聚羧酸減水劑復(fù)配工藝對自密實清水混凝土表觀質(zhì)量影響研究

黃柯宇，陶鐵軍，游聚剛，徐躍生，楊科，張登錢

（1.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.中建科技貴州有限公司，貴州 貴陽 550025）

0 引言

自密實清水混凝土兼具自密實混凝土和清水混凝土的優(yōu)點，不僅具有良好的流動性、填充性和抗離析性，還具有節(jié)約資源、綠色環(huán)保且外觀質(zhì)量優(yōu)異等特點，是一種裝飾效果良好且便于施工的新型綠色混凝土，因此在越來越多的建筑工程中得以應(yīng)用[1-3]。自密實清水混凝土在制備過程中通常使用聚羧酸減水劑來改善其拌合物的和易性和工作性。然而，聚羧酸減水劑大多具有引氣性，這使得自密實清水混凝土需要克服表面蜂窩、麻面和色差等表觀質(zhì)量問題[4]。

針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者通過研究取得了較好的成果。張雄等[5]研究了消泡劑、引氣劑和聚羧減水劑三者間的協(xié)同配伍關(guān)系，結(jié)果表明，消泡劑可降低混凝土內(nèi)部劣質(zhì)氣泡含量，并提高砂漿的強度，但會使其流動性降低；引氣劑可降低消泡劑帶來的負(fù)面影響，提高拌合物的工作性能。孟亞鋒等[6]自主設(shè)計了試件成型模具，用于表征自密實清水混凝土的清水效果，研究表明，砂率過大時容易產(chǎn)生大氣泡，砂率過小時容易形成小氣泡，最佳砂率為0.44。黃快忠等[7]將不同比例的消泡劑和引氣劑與聚羧酸減水劑進(jìn)行復(fù)配，研究得出，當(dāng)消泡劑和引氣劑摻量分別為0.1%和0.2%時，清水混凝土的表觀質(zhì)量最佳。Lestari等[8]研究得出，消泡劑的摻入可顯著消除水泥基復(fù)合材料中引入的劣質(zhì)氣泡，并明顯改善混凝土的力學(xué)性能。田艷華[9]進(jìn)行了消泡劑對混凝土性能影響的試驗研究，結(jié)果表明，消泡劑與聚羧酸減水劑復(fù)配不但消除了混凝土中多余的大氣泡，同時減少了減水劑中的含氣量，改善了混凝土的密實程度和孔隙結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的強度。

上述研究表明，聚羧酸減水劑與引氣劑和消泡劑的復(fù)配使用，能夠在引入分布均勻、泡徑較小的良性氣泡的同時，消除混凝土中泡徑不良、泡徑偏大的劣質(zhì)氣泡，以提高混凝土的工作性能和力學(xué)性能[10-11]。鑒于此，本文首先通過聚羧酸減水劑不同引氣方式的對比試驗，得出了表觀質(zhì)量最佳的引氣方式，再深入研究了不同摻量的消泡劑與引氣劑在自密實清水混凝土中的相互作用，并系統(tǒng)考察了消泡劑與引氣劑的相互作用對自密實清水混凝土表觀質(zhì)量的影響規(guī)律，可為該材料在相關(guān)工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：貴州麟山P·O42.5水泥，符合GB/T 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求，主要技術(shù)性能見表1。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

粉煤灰：貴州華電塘寨發(fā)電有限公司，F(xiàn)類Ⅱ級，主要技術(shù)性能見表2。

表2 粉煤灰的主要技術(shù)性能

骨料：采用漣江源河砂，細(xì)度模數(shù)2.6，Ⅱ區(qū)；采用漣江源粒型較好且級配合格的5～20 mm石子。

減水劑：采用對混凝土自身顏色明度影響較小且性能較好的聚羧酸減水劑，固含量為30%，減水率為35%；引氣劑：德固賽聚醚類，外觀澄清，黃色；消泡劑：日本竹本油脂，透明狀液體。

1.2 表觀質(zhì)量試驗方法

采用1200萬像素數(shù)碼相機對成型的150 mm×150 mm×150 mm自密實清水混凝土試塊側(cè)面進(jìn)行圖像采集，并隨機選取100 mm×100 mm的區(qū)域，根據(jù)孔洞大小和面積對自密實清水混凝土的表觀質(zhì)量進(jìn)行分析，采用Image-Pro Plus 6.0軟件對圖片進(jìn)行處理，并獲取混凝土試塊的氣孔分布[12]。

1.3 自密實清水混凝土配合比

本試驗自密實清水混凝土設(shè)計強度為C30，依據(jù)JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中體積法設(shè)計自密實清水混凝土的配合比，通過調(diào)節(jié)水膠比和砂率，并將減水劑總摻量固定為膠凝材料質(zhì)量的1.0%，最后得出符合自密實清水混凝土各項要求的配合比，基準(zhǔn)配合比如表3所示。

