PCE复配优化对水泥砂浆孔结构的影响

王永维，何燕，2，何舜，洪万领，何文敏

（1.陕西省高性能混凝土工程实验室，陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；2.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011；3.江西省建筑材料工业科学研究设计院，江西 南昌 330000；4.同济大学 材料科学与工程学院，上海 201804）

聚羧酸减水剂（PCE）作为第三代高性能减水剂，因其具有掺量低、减水率高等优点而受到越来越广泛的关注[1-4]。PCE具有一定的引气性能，正确认识其引气特征，并充分发挥其性能，对PCE的推广应用具有重要意义。基于此，本研究在尽量保持砂浆和易性的前提下，将引气剂、消泡剂与PCE进行三元复配，消除有害气泡，引入优质气泡，并在此基础上，系统研究砂浆孔结构变化趋势及其对水泥砂浆工作性及力学强度的影响。

1 实 验

1.1 原材料

（1）水泥：P·Ⅰ42.5水泥，主要化学成分及矿物组成见表1。

表1 水泥的主要化学成分及矿物组成 %

（2）聚羧酸减水剂（PCE）：三瑞化学外加剂有限公司，减水率33%，含固量40%。

（3）消泡剂：德丰消泡剂公司的聚醚类消泡剂B-119、C-182，均为无色液体；杜道联合化工的聚醚改性硅氧烷类消泡剂A-6388、D-2533，均为乳白色液体。

（4）引气剂：分别选用十二烷基硫酸钠（K12），白色粉状；松香酸钠（SX），棕黄色粉状；改性三萜皂苷（ZG），白色液体；脂肪醇聚氧乙烯醚（ZF），白色液体。

1.2 试验方法

参照GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》的规定测试水泥浆体的流动度。参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO）法》测试硬化砂浆的抗压强度。参照DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》测试新拌砂浆的含气量。

采用定量体视学分析法研究砂浆孔结构[5]。首先将硬化砂浆切割成40 mm×40 mm×20 mm的薄片。用磨片机及抛光机分别打磨和抛光观测面，用纳米碳酸钙填充观测面孔隙，通过体视显微镜观察拍照，最后用Image-Pro Plus 6.0对图片进行处理和测量，得出孔结构参数。

2 结果与讨论

2.1 消泡剂与PCE复配效应

2.1.1 复配相容性

采用纯水及20%的PCE溶液分别与不同种类消泡剂复配，经磁力搅拌20 min后静置，观察复配溶液状态，结果如表2所示。

表2 消泡剂与PCE的复配相容性

由表2可以看出，聚醚改性硅氧烷类消泡剂与PCE复配相容性较差，混合溶液静置后，有油状物质漂浮，且溶液出现分层现象。而聚醚类消泡剂与PCE复配相容性较好，溶液混合均匀，无油状漂浮物出现，溶液静置后也未出现分层现象。

2.1.2 新拌水泥砂浆的性能

分别将4种消泡剂与1%PCE复配，研究其对新拌水泥砂浆含气量及扩展度的影响，结果见表3。

表3 消泡剂与PCE复配对水泥砂浆含气量及扩展度的影响

由表3可知，PCE复配消泡剂后，新拌水泥砂浆的含气量显著下降，并且随着消泡剂掺量的增加，消泡效果呈现增长趋势。总体而言，B类聚醚消泡剂的消泡效果最佳，当B类聚醚消泡剂掺量为0.005%时，新拌水泥砂浆中含气量降低6.2个百分点。而C类聚醚消泡剂的消泡效果次之，当C类聚醚消泡剂掺量为0.010%时，新拌水泥砂浆中含气量降低6.1个百分点。相比之下，A类和D类聚醚改性硅氧烷消泡剂的消泡效果较差。

随着消泡剂掺量的增加，砂浆的扩展度呈显著下降趋势，主要原因是消泡剂掺量的增加使得PCE的引气隔离滚珠效应大为减弱。砂浆扩展度和含气量之间存在一定的正相关关系，主要由于气泡均匀地分散在水泥浆体中，能够对水泥颗粒起到隔离效应及一定的滚珠作用，有利于浆体之间的分散和滑动，提高混凝土的工作性。不同消泡剂对砂浆扩展度的保持能力相差较大，其中B类聚醚消泡剂在掺量增大的情况下，砂浆扩展度的降低幅度相对较低。当B类聚醚消泡剂掺量达0.050%时，水泥砂浆含气量降低6.0个百分点，而砂浆扩展度仅下降40 mm（相比基准下降16.7%）。

