自密實砂漿中聚合物乳液與消泡劑的協(xié)同效應(yīng)研究

朱毅杰，韓建國

（1.卡內(nèi)基梅隆大學(xué)，賓夕法尼亞州 匹茲堡15213；2.清華大學(xué) 土木工程系，北京100084）

0 引言

自密實砂漿由于其良好的施工性能、勻質(zhì)性、力學(xué)性能和美學(xué)特征，在當(dāng)代建筑裝飾材料中獲得了廣泛的應(yīng)用。但自密實砂漿的水膠比低、收縮率大、早期開裂風(fēng)險高，阻礙了自密實砂漿在制備大尺寸水泥基材料外墻板、薄層水泥基板材和高強地坪等方面的應(yīng)用[1]。

在自密實砂漿中摻入聚合物可有效降低砂漿的彈性模量、提高延展性、降低開裂風(fēng)險。但聚合物中活性基團(tuán)的引氣作用會顯著降低砂漿的力學(xué)性能[2]。因此，如何發(fā)揮聚合物對砂漿的增韌作用，同時減小聚合物對砂漿力學(xué)性能負(fù)面作用的探索尤為必要。

本文探究了丙烯酸酯均聚物乳液與酯類、聚醚類和有機(jī)硅改性聚醚類消泡劑單摻和復(fù)摻對自密實砂漿凝結(jié)行為、體積密度、強度、塑性收縮和干燥收縮的影響，找出最優(yōu)組合并分析其機(jī)理。研究結(jié)果可為自密實砂漿在裝飾材料中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 試驗

1.1 原材料和配合比

水泥：P·W52.5級白水泥，物理力學(xué)性能見表1；砂：20～120目連續(xù)級配石英砂；減水劑：功能型聚羧酸醚類減水劑，含固量24%；丙烯酸酯均聚物乳液：Tg=13℃，MFFT=13℃，固含量47%；消泡劑：酯類、聚醚類和有機(jī)硅改性聚醚類3種，液體，含水量均＜1%；水：自來水。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

在固定水灰比為0.28條件下，制備了未摻聚合物乳液及消泡劑的空白樣、單摻及復(fù)摻聚合物乳液與消泡劑的砂漿，配合比如表2所示?？刂茰p水劑摻量使得空白樣（C－0）的流動度達(dá)到230 mm（參照GB 50119—2003《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》附錄A的試驗方法）。

表2 自密實砂漿配合比 %

1.2 試驗方法

采用行星式砂漿攪拌機(jī)制備自密實砂漿。砂漿的凝結(jié)行為采用恒溫水化溫度進(jìn)行表征，測試時所用砂漿的體積為500 ml，測溫用熱電偶安放在試樣的中間，環(huán)境溫度為25℃；水化溫度測試開始時間為砂漿從攪拌機(jī)中出料后的3 min。砂漿的抗折、抗壓強度測試采用40 mm×40 mm×160 mm試樣，砂漿試樣在成型后24 h拆模，然后在溫度為25℃、相對濕度為50%的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。砂漿全程收縮行為（塑性收縮和干燥收縮）采用聯(lián)合測試法進(jìn)行測試，將成型后的砂漿澆注到長1000 mm、寬45 mm、高85 mm的實驗槽內(nèi)，在試樣的一端埋置一個固定件，另一端采用接觸式位移傳感器進(jìn)行測試，測試開始時間為砂漿在實驗槽中澆筑完成開始計時，終止時間為28 d齡期；測試過程中，試樣的頂面處于敞開狀態(tài)，與周圍的環(huán)境（溫度為25℃、相對濕度為50%）進(jìn)行水分交互。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 聚合物乳液和消泡劑對砂漿體積密度的影響

對表2中的8組砂漿，在攪拌完成后，倒入容積為1000 ml的玻璃量筒中，然后測試其質(zhì)量，計算得出每種砂漿的體積密度，結(jié)果如表3所示。

表3 聚合物乳液和消泡劑對砂漿體積密度的影響

由表3可知，相對于C－0試樣，單摻3種消泡劑后砂漿的體積密度增大了25%以上，這得益于消泡劑的消泡效應(yīng)；單摻聚合物乳液，砂漿的體積密度減小了24.2%，這是由于聚合物乳液中的活性基團(tuán)具有引氣作用；酯類和聚醚類消泡劑與聚合物乳液復(fù)摻時，砂漿的體積密度均低于C－0試樣，有機(jī)硅改性聚醚類消泡劑與聚合物乳液復(fù)摻時，砂漿的體積密度較C－0試樣增大了25.4%，說明有機(jī)硅改性聚醚類消泡劑對聚合物乳液在砂漿中的引氣作用，有良好的抑制和消除氣泡的能力。

