減水劑對(duì)砂加氣混凝土性能的影響

相秋迪，繆宏偉，沙紹通，許國東

（1.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京210008；2.江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，江蘇 南京210046）

0 引言

加氣混凝土是滿足建筑工業(yè)化和綠色建筑需求的基礎(chǔ)性墻體材料， 其特殊的水化產(chǎn)物組成和多孔結(jié)構(gòu)，賦予了加氣混凝土輕質(zhì)、保溫、防火等優(yōu)良性能， 同時(shí)也導(dǎo)致其具有高吸水率、 高孔隙率、高收縮率的通病。 加氣混凝土的孔隙率一般達(dá)到70%～80%[1]。 較高的吸水率可帶來體積穩(wěn)定性不好、強(qiáng)度降低等問題。 吸水率與氣泡開孔率和毛細(xì)孔體積率有緊密的關(guān)系。 當(dāng)毛細(xì)孔體積率大于30 %，加氣混凝土內(nèi)部會(huì)形成連通的孔結(jié)構(gòu)，大幅度提高吸水率。 這使加氣混凝土一般僅用于內(nèi)隔墻，極少用作承重墻，從而限制了其在綠色建筑行業(yè)的發(fā)展。

筆者[2]曾在論文《加氣混凝土吸水特性研究及優(yōu)化》中，分析了砂加氣混凝土的體積吸水率與干燥收縮的函數(shù)關(guān)系及加氣混凝土吸水率與強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系，結(jié)果分別如圖1，2 所示。

圖1 砂加氣混凝土吸水率與干燥收縮函數(shù)關(guān)系

圖2 加氣混凝土含水率與抗壓強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系

根據(jù)圖1 可知，加氣混凝土的收縮量為質(zhì)量吸水率的四次方程，表明收縮值會(huì)隨著吸水率的增加而變大。圖2 表明加氣混凝土的強(qiáng)度隨著含水率的增加而減小。較高的水料質(zhì)量比是高毛細(xì)孔體積率和高吸水率的主要原因。 目前，各加氣混凝土生產(chǎn)廠家大多采用的水料質(zhì)量比為0.6~0.7， 而硅質(zhì)材料完全水化所需的水料質(zhì)量比不大于0.42，未反應(yīng)的水導(dǎo)致了毛細(xì)孔的存在、加氣混凝土強(qiáng)度下降和收縮增大[3]。因此，降低水料質(zhì)量比對(duì)提高加氣混凝土的宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)有重要作用，而減水劑是降低水料比的有效方法。 由此可知，研究減水劑對(duì)加氣混凝土性能的影響具有重要意義。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5 的普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分如表1 所示。

（2） 石灰：有效氧化鈣含量為75%。

（3） 砂：化學(xué)成分見表2。

（4） 石膏：試驗(yàn)所用的石膏為脫硫石膏，其化學(xué)成分如表3 所示。

表1 水泥的化學(xué)成分 %

表2 砂的化學(xué)成分 %

表3 石膏的化學(xué)成分 %

（5） 鋁粉：發(fā)氣劑，細(xì)度100~200 目。

（6） 萘系、脂肪族系和聚羧酸系減水劑為市售減水劑，JSJ 減水劑為筆者自主研究的減水劑，其減水率為30%。

經(jīng)過大量正交試驗(yàn)研究， 確定B05 級(jí)砂加氣混凝土的配合比為鈣硅比：水泥/石灰：石膏（%）：水料比：鋁粉（%）=0.7：0.65：2.25：0.7：0.24。 摻入減水劑后，配合比如表4 所示。

1.2 配合比

表4 摻不同減水劑加氣混凝土的配合比

1.3 制備工藝

將試塊放入蒸壓釜中進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)，蒸壓溫度為180 ℃，養(yǎng)護(hù)壓力為1.1 MPa，養(yǎng)護(hù)8 h。

1.4 試驗(yàn)方法

加氣混凝土的力學(xué)性能和快速法干燥收縮值試驗(yàn)參照GB/T 11969—2008 《加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》[4]。

XRD：將試件母體敲碎，從中取出水泥石，使用無水乙醇浸泡24 h 終止水泥的水化。 取出后磨成粉，放入烘箱中，在105 ℃條件下烘24 h 后，放入密封袋保存。 衍射掃描范圍取5~80°。

SEM：取粒徑約10 mm 的試樣，浸泡于無水乙醇中終止水化48 h，取出后放入烘箱內(nèi)，在（105±5） ℃下烘干至恒重。 試驗(yàn)前，將試樣放入環(huán)氧樹脂中浸泡，待環(huán)氧樹脂固化后，進(jìn)行切割、拋光、超聲清洗、干燥和噴金處理，拍攝掃描電子顯微鏡圖像。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 減水劑對(duì)力學(xué)性能的影響

摻入減水劑后，各組絕干密度、力學(xué)性能和發(fā)氣情況的試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果

表5 的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，萘系和脂肪族系減水劑的發(fā)氣效果較差，內(nèi)部存在較多連通孔，發(fā)氣之后的密度達(dá)不到B05 級(jí)要求。 聚羧酸系減水劑及自制JSJ 減水劑的發(fā)氣效果較好，無泌水現(xiàn)象發(fā)生，表明聚羧酸系減水劑和JSJ 減水劑與混凝土適應(yīng)性良好。 但是聚羧酸減水劑具有緩凝作用，影響加氣混凝土的拆模，為加氣混凝土的生產(chǎn)帶來不便。

