高效減水劑對蒸壓加氣混凝土流變和力學性能的影響

李海峰，蘇宇峰，2

（1.同濟大學 材料科學與工程學院，上海 201804；2.同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804）

0 引言

蒸壓加氣混凝土（以下簡稱AAC）是由石英砂、粉煤灰或工業(yè)尾礦等硅質材料與水泥、石灰等鈣質材料，經水熱合成法制成的。為滿足制備過程中發(fā)氣穩(wěn)定性要求，即鋁粉發(fā)氣和漿體流動與稠化硬化應協(xié)同匹配，水料比（拌合用水與原材料干基質量比）通常高達0.60 及以上[1-3]。未參與結晶反應的自由水，不僅大幅增加生產能耗，而且會在制品中形成貫穿毛細孔，導致吸水率和干燥收縮率增大、強度降低[4]。

為減輕拌合水量過多導致的制品性能劣化，在混凝土和砂漿行業(yè)中，廣泛采用高效減水劑[5-6]，并直接應用到AAC 制備中。Wu 等[7]研究發(fā)現，聚羧酸減水劑能有效改善循環(huán)流化床粉煤灰在制備AAC 過程中吸水率高的問題，同時可以優(yōu)化制品孔結構，提高AAC 制品的強度。相秋迪等[4]研究發(fā)現，自制減水劑能有效提高砂加氣混凝土制品強度，并減小干燥收縮。

同時，加氣漿體性能是影響鋁粉發(fā)氣和氣孔結構形成的重要因素，漿體黏度會影響發(fā)氣體積和氣泡穩(wěn)定性[8-9]；水泥和石灰的性能及其比例會影響其水化進程，從而影響漿體性能[10]。但對摻加減水劑后加氣漿體性能的研究較少。

基于此，本文以鐵尾礦、水泥、石灰等為原材料制備AAC，研究混凝土用聚羧酸減水劑、萘系減水劑和加氣混凝土專用減水劑，對蒸壓加氣混凝土漿體的流變性能、發(fā)氣性能、力學性能和微觀形貌的影響。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：微神P·I52.5 硅酸鹽水泥，其物理性能見表1。生石灰、脫硫石膏和鋁粉膏由安徽馬鞍山科達機電有限公司提供，除鋁粉膏外均經烘干研磨后過120 目篩。水泥、生石灰及鐵尾礦的化學成分見表2。鐵尾礦來源于山東東平宏達礦業(yè)有限公司，經XRD 光譜分析（見圖1），其礦物組成主要為石英、黑云母和陽起石。

表2 原材料的主要化學成分 %

聚羧酸減水劑（PCE）和萘系減水劑（NF）由山西黃河新型化工有限公司提供，固含量分別為45%、98%；加氣混凝土專用減水劑（SL）由聚羧酸減水劑、保坍劑及分散劑等復配而成，由江山天順科技有限公司提供，固含量為50%。

鐵尾礦加氣混凝土（IT-AAC）漿體的配合比見表3，其中水料比（W/S）為拌合水與固體物料的質量比，分別為0.55、0.47、0.42、0.48，外摻減水劑（按折固計）和鋁粉（占固體物料的質量百分比）。

表3 AAC 漿體的配合比

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品制備

漿體的制備工藝流程如圖2 所示。

先將鐵尾礦和石膏預拌，加入拌合水攪拌30 s，加入水泥和減水劑再攪拌30 s，加入石灰再攪拌30 s，即得到AAC 漿體。測試減水率時，在漿體制備后立即進行（靜置時間為0）；測試流變性能時，漿體靜置時間分別為0、10、45 min。

強度試件制備：上述漿體制備后，繼續(xù)加入鋁粉，攪拌30 s 后倒入20 mm×20 mm×20 mm 的鋼質模具，在40 ℃烘箱中預養(yǎng)2～3 h 有一定初始強度后拆模，將試件放入小型蒸壓釜中進行水熱合成試驗[11]。水熱合成制度為：2 h 從室溫升至180℃，在180 ℃恒溫5 h，隨后自然降溫5 h。此試件供抗壓強度測試和微觀形貌觀察。

1.2.2 流變性能

試驗采用美國Brookfield 公司生產的DV Next 流變儀，環(huán)境溫度為（20±2）℃，剪切速率變化如圖3 所示。漿體的表觀黏度由儀器直接測得，塑性黏度和屈服應力通過測得的實驗數據擬合計算得出[12]。