2.2 聚合物乳液和消泡劑對砂漿強度的影響（見表4）

表4 聚合物乳液和消泡劑對砂漿強度的影響

由表4可知，相對于C－0試樣，單摻3種消泡劑均可顯著提高砂漿的3、28 d抗壓和28 d抗折強度，28 d抗壓強度增幅達(dá)98%以上，28 d抗折強度增幅達(dá)34%以上，這得益于消泡劑對砂漿中氣泡的消除效應(yīng)，使得砂漿內(nèi)部的缺陷減少，顆粒堆積更密實；單摻聚合物乳液顯著降低了砂漿不同齡期的抗壓和抗折強度，28 d抗壓、抗折強度分別降低了67.6%、51.2%，這是由于聚合物乳液的引氣作用，使得砂漿中缺陷數(shù)目增多所致；酯類和聚醚類消泡劑與聚合物乳液復(fù)摻時，砂漿的抗壓、抗折強度顯著降低，而有機(jī)硅改性聚醚類消泡劑與聚合物乳液復(fù)摻可實現(xiàn)砂漿抗壓強度有效提高的同時，抗折強度顯著提高，28 d抗壓、抗折強度分別提高了81.2%、96.7%，這是由于有機(jī)硅改性聚醚類消泡劑的作用是基于“橋連－拉伸”機(jī)理，該類消泡劑利用有機(jī)硅極低的表面張力，吸附在泡沫的表面并持續(xù)鋪展和深入，使得泡沫局部液膜持續(xù)繼續(xù)變薄和產(chǎn)生形變，同時，利用聚醚良好的表面張力牽引能力，達(dá)到液膜破壞、泡沫破裂的目的，實現(xiàn)對聚合物乳液在砂漿中引入氣泡的消除作用。

2.3 聚合物乳液摻量對砂漿強度的影響

在表2中C－DFC配合比的基礎(chǔ)上，研究聚合物乳液摻量為0～11%時對砂漿強度的影響，結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 聚合物乳液摻量對砂漿抗壓強度的影響

圖2 聚合物乳液摻量對砂漿抗折強度的影響

由圖1可見，采用有機(jī)硅改性聚醚類消泡劑與聚合物乳液復(fù)摻，隨著聚合物乳液摻量的增加，砂漿不同齡期抗壓強度基本呈下降的趨勢，聚合物乳液摻量≤3%時，抗壓強度損失較小；聚物乳液摻量＞3%時，抗壓強度隨著聚合物摻量的增加呈明顯下降的趨勢。當(dāng)聚合物乳液摻量為3%、5%、11%時，砂漿的28 d抗壓強度較未摻時分別降低0.4%、6.3%、10.2%。

由圖2可見，隨著聚合物乳液摻量的增加，砂漿不同齡期抗折強度明顯提高。當(dāng)聚合物乳液摻量為1%時，28 d抗折強度較未摻時提高了12.5%；當(dāng)聚合物乳液摻量為5%時，28 d抗折強度較未摻時提高了27.4%；隨著聚合物乳液摻量的持續(xù)增加，抗折強度繼續(xù)提高，但增幅變緩，當(dāng)聚合物乳液摻量為11%時，28 d抗折強度較未摻時提高了33.2%。

這是由于聚合物乳液在砂漿中經(jīng)過成膜反應(yīng)并交聯(lián)后，所形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)可提高砂漿的抗拉伸性能，但對砂漿的抗壓縮性能無顯著貢獻(xiàn)所致[3]。劉家成和蓋廣清[4]的研究也表明，在水泥基材料中摻入聚合物可顯著提高其折壓比。