對(duì)比表5 中A1 組與A4 組、A1 組與A5 組的數(shù)據(jù)可知， 聚羧酸系減水劑可以提高抗壓強(qiáng)度26%和抗折強(qiáng)度22%；自制JSJ 減水劑可以提高抗壓強(qiáng)度40%和抗折強(qiáng)度44%。 分析其原因可知，摻入減水劑使加氣混凝土的用水量減少，從而降低了加氣混凝土內(nèi)部和水化產(chǎn)物的毛細(xì)孔量，最終提高了加氣混凝土的力學(xué)性能。

2.2 減水劑對(duì)收縮的影響

空白組A1 和發(fā)氣良好的A4、A5 組的干燥收縮隨時(shí)間的變化，如圖3 所示。

圖3 減水劑對(duì)加氣混凝土收縮的影響

由圖3 可知，加氣混凝土早期收縮較大，當(dāng)齡期到達(dá)14 d 以后，收縮增長變得比較緩慢。摻入減水劑 （A4 和A5 組） 降低了加氣混凝土的干燥收縮，尤其是A5 組，干燥收縮較A1 組降低了28%。經(jīng)過分析， 料漿中過量的水會(huì)使泡沫變得不穩(wěn)定甚至破裂，并在加氣混凝土干燥過程中產(chǎn)生更多通道，同時(shí)吸附水和凝膠水也更多， 這些因素均會(huì)引起干燥收縮。而摻入減水劑后，減少了加氣混凝土中多余的水分，降低了加氣混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔量，改善了加氣混凝土的吸水特性，使結(jié)構(gòu)更加致密。

根據(jù) 《蒸壓加氣混凝土國家標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 11968—2006[5]中的規(guī)定，各密度等級(jí)的加氣混凝土的干燥收縮值不大于0.8 mm/m。 A1 組、A4 組、A5組的干燥收縮均在標(biāo)準(zhǔn)要求的50%以內(nèi)， 以上加氣混凝土的干燥收縮均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 減水劑對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響

以A1 和A5 組砂加氣混凝土為研究對(duì)象，通過XRD 和SEM，對(duì)比兩組加氣混凝土水化產(chǎn)物種類和形貌。 加氣混凝土的XRD 拍攝結(jié)果如圖4，5所示，SEM 拍攝結(jié)果如圖6，7 所示。 圖中Quartz 為石英，C-S-H 為水化硅酸鈣凝膠，C-A-S-H 為水化硅鋁酸鈣凝膠，tobermorite 為托貝莫來石晶體。

圖4 A1 組加氣混凝土XRD 圖譜

由圖4 中XRD 的特征峰可以看出，A1 組加氣混凝土的主要水化產(chǎn)物為未反應(yīng)的石英、C-S-H凝膠、C-A-S-H 凝膠和托貝莫來石； 圖5 中XRD的特征峰也是石英、C-S-H 凝膠、C-A-S-H 凝膠和托貝莫來石。 圖4 和圖5 的主要區(qū)別是A5 組的托貝莫來石特征峰比A1 組多，A5 組的水化程度比A1 組高。 由此可知，JSJ 減水劑未改變加氣混凝土水化產(chǎn)物的種類。

圖5 A5 組加氣混凝土XRD 圖譜

圖6 A1 組加氣混凝土SEM 圖譜

圖7 A5 組加氣混凝土SEM 圖譜

對(duì)比圖6，7 可知，A1 組和A5 組砂加氣混凝土的反應(yīng)產(chǎn)物種類基本相同，均為呈規(guī)則形狀的片狀托貝莫來石、 低鈣硅比的水化硅酸鈣凝膠C-SH，晶體和膠體相互穿插，使加氣混凝土產(chǎn)生強(qiáng)度。但是A5 組比A1 組結(jié)構(gòu)更致密， 晶體與膠體相互穿插、包裹，進(jìn)一步解釋了A5 組較A1 組高強(qiáng)低縮的根本所在，驗(yàn)證了高水化硅酸鈣含量和致密的微觀結(jié)構(gòu)是加氣混凝土高強(qiáng)度、低收縮的保障。

3 結(jié)論

（1）目前我國加氣混凝土市場存在強(qiáng)度等級(jí)和密度等級(jí)不匹配的問題， 如： 密度等級(jí)達(dá)到B05級(jí)，強(qiáng)度僅僅達(dá)到合格品要求，有的甚至為不合格。針對(duì)這些情況，加氣混凝土企業(yè)可以考慮在生產(chǎn)中摻入匹配的減水劑，使強(qiáng)度不合格品變成合格品甚至一等品。

（2）降低水料比是加氣混凝土減縮增強(qiáng)的關(guān)鍵技術(shù)途徑之一。

（3）JSJ 減水劑與加氣混凝土適應(yīng)性良好，發(fā)氣情況良好，有效地提高了強(qiáng)度、降低了收縮，可在加氣混凝土中廣泛應(yīng)用。