表3 自密實清水混凝土的基準(zhǔn)配合比

2 結(jié)果與討論

2.1 聚羧酸減水劑引氣方式對混凝土表觀質(zhì)量的影響

自密實清水混凝土的表觀質(zhì)量與其內(nèi)部氣泡有著不可分割的關(guān)系，然而在混凝土結(jié)構(gòu)中，并不是所有的氣泡都是有益的，泡徑尺寸較大并且不均勻、不穩(wěn)定的氣泡通常被認(rèn)定為有害氣泡；相對的，內(nèi)部構(gòu)造穩(wěn)定、分布均勻且泡徑在10～100 μm的氣泡被認(rèn)定為有益氣泡。聚羧酸減水劑中引氣方式通常采用直接消泡法、直接引氣法和先消后引3種方式，為探究聚羧酸減水劑引氣方式對自密實清水混凝土表觀質(zhì)量的影響，分別對這3種引氣方式進(jìn)行表觀質(zhì)量對比試驗，并選擇最優(yōu)引氣方式來進(jìn)行后續(xù)試驗[13]。

如表4所示，將消泡劑與引氣劑摻量取廠家推薦的最低摻量分別為0.01%、0.005%，其中“直接消泡”法和“直接引氣”法是將消泡劑和引氣劑分別與聚羧酸減水劑直接進(jìn)行復(fù)配，而“先消后引”法需先將消泡劑與聚羧酸減水劑進(jìn)行復(fù)配，待兩者混合并放置15 min后，再加入引氣劑進(jìn)行二次復(fù)配。

表4 聚羧酸減水劑不同引氣方式的外加劑摻量

不同引氣方式對混凝土表觀質(zhì)量的影響如圖1所示。

由圖1可見，直接消泡法會大量增加混凝土表面大氣孔的數(shù)量，這主要是因為消泡劑的加入降低了混凝土的含氣量，使混凝土拌合物的工作性能損失較大，降低了混凝土拌合物的流動性，導(dǎo)致混凝土表面有大量大氣孔的出現(xiàn)。直接引氣法可以減少混凝土表面的大氣孔數(shù)量，但是會使混凝土表面的小氣孔數(shù)量增加，這主要是由于引氣劑的加入雖然提高了混凝土拌合物的工作性能，但也增大了混凝土拌合物中的含氣量，使得混凝土表面出現(xiàn)大量小氣孔。先消后引法明顯降低了混凝土表面的氣孔數(shù)量，并且可以提高混凝土的工作性能，同時保證了混凝土的后期強度。先消后引法既克服了直接消泡法所帶來的混凝土工作性下降的問題，也很好地解決了直接引氣法對混凝土后期強度的損失問題，且明顯改善了混凝土的表觀質(zhì)量。

綜上，聚羧酸減水劑復(fù)配工藝中引氣方式對硬化后混凝土的表觀質(zhì)量有明顯影響，采用“先消后引”的引氣方式能先將混凝土中的劣質(zhì)氣泡消除，再引入氣泡直徑較小、均勻分布的氣泡，使得混凝土的氣泡質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài)，從而提高混凝土的表觀質(zhì)量[14]。

2.2 外加劑摻量對混凝土表觀質(zhì)量的影響

自密實清水混凝土表面氣孔的形成與許多影響因素有關(guān)，其中包括混凝土的配合比、振搗過程、外加劑摻量、模具類型、脫模劑性能以及施工過程等，是一個非常復(fù)雜的過程。為研究自密實清水混凝土最佳表觀質(zhì)量時的消泡劑和引氣劑摻量，本文依據(jù)正交試驗設(shè)計思路，固定其他條件不變，設(shè)計了12組不同消泡劑和引氣劑摻量的配合比，如表5所示。通過Image-pro-plus6.0軟件對自密實清水混凝土表面氣孔進(jìn)行灰度處理，并定性分析消泡劑和引氣劑摻量對自密實清水混凝土表觀質(zhì)量的影響。12組自密實清水混凝土的表面情況如圖2所示。

表5 不同消泡劑和引氣劑摻量設(shè)計 %

由圖2可以看出，在消泡劑摻量較少的1#～3#試樣，隨著引氣劑摻量的增加，表面孔洞的數(shù)量和面積明顯增大，并且在引氣劑摻量最多的3#試樣中出現(xiàn)了大氣孔，這說明在低摻量消泡劑的情況下，表面氣孔主要是由引氣劑引入的大量氣泡產(chǎn)生的。對于7#～8#試樣，在消泡劑摻量為0.05%時，混凝土的表面氣孔數(shù)量隨著引氣劑的增加其變化幅度明顯下降，這是因為這時消泡劑和引氣劑摻量比例使混凝土的含氣量與流動性達(dá)到了均衡水平的階段，并且表面比較光滑。對于11#試樣，在消泡劑摻量為0.07%時，混凝土表面又出現(xiàn)了大氣孔，其主要原因是在消泡劑摻量過多時，將引氣劑引入的大量微小氣泡消除，降低了混凝土的流動性，從而使混凝土的塑性黏度增大，氣泡在混凝土中的移動受到了阻礙，降低了氣泡破裂與排出的可能性，所以混凝土表面會出現(xiàn)尺寸較大及形狀不規(guī)則的氣孔。