1.2.3 流動度和減水率

漿體流動度測試參照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑均質性試驗方法》進行。

減水率定義為：在漿體達到相同流動度時，摻加減水劑與不摻減水劑的用水量之差與不摻減水劑的用水量的百分比，按式（1）計算：

式中：W——減水劑減水率，%；

M0——不摻減水劑的漿體的用水量，g；

M1——摻減水劑的漿體的用水量，g。

1.2.4 發(fā)氣性能

試驗采用燒杯定溫養(yǎng)護發(fā)氣法測試鋁粉發(fā)氣體積。在燒杯中將漿體攪拌好后放入恒溫水浴箱恒溫養(yǎng)護，采用紅外激光測距儀測量杯口到漿體表面的距離，發(fā)氣體積按式（2）計算：

式中：Vt——t 時刻鋁粉發(fā)氣體積，mL；

h0——初始時漿體表面到杯口的距離，cm；

ht——t 時刻漿體表面到杯口的距離，cm；

D——燒杯內徑，cm。

1.2.5 抗壓強度和比強度

將1.2.1 中制備的強度試件，參照GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》測試制品的體積密度和抗壓強度。

為了比較不同體積密度AAC 試塊的抗壓強度，定義比強度S，如式（3）所示：

式中：S——比強度，（N·m）/kg；

σ——抗壓強度，MPa；

ρ——樣品的體積密度，kg/m3。

1.2.6 SEM 分析

試件在105 ℃烘箱中烘24 h，表面噴金后，采用美國FEI公司生產的Nova Nano SEM 450 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）進行微觀形貌分析。

2 結果與討論

2.1 減水劑的減水率

以空白組（T1）的初始流動度（213 mm）為基準，測試不同減水劑及其不同摻量下的減水率，結果見表4。

表4 減水劑的減水率

從表4 可以看出，減水劑PCE、NF 和SL 折固摻量分別為0.09%、0.20%、0.10%時，減水率分別為38.0%、16.0%、16.0%。經綜合考慮成本等因素，流變性能試驗采用PCE、NF 和SL 折固摻量分別為0.0675%、0.15%、0.075%。

2.2 減水劑對漿體流變性能的影響

2.2.1 流變性能

圖4 為養(yǎng)護溫度40 ℃、不同靜置時間時，T1～T4 組漿體剪切應力隨剪切速率變化曲線。

從圖4 可以看出：

（1）漿體剪切應力均隨著剪切速率增大而增大，剪切應力增大速率呈逐漸減小的趨勢。摻PCE 和NF 漿體的剪切應力均高于摻SL 減水劑和空白組漿體。值得注意的是，在靜置早期（0～10 min），摻SL 漿體的剪切應力略低于空白組；而在靜止后期（45 min），摻SL 漿體的剪切應力高于空白組。

（2）當剪切速率從0 增加到20 s-1時，剪切應力呈弧形增大，說明漿體尚處于非勻質狀態(tài)；當剪切速率為20～60 s-1時，剪切應力與剪切速率呈線性關系，說明漿體達到流變穩(wěn)定階段。穩(wěn)定階段的漿體流變性能，常用Bingham 模型τ=τ0+η·γ來描述[13]。對圖4 中剪切速率為20～60 s-1的曲線進行擬合，得到不同靜置時間下漿體的Bingham 方程及其屈服應力（τ0）和塑性黏度（η），其擬合優(yōu)度R2均大于0.97，說明Bingham 流體模型擬合良好（見表5）。

流體的屈服應力是指流體開始流動所需的最小應力，即流體只有受到高于屈服應力時才發(fā)生流動；塑性黏度表示流體破壞的難易程度。由表5 可知，各組漿體的屈服應力和塑性黏度均隨靜置時間延長而增大。當靜置時間相同時，與空白組相比，摻入PCE 和NF 增大了漿體的屈服應力和塑性黏度，并且增幅較大；而摻入SL 則降低了漿體的屈服應力，塑性黏度基本相同或略有增大。