2.4 聚合物乳液摻量對砂漿收縮性能的影響

在表2中C－DFC配合比的基礎(chǔ)上，研究聚合物乳液摻量分別為0、5%、9%時對砂漿收縮性能的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 聚合物乳液摻量對砂漿收縮性能的影響

由圖3可見，自密實砂漿在摻入聚合物乳液后，其塑性收縮和干燥收縮均得到良好的抑制，且隨著聚合物乳液摻量的增加，其收縮抑制能力提高。與未摻聚合物乳液時相比，當(dāng)聚合物乳液摻量為5%時，1、28 d收縮率分別減小了15.0%、26.2%；當(dāng)聚合物乳液摻量為9%時，1、28 d收縮率分別減小了28.7%、38.1%。這是由于摻入聚合物乳液后，其在砂漿中的成膜作用阻礙了砂漿中水分向外界的散失，從而達(dá)到減小收縮率的目的[5]。由此可知，在自密實砂漿中復(fù)摻聚合物乳液和有機(jī)硅改性聚醚類消泡劑，可實現(xiàn)自密實砂漿力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性的提高。

2.5 聚合物乳液摻量對砂漿水化歷程的影響

在表2中C－DFC配合比的基礎(chǔ)上，研究聚合物乳液摻量分別為0、5%、9%時對砂漿水化放熱歷程的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 聚合物乳液摻量對砂漿水化進(jìn)程的影響

由圖4可見，復(fù)摻聚合物乳液和有機(jī)硅改性聚醚類消泡劑時，水泥的水化進(jìn)程受到了抑制，其第二放熱峰位置延遲，且放熱峰的峰值降低。與未摻時相比，聚合物乳液摻量為5%、9%時，水化放熱溫度分別降低了1.3%、4.8%。這是由于聚合物乳液對水泥顆粒的包裹，阻礙了其水化進(jìn)程所致[6]。因此，在復(fù)摻聚合物乳液和有機(jī)硅改性聚醚類消泡劑時，應(yīng)考慮其對砂漿水化進(jìn)程的影響。

3 結(jié)論

（1）在砂漿中單摻3種消泡劑時，砂漿內(nèi)部缺陷減少，顆粒堆積更密實，顯著提高了砂漿的體積密度和抗壓、抗折強度，28 d抗壓強度增幅達(dá)98%以上，28 d抗折強度增幅達(dá)34%以上。

（2）在砂漿中單摻聚合物乳液時，由于聚合物乳液的引氣作用，顯著降低了砂漿的體積密度和抗壓、抗折強度。

（3）聚合物改性自密實砂漿中，聚合物乳液和消泡劑之間存在協(xié)同效應(yīng)，有機(jī)硅改性聚醚消泡劑可有效抑制和消除聚合物改性自密實砂漿由于聚合物乳液中活性基團(tuán)的引氣作用產(chǎn)生的不良?xì)馀荨Ｊ咕酆衔锔男陨皾{呈現(xiàn)良好力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性。采用聚醚改性有機(jī)硅消泡劑時，當(dāng)聚合物乳液摻量≤3%時砂漿抗壓強度損失較小，抗折強度隨著聚合物乳液摻量的增加而提高；當(dāng)聚合物乳液摻量>3%時，砂漿抗壓強度呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，但抗折強度持續(xù)提高。根據(jù)材料使用特性，顯著提高自密實砂漿柔韌性時，在可接受抗壓強度損失的前提下，在合適消泡劑的協(xié)同下，適當(dāng)提高聚合物乳液摻量，可顯著提高砂漿的抗折強度，滿足材料柔韌性的要求。

（4）復(fù)摻有機(jī)硅改性聚醚消泡劑和聚合物乳液可有效抑制砂漿塑性收縮和干燥收縮，并隨著聚合物乳液摻量的增加，自密實砂漿收縮率呈下降趨勢。復(fù)摻有機(jī)硅改性聚醚消泡劑和聚合物乳液，既有效提高砂漿的力學(xué)性能，又顯著降低砂漿的收縮率，提高砂漿的抗開裂性能。

（5）摻入聚合物乳液會阻礙水泥的水化，使得第二放熱峰延遲且放熱量降低。因此，工程應(yīng)用中應(yīng)通過適當(dāng)?shù)拇胧﹣硐麥p該效應(yīng)帶來的負(fù)面影響。