2.1.3 硬化水泥砂浆的性能

PCE作为一种表面活性剂，加入水泥浆体可有效降低“水泥颗粒-水”之间固-液界面能以及“拌合水-空气”之间气-液界面能。由于PCE引气量较大，导致硬化水泥石气孔含量多，将PCE与消泡剂复配，可消除硬化水泥浆体中多余的大气孔。研究了掺入不同消泡剂后水泥砂浆抗压强度、孔隙率及孔径分布的变化情况，结果见表4及图1、图2。

表4 消泡剂与PCE复配对硬化砂浆抗压强度、总孔隙率及平均孔径的影响

由表4可知，抗压强度与总孔隙率间存在明显的正相关性。虽然不同消泡剂的消泡能力存在一定的差异，但总体上都可消除PCE引入的大部分不稳定气泡。

图1 消泡剂与PCE复配对砂浆7 d分级孔隙率的影响

图2 消泡剂与PCE复配对砂浆28 d分级孔隙率的影响

由图1、图2可见，掺入A类聚醚改性硅氧烷消泡剂后能够在较大程度上优化硬化砂浆的孔径分布，提高中小孔的占比而降低大孔的占比。随其掺量增加，其消大泡保小泡的能力逐渐增强。在较高掺量（0.030%）时，在降低中大孔占比的同时提高小孔占比。这是由于A类聚醚改性硅氧烷消泡剂与PCE复配使得中大泡破裂成小泡，提高小泡占比。掺入B类聚醚消泡剂后能够在很大程度上优化硬化砂浆的孔径分布，大幅提高小孔的占比而降低中大孔的占比。其中，砂浆10～100μm以及100～200μm区间内的分级孔占比提高1倍以上，而其它孔径范围内的气孔有较大幅度下降。掺入C类聚醚消泡剂后只能小幅提高小孔（10～200μm）占比，在减小中孔（200～800μm）占比的同时增大大孔（800～1600μm）的占比，以消除中孔为主。在掺量较低（低于0.010%）时，对其它孔径范围的气孔占比影响较弱。掺入D类聚醚改性硅氧烷消泡剂后可提高硬化砂浆中孔（200～800μm）占比，降低小孔（10～200μm）和大孔（800～1600μm）的比例。这是由于，D类聚醚改性硅氧烷消泡剂在掺量较低（低于0.010%）时，主要将大泡破灭成中泡，最终硬化砂浆的孔隙率依然较高。随着D类聚醚改性硅氧烷消泡剂掺量的增加，D类聚醚改性硅氧烷消泡剂消除大泡的能力略有增强，但提高幅度并不明显。

2.2 引气剂及消泡剂与PCE复配对水泥石孔结构的影响

2.2.1 新拌水泥砂浆性能

对PCE在水泥砂浆中引入的气泡，首先通过掺加消泡剂消大泡，未掺消泡剂的基准砂浆含气量为9.1%、扩展度为200 mm；掺0.01%B类聚醚消泡剂后砂浆的含气量为3.0%、扩展度为170 mm。在此基础上，掺加不同引气剂调控气泡，测试新拌水泥砂浆含气量及扩展度，结果见表5。

由表5可知，新拌水泥砂浆中掺入引气剂后，水泥砂浆含气量显著增大。其中，掺加K12引气剂的水泥砂浆含气量显著高于掺其它引气剂。当K12掺量为0.030%时，砂浆含气量相对基准组增加13个百分点。而掺加松香类引气剂的新拌砂浆含气量较低，当松香类引气剂掺量为0.050%时，砂浆含气量相对空白组仅增加2.7个百分点。

表5 引气剂对新拌水泥砂浆含气量及扩展度的影响

引气剂由于在水泥浆体中引入大量气泡能够起到滚珠效应，可增强浆体流动性。随着新拌砂浆含气量增加，砂浆扩展度明显上升。但当砂浆含气量过高时，砂浆扩展度反而出现下降趋势。这是由于砂浆含气量过高时，浆体过于膨松，对砂浆的流动性起反作用。另外，在砂浆含气量相近时，砂浆扩展度也存在一定差异，这是由于不同引气剂引入的气泡特征不同。

