不同减水剂作用下再生砂浆的性能及机理分析

程赟 ，罗健林 ，陶李尧 ，3，李秋义 ，罗晓霞 ，高嵩 ，张纪刚 ，马静

(1.中国人民解放军军事科学院国防工程研究院，北京 100036；2.青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266520；3.中建四局南京金融城二期项目部，江苏 南京 210000；4.青岛农业大学 建筑工程学院，山东 青岛 266109；5.青岛北苑混凝土有限公司，山东 青岛 266700)

0 引 言

建筑砂浆作为建筑材料每年消耗量十分巨大，而绝大部分为天然砂所制备的普通砂浆。再生砂浆的使用不但可以减少天然砂石的大量消耗，缓解建筑垃圾废弃或堆放所带来的环境污染，还能充分发挥经济环保效益。在国家绿色环保、节能减排及装配式建筑大背景下，将再生细骨料、矿物掺合料和相应的外加剂按一定比例混合搅拌而成的再生砂浆(RCM)具有极大的经济及环保优势[1]。研究表明[1-13]，再生骨料存在吸水性高及孔隙多的特点，相应RCM 各类制品在推广应用中常存在流变性能差，尤其是经时损失率大、力学强度偏低、离散性大及耐久性能差等亟待解决的问题。

作为用量少、应用效果明显的各类外加剂，如减水剂、保水增稠剂、引气剂、缓凝剂和复合型外加剂已广泛应用于RCM 中，可改善其综合性能[14-19]。谢汝朋等[15]研究表明，RCM的保水率随着保水增稠剂掺量的增加而较为显著地增大，同时RCM 的用水量也会进一步增加，导致RCM 的抗压强度出现较为明显下降。张伟等[16]通过研究不同外加剂对RCM 的2 h稠度损失率(S2h)和保水率的影响表明，掺外加剂的RCM 的S2h降低、保水率增大，有效改善了RCM 的工作性能。其中，减水剂种类繁多，具有价格较低、易获取、广谱性等优点[17]。但相关研究表明，高掺量木质素磺酸盐基减水剂和萘系磺酸盐基减水剂会使RCM 的力学性能产生较大的损失[17]。刘木林[18]发现，掺0.04%自制复合减水剂时，RCM 的工作性能可较好地满足预制装配式构件的施工需求。糜人杰等[19]采用木质素磺酸钠、六偏磷酸钠和柠檬酸混合制成粉状外加剂，使RCM 的综合性能有较大幅度提高。

本研究选取市场上常用的3 类缓释型减水剂——萘系磺酸盐减水剂(NXH)、三聚氰胺系减水剂(SJQ)、聚羧酸类减水剂(JSS)分别作为RCM 的外加剂，探讨不同类型及掺量减水剂对RCM 稠度及力学性能的影响，并分析不同减水剂对RCM 物理性能影响的作用机理。在当今建筑垃圾资源化利用的大背景下，本研究将有助于RCM 的配合比优化及预拌砂浆工程应用。

1 实 验

1.1 实验材料与仪器设备

1.1.1 原材料

(1)胶凝材料及骨料

水泥：P·O42.5 水泥，山东山水水泥集团生产，其物理力学性能见表1；粉煤灰(FA)：Ⅱ级，青岛四方电厂生产，其技术性能见表2；再生细骨料：由废弃混凝土破碎、筛分并经过颗粒整形得到，粒径≤4.75 mm，细度模数为2.78，青岛市绿帆建筑垃圾厂生产，其技术性能见表3，符合GB/T 25176—2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》规定的Ⅱ类再生细骨料要求。

表1 水泥的物理力学性能

表2 粉煤灰的技术性能

表3 再生细骨料的技术性能

(2)外加剂

保水增稠剂(硅藻土类)：L-228 型，上海启臣化工有限公司，掺量为胶凝材料质量的0.4%，技术性能见表4。水：自来水；3 种粉剂缓释型减水剂：萘系磺酸盐减水剂(NXH)、三聚氰胺减水剂(SJQ)、聚羧酸减水剂(JSS)，分别购自上海启臣化工公司、昆山龙涛佳和建材公司、苏州兴邦化学建材公司，基本技术性能见表5。

表4 保水增稠剂的基本技术性能

表5 3 种缓释型减水剂的基本技术性能

1.1.2 主要仪器设备

JJ-5 型水泥胶砂搅拌机、ZS-15 型水泥胶砂振实台、SC-145 型砂浆稠度仪：无锡建仪实验器材有限公司；DYD-208型全自动压力试验机：无锡东仪制造科技有限公司；JSM-7500F 型扫描电子显微镜：日本电子JOEL 公司。

1.2 再生砂浆的配合比及制备工艺

选择胶砂比为1∶5，FA 掺量为胶凝材料质量的20%，保水增稠剂掺量为胶凝材料质量的0.4%，缓释型减水剂掺量分别为0.5%、0.6%、0.7%，并通过控制RCM 的初始稠度在90～100 mm 范围来确定用水量，相应水泥、FA、再生细骨料、保水增稠剂的用量分别为 273.6、68.4、1710、1.37 kg/m3，不同编号RCM 的减水剂掺量及用水量如表6 所示。

表6 再生砂浆的减水剂掺量及用水量

参照JGJ/T 223—2010《预拌砂浆应用技术规程》，将水泥、粉煤灰、再生细骨料、干粉外加剂按配合比混合，干拌成干料混合物，最后再加入相应比例的水，形成RCM[1]。

1.3 性能测试与表征

RCM 的性能依据JTJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行测试。采用砂浆稠度测定仪测试RCM 的初始稠度(S0)及 2 h 稠度(S2)，并按 S2h=[(S0-S2)/S0]×100%计算其2 h 稠度损失率(S2h)。