2.2.2 流變性能對鋁粉發(fā)氣的影響

對加氣漿體來說，鋁粉的發(fā)氣過程，應與漿體稠化過程協(xié)同一致（見圖5），以獲得最佳氣孔結構。根據此協(xié)同性要求，在鋁粉發(fā)氣初始階段，鋁粉需要克服漿體的初始阻力（屈服應力）才能開始形成原始氣泡，因此要求漿體應具有較小的屈服應力；同時漿體的塑性黏度也應較小，以利于原始氣泡的運動和合并。當鋁粉發(fā)氣趨于結束時，漿體的塑性黏度和屈服應力應該足夠大，才能防止氣泡繼續(xù)運動和合并，即保證漿體體積的穩(wěn)定，避免收縮和塌陷。

圖6 為養(yǎng)護溫度40 ℃時，T1～T4 組漿體的發(fā)氣體積。

從圖6（a）可以看出，空白組（T1）在28 min 時發(fā)氣體積達到最大，為219 mL，隨后保持穩(wěn)定。摻減水劑NF、PCE、SL 后，分別在21、25、29 min 時，達到最大發(fā)氣體積，分別為133、105、170 mL。從圖6（b）可以看出，在靜置早期（0～6 min），T4組漿體的發(fā)氣體積略高于空白組。

結合表5 和圖6 可知，T3 組（摻0.0675%PCE）的屈服應力明顯大于其他3 組，因此其最大發(fā)氣體積最小、所需發(fā)氣時間最短；T2 組（摻0.150%NF）的屈服應力次之，其最大發(fā)氣體積、所需發(fā)氣時間有所增大和延長；T4 組（摻0.0755%SL）的屈服應力最小，其最大發(fā)氣體積比T2 和T3 組分別增大約28%和62%。T4 組在0～6 min 內的發(fā)氣速度大于T1 組，也與其屈服應力比空白組小有關。

2.3 減水劑對制品力學性能的影響

2.3.1 力學性能

采用T1-T4 配合比所制備的制品的抗壓強度和比強度見表6。

從表6可以看出，相比于空白組，分別摻3 種減水劑都提高了制品的體積密度，同時也較大幅提高了抗壓強度和比強度（輕質材料的比強度能有效消除體積密度波動帶來的強度變化）。在3 種減水劑中，摻加SL 組制品的比強度最高，為4135 N·m/kg，摻加NF 的略低，而摻加PCE 的比強度最低，為3105 N·m/kg，比前二者低約25%，這可能是因為PCE 的減水率較高導致制品內部水化不充分所導致的。

表6 摻不同減水劑AAC 制品的力學性能

2.3.2 微觀形貌分析

對T1～T4 組AAC 制品進行SEM 形貌觀察，結果見圖7。

從圖7（a）可以看出，空白組顆粒間空隙較多、較大，與2.3.1 中體積密度較小是對應的，說明未摻減水劑漿體的水料比較大，未參與反應的水留下的有害毛細孔較多、較大，導致制品強度較低。圖7（b）～（d）顯示，摻入減水劑后，顆粒間更密實，在宏觀上體現為體積密度較大、抗壓強度較高。從圖7（c）可以看出，PCE 摻入下，由于減水率較大，導致制品內部水化反應不夠充分，仍能看到較多未水化的原材料顆粒，這也導致其制品抗壓強度和比強度較低。而在圖7（b）、（d）中觀察出了明顯的片狀托勃莫來石晶體[14-15]，托勃莫來石填充在顆粒縫隙之間，并且相互交叉搭接，為T2 和T4 組制品較高的強度提供了保障。

3 結論

（1）聚羧酸減水劑（PCE）、萘系減水劑（NF）以及加氣混凝土專用減水劑（SL）摻量在0～0.20%范圍內時，減水率隨著摻量增加而增大，減水劑PCE、NF 和SL 的折固摻量分別為0.09%、0.20%、0.10%時，減水率分別為38.0%、16.0%、16.0%。

（2）無論是否摻加減水劑，加氣漿體在剪切穩(wěn)定階段（20～60 s-1）均符合Bingham 流變模型。與空白組相比，摻入PCE 和NF 均明顯增大了漿體的屈服應力和塑性黏度，抑制了發(fā)氣體積；摻入SL 降低了漿體早期屈服應力、維持了塑性黏度，而后期屈服應力和塑性黏度的增幅遠小于摻PCE 和NF 組漿體，從而較好地保證漿體的發(fā)氣體積。

（3）與空白組相比，摻3 種減水劑均能較大幅度地提高AAC 制品的比強度，其中以摻0.15%SL 的提升幅度最大，可達43%。經SEM 觀察，摻入減水劑后，形成的水化產物的數量較多且相互搭接，制品更加密實。