2.2.2 硬化水泥砂浆性能

研究了掺入引气剂后水泥砂浆的抗压强度及孔结构特征，结果见表6和图3、图4。

表6 引气剂对水泥浆体力学强度及孔隙率的影响

图3 不同引气剂对7 d砂浆分级孔隙率的影响

图4 不同引气剂对28 d砂浆分级孔隙率的影响

由表6及图3、图4可见：

（1）掺入引气剂后新拌水泥砂浆含气量与硬化水泥砂浆孔隙率之间呈现显著的线性相关性，这是由于引气剂引入的气泡相对聚羧酸减水剂引入的气泡稳定性更强，因而在成型振捣过后这部分气泡能够有效的保留下来，最终形成硬化砂浆中的孔隙率。掺入不同引气剂后硬化砂浆孔径分布明显差于只掺B类聚醚类消泡剂砂浆孔径分布，中小孔（10～800μm）比例下降，而大孔（800～1600μm）比例上升。

（2）掺入烷基类引气剂，砂浆引入大孔为主，中小孔的占比显著减小，而大孔的占比显著增加。加入烷基类引气剂，砂浆孔径小于500μm的分级孔占比变化均为负值，而孔径大于500μm的分级孔占比变化以正值为主。随着烷基类引气剂掺量的增加，中小孔占比呈下降趋势，而大孔占比呈上升趋势。对于分级孔隙率而言，加入烷基类引气剂后将显著增加200μm以上的分级孔隙率，而200μm以下的分级孔隙率呈现下降趋势。

（3）掺入脂肪醇类引气剂，对砂浆气孔分布的影响不大，会略微增加小孔占比而降低大孔占比，具备一定的优化能力。加入脂肪醇类引气剂，砂浆孔径小于200μm的分级孔占比以增加为主，孔径在200～800μm之间的分级孔占比总体变化不大，而孔径大于800μm的分级孔占比以减小为主。

（4）掺入松香类引气剂明显改善砂浆孔径分布，引入更多中小气孔，降低大孔的占比。加入松香类引气剂，孔径小于200μm的分级孔占比增加，大幅提高小孔占比；孔径在200～800μm之间的分级孔占比以增加为主；而孔径大于800μm的分级孔占比以减小为主。随着松香类引气剂掺量的增加，小孔占比呈下降趋势而中孔占比有一定的提高。加入松香类引气剂后各分级孔隙率均低于空白组的分级孔隙率，显著改善了砂浆孔径分布，引入中小气孔而降低大孔的比例，中小孔占比的增大更有利于提高砂浆流动性，因而在保持砂浆流动性水平相近时，中小孔占比增多将使得总体含气量下降，有利于提高砂浆抗压强度。

（5）掺入皂苷类引气剂，砂浆孔径分布趋于劣化，中小孔（10～800μm）占比明显降低，大孔（800～1600μm）占比明显上升。加入皂苷类引气剂，硬化砂浆在小孔孔径（10～200μm）分级孔占比降低；孔径在200～800μm之间的分级孔占比总体以增加为主；孔径大于800μm的分级孔占比同样以增加为主。整体而言，掺入皂苷类引气剂使砂浆孔径分布趋于劣化，使小孔占比下降而中大孔占比提升。

3 结 论

（1）PCE与消泡剂复配后掺入新拌砂浆中可显著降低砂浆含气量。掺入消泡剂后将减弱PCE的引气隔离滚珠效应，使砂浆流动性下降。砂浆扩展度和含气量之间存在正相关性。掺入消泡剂后可有效消除砂浆中气泡，降低硬化砂浆孔隙率，提高硬化砂浆的抗压强度。

（2）不同消泡剂消除的气泡类型不一致，对砂浆孔径分布的影响相差较大。掺入消泡剂后可增加中小孔（10～800μm）的占比并减少大孔（800～1600μm）占比。其中，B类聚醚消泡剂对孔径分布的优化程度较佳，可大幅提高小孔占比，当其掺量为0.030%时，新拌水泥砂浆中含气量较基准砂浆降低5.7个百分点。

（3）在PCE和消泡剂复配基础上加入引气剂能够有效恢复砂浆工作性能，提高砂浆的扩展度，从而在保持新拌砂浆流动性的同时提高硬化砂浆抗压强度。其中，松香类引气剂可显著优化气孔分布，大幅提高小孔占比；脂肪醇类引气剂优化效果次之，能够略微增加小孔占比而降低大孔占比；皂苷类和烷基类引气剂效果较差，降低小孔占比，提高大孔占比，从而使得砂浆气孔分布趋于劣化。