡降趋势，AG掺量0.05%时，其抗压强度仅为基准组61.50%。反而，X组抗压强度随XG掺量增加呈先上升后下降趋势，XG掺量不超过0.04%时，抗压强度随掺量递增而线性增加，至掺量0.04%时达到峰值，较基准组提高12.32%；而当XG掺量增至0.05%时，其抗压强度陡降至基准组的78.10%。

AG作为增稠剂，可提高引气水泥砂浆自身黏度，在一定掺量下可通过强化引入气泡液膜黏度与韧性，减少微小气泡的聚并，优化孔结构从而改善硬化引气砂浆的抗折性能。当掺量过大时，水泥砂浆体系黏度过大，使得机械拌和引入的不规则大气泡难以通过水动力及气泡上升行为排除，致使AG掺量大于0.03%时，抗折、抗压强度都会产生陡降趋势。XG作为增稠剂与AG对引气水泥砂浆的作用效果存在差异，可归因于其自身溶于水泥基体系中或可密实水泥砂浆微结构，此现象将于其他试验予以证明。

2.2 硬化水泥砂浆孔结构评估

经过计算，硬化后基准引气砂浆孔隙率与密度分别为11.339%和2 068.997 kg/m3。图3为掺入2种增稠剂的试件其计算孔隙率和密度与基准组间差值。

由图3可见：A组引气水泥砂浆孔隙率整体大于基准组，AG掺量0.04%时，引气水泥砂浆孔隙率增加达到峰值，较基准组提高2.36%。X组引气水泥砂浆在XG掺量为0.01%和0.03%时孔隙率小于基准组，分别下降了0.668%和0.012%，其他掺量下孔隙率高于基准组，其涨幅均小于A组同等掺量。A组引气砂浆密度均小于基准组，随着掺量的增加，A组引气砂浆密度逐渐逼近基准组；X组引气砂浆密度均大于基准组。

AG与XG作为增稠剂可使引气水泥砂浆黏度增大。黏度增加一方面会导致新拌水泥砂浆体系中更难以引入气泡；另一方面也可减少气泡至气孔过程中气泡损失，使得硬化后引气水泥砂浆孔隙率增加。掺入XG的引气水泥砂浆在孔隙率较基准组高的情况下，密度仍高于基准组，说明黄原胶可密实水泥砂浆微结构。

应用Matlab程序对抛光处理后的试件进行图像处理(见图4)，对识别孔隙进行标记，统计各孔隙所占像素，统计结果见图5。基准组像素点>100的孔隙所占面积比例远大于A3和X3组，可见加入适量的2种增稠剂后，引气砂浆内气孔尺寸被细化，减少了硬化砂浆内大孔数量，优化了引气砂浆的气孔结构。值得注意的是黄原胶对引气砂浆孔径分布细化的效果要强于阿拉伯树胶，这导致了黄原胶对引气砂浆力学性能改善效果更明显。

2.3 机理分析

为了进一步分析增稠剂对水泥砂浆性能影响差异机理，测得掺入增稠剂前后净浆的无电极电阻率曲线如图6所示。

JZ-E与X-E诱导期结束时间在400～450 min，而A-E诱导期结束时间在600 min左右，且电阻率增加速率小于JZ-E与X-E两组。由此可说明掺入AG可导致水泥早期水化速率减缓，而掺入XG略微加速了水泥的水化进程。

4 000 min后水泥净浆电阻率结果显示由大到小依次为X-E>JZ-E>A-E。同样的，如图7所示，掺入XG后的净浆其水化产物为致密的C-S-H凝胶，而掺入AG后的净浆其水化产物中有较多片状的氢氧化钙(CH)和针棒状的钙矾石(AFt)。这说明，掺入XG的引气水泥砂浆结构更为致密，而掺入AG后的引气水泥砂浆结构疏松。这也解释了掺入XG的引气水泥砂浆在孔隙率较基准组高的情况下，密度仍高于基准组，而AG表现相反的原因。

3 结 论

(1) 增稠剂可使引气水泥砂浆黏度增大。黏度增加一方面会导致新拌水泥砂浆体系中更难以引入气泡；另一方面也可减少气泡至气孔过程中气泡损失，使得硬化后引气水泥砂浆孔隙率增加。

(2) 一定掺量的增稠剂可通过强化引入气泡液膜黏度与韧性，减少微小气泡的聚并，优化孔结构，从而改善硬化引气砂浆力学性能。

(3) 阿拉伯胶会延长水泥水化诱导期时间，使水泥水化产物结构疏松，对引气水泥砂浆力学性能整体呈负面影响。黄原胶可使水泥砂浆微结构变得致密，对引气水泥砂浆力学性能有积极作用。