将测试完稠度后的RCM 浆料通过振捣抹平法浇筑在70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的试模中，1 d 后拆模，将 RCM 试件在标准养护条件[温度(22±3)℃，相对湿度≥95%]下养护至28 d。依据JTJ/T 70—2009 的规定，用全自动压力试验机以1.0 kN/s 加载速率进行试验，并根据28 d 抗压强度=k×Nu/A0计算RCM 的立方体抗压强度(其中k 为换算系数，取1.35，Nu为试件破坏时的极限荷载，A0为受压面积)。

从RCM 强度测试断裂试件中取出1 cm3的小试样，中止水化并烘干后，将其表面喷金，置于扫描电子显微镜下观察RCM 水化产物的微观形貌。

2 结果与分析

2.1 不同减水剂对再生砂浆2 h 稠度损失率和28 d 抗压强度的影响(见图1)

从图1(a)可以看出，在FA 的助分散及润滑作用下，掺3种缓释型减水剂RCM 的2 h 稠度损失率均小于30%，最高为25.15%，最低仅14.56%，符合JGJ/T 223—2010 的相关规定。其中，缓释型减水剂JSS 的减水率及对RCM 稠度的保持能力均高于减水剂NXH、SJQ；当减水剂掺量从0.50%增加到0.70%时，相应RCM 的S2h有明显的降低，尤其是JSS 类缓释型减水剂，其S2h最大降幅达5.3%；同时，当减水剂掺量同为0.50%时，掺 JSS 的 RCM 的 S2h离散值[在平均值(μ)上下浮动的方差值(σ)]较小，为 0.39，而掺 NXH、SJQ 的 RCM 的 S2h离散值分别高达 0.65、0.57。

图1 不同缓释型减水剂对RCM 性能的影响

从图1(b)可以看出，3 种缓释型减水剂不同掺量下RCM的28 d 抗压强度最高达21.19 MPa，最低为14.59 MPa，均符合JGJ/T 223—2010 中对强度等级M10 砂浆的要求。其中，掺JSS 类减水剂对 RCM 的28 d 抗压强度影响程度均高于NXH、SJQ 类减水剂；当减水剂掺量从0.50%增加到0.70%时，相应RCM 的28 d 抗压强度均有提高，28 d 抗压强度最大增幅达15.7%，相应不同掺量下掺JSS 的RCM 28 d 抗压强度均高于掺NXH、SJQ 的RCM，且而其离散值均小于掺NXH、SJQ的RCM。

2.2 不同减水剂对再生砂浆微观形貌的影响

图2 为3 种缓释型减水剂掺量均为0.6%时各组硬化RCM 的 SEM 形貌。

图2 掺0.6%不同减水剂硬化RCM 的SEM 照片

从图2 可以看出，掺不同减水剂RCM 的形貌有明显差异。掺有0.6%NXH 的NXH6 组RCM 水化产物结构仍较为疏松，界面粘结差，存在贯通的微裂缝；掺0.6%SJQ 的SJQ6 组RCM 水化产物微观结构要好于NXH6 的，但存在一些针刺状钙矾石及板块状氢氧化钙结晶，并分布有零星微裂缝[20]；掺0.6%JSS 减水剂的JSS6 组RCM 水化产物微观结构最致密，虽然也存在一些微裂缝，但能明显看出其界面结构良好，最终宏观上呈现出相对最高的力学性能。这也与图1 中的3 种缓释型减水剂作用下RCM 的S2h、28 d 抗压强度结果一致。

2.3 不同减水剂对RCM 物理性能改善机理分析

图3 为不同缓释型减水剂改善RCM 浆料流变性能机理示意。

图3 不同缓释型减水剂改善RCM 浆料流变性机理示意

从图3 可以看出：NXH 磺酸根亲水官能团体积大、数量少，进而在水中电离后，吸附、分散带正电的水泥颗粒偏弱，分散效能偏低，同时NXH 减水剂含有大而刚性的萘环刚性基团，NXH 与水泥颗粒吸附双电层稳定性不佳[15]，加上再生骨料表面多水泥石及裂隙，最终导致RCM 的微观形貌质地疏松、微裂缝多，宏观表现为S2h偏大、28 d 抗压强度偏低；减水剂JSS 含有诸多羧基、磺酸基、羟基等偏小亲水官能团，吸附水泥颗粒强，分散性能高，同时主链为脂肪族接枝嵌段型的柔性憎水基团，相容适应性好，相应硬化RCM 的C-S-H 凝胶结构致密、微裂缝较少且不贯通，最终表现为宏观性能优良(S2h最低、28 d 抗压强度最高)。

3 结 论

(1)掺缓释型聚羧酸减水剂JSS 的RCM 稠度保持能力、力学性能均高于掺三聚氰胺减水剂SJQ、萘系磺酸盐减水剂NXH 的 RCM，其相应 S2h最低，仅 14.56%，28 d 抗压强度最高，达21.19 MPa，且其S2h、28 d 抗压强度离散值也均小于掺NXH、SJQ 的 RCM。

(2)掺0.6%NXH 的RCM 水化产物结构较为疏松，界面粘结差，存在贯通的微裂缝；而掺0.6%JSS 的RCM 水化产物微观结构最致密，虽然也存在一些微裂缝，但能明显看出其界面结构良好。

(3)含有亲水官能团的JSS 与水泥颗粒吸附性强，分散性能好，同时主链为脂肪族接枝嵌段型的柔性憎水基团，进而与水泥、再生骨料相容适应性好，相应硬化RCM 的C-S-H 凝胶结构致密、微裂缝较少且不贯通，最终宏观表现为S2h最低、28 d抗压强度相对最高。使RCM 存在的稠度损失大、强度不稳定、耐久性不佳等问题得到有效解决。