為了進(jìn)一步對自密實清水混凝土表面質(zhì)量進(jìn)行定量分析，采用Image-pro-plus6.0軟件對圖2中12組混凝土表面進(jìn)行圖像處理，主要通過4個步驟：采集圖像→灰度處理→孔洞大小和面積分析→數(shù)值處理。12組試樣中直徑大于2 mm的孔洞面積比（自密實清水混凝土表面孔洞面積占總面積的百分比）以及不同尺寸孔洞數(shù)量如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可見，3#試樣的孔洞面積比最大，8#試樣的孔洞面積最小，并且直徑較大的氣孔大多出現(xiàn)在消泡劑過多或者過少的摻量時。這是因為在低摻量消泡劑作用下，引氣劑會直接影響混凝土表面孔洞大小，導(dǎo)致表面大氣孔較多；而當(dāng)消泡劑摻量過高時，混凝土表觀受消泡劑作用影響較大，導(dǎo)致混凝土的流動性降低，表面小氣孔增多。所以只有當(dāng)消泡劑和引氣劑摻量調(diào)配到一個最佳比例時，自密實清水混凝土的表觀質(zhì)量才能達(dá)到最好。

3 制備過程中出現(xiàn)的問題及解決措施

（1）在制備自密實清水混凝土過程中，加入復(fù)配后的聚羧酸減水劑后混凝土拌合物和易性不佳，出現(xiàn)質(zhì)量不穩(wěn)定、泌水離析等現(xiàn)象。這主要是由于自密實清水混凝土對工作性能要求高，若外加劑摻量不足，有可能會造成新拌混凝土黏稠，若外加劑摻量稍微過多，也很有可能造成混凝土拌合物的泌水離析，所以混凝土外加劑摻量的改變?nèi)菀自斐苫炷涟韬衔锕ぷ餍阅艿牟环€(wěn)定[15]。目前解決這項問題的通常做法是改變聚羧酸分子的結(jié)構(gòu)，通過側(cè)鏈來提高劣質(zhì)原材料中聚羧酸分子的減水率，從而保證混凝土拌合物的工作穩(wěn)定性。

（2）在聚羧酸減水劑實際應(yīng)用過程中，常出現(xiàn)聚羧酸減水劑變臭發(fā)黑等霉變問題，從而影響混凝土的表觀質(zhì)量。產(chǎn)生這一現(xiàn)象主要是因為聚羧酸減水劑自身呈弱酸性，相比其它種類減水劑更適宜微生物的繁衍，尤其在有陽光直射且周圍環(huán)境溫度較高時，聚羧酸減水劑的霉變會更加顯著。解決這一問題的主要措施就是加入防腐劑，但不能選擇對人體和周圍環(huán)境有害的防腐劑，也不能選擇影響聚羧酸分子結(jié)構(gòu)的防腐劑[16]。

（3）除了上述影響因素，自密實清水混凝土的配合比對其表觀質(zhì)量的影響也同樣重要。自密實清水混凝土配合比不僅要滿足工作性能與力學(xué)性能的要求，最重要是對其表觀質(zhì)量的影響。配合比主要包括水膠比、膠凝材料、用水量和砂率等參數(shù)，其中膠凝材料用量如果過大，會導(dǎo)致混凝土振搗后溫升過大和浮漿過厚而開裂；用水量過大則會造成泌水離析，從而導(dǎo)致色差和水紋水線等表觀缺陷；砂率過高會產(chǎn)生毛細(xì)裂縫，砂率過低會造成花斑紋和表面泌水[17]。

總之，混凝土原材料、配合比設(shè)計、拌合物性能和施工工藝控制環(huán)環(huán)相扣，只有實現(xiàn)對每一項流程進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量把控，才能保證自密實清水混凝土具有良好的表觀質(zhì)量，并制備出優(yōu)良的自密清水混凝土。

4 結(jié)論

（1）采用“先消后引”的引氣方式能先將混凝土中劣質(zhì)氣泡消除，再引入氣泡直徑較小、均勻分布的氣泡，使得混凝土的氣泡質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài)，從而提高混凝土的表觀質(zhì)量。

（2）當(dāng)消泡劑摻量小于0.05%時，混凝土的表觀性能主要受引氣劑影響較大，當(dāng)消泡劑摻量大于0.05%時，混凝土的表觀性能受消泡劑影響較大。

（3）聚羧酸減水劑、消泡劑、引氣劑三元體系的優(yōu)化調(diào)配，可以在保證混凝土自密實性能的同時，對混凝土的孔徑分布和大小進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)消泡劑摻量為0.05%、引氣劑摻量為0.01%時，混凝土表面的孔徑分布和大小均達(dá)到最佳狀態(tài)。