聚羧酸減水劑對水泥基飾面砂漿泛堿性能的影響

張國防， 王 聰， 王肇嘉， 王 博， 黃天勇

（1.同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804； 2.同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804； 3.上海市水務(wù)局城市管網(wǎng)智能評估與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，上海 201900；4.北京建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100041）

水泥基飾面砂漿具有施工便捷高效、裝飾效果豐富、與墻體基材相容性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的墻體飾面材料，但因其易產(chǎn)生泛堿現(xiàn)象制約了推廣應(yīng)用［1-3］.已有研究大多聚焦于水泥基飾面砂漿泛堿性能及其抑制技術(shù)方面.王培銘等［4-5］采用鋁酸鹽水泥部分或完全替代硅酸鹽水泥制備了水泥基飾面砂漿，但并不能完全抑制其泛堿現(xiàn)象.張靈等［6-7］利用礦渣微粉、偏高嶺土及鋼渣粉等摻和料替代部分水泥，在一定程度上改善了飾面砂漿的泛堿性能.楊正宏等［8］研究發(fā)現(xiàn)，用水量不同也影響硅酸鹽水泥的泛堿性能.一些化學(xué)外加劑可以改善水泥基飾面砂漿的泛堿性能.有機(jī)硅憎水劑能明顯抑制水泥基飾面砂漿的泛堿現(xiàn)象，這與其Ca（OH）2含量和表面堿浸出率的降低有關(guān)［8］.引氣劑則是通過顯著減少小毛細(xì)孔含量，抑制可溶性組分遷移，從而抑制水泥基飾面砂漿的泛堿現(xiàn)象［9］.消泡劑能降低水泥基飾面砂漿的泛堿程度［10］，這與其能降低水泥砂漿吸水量和改善孔結(jié)構(gòu)有關(guān)［10-11］.

作為一種常用的化學(xué)外加劑，聚羧酸減水劑被應(yīng)用于水泥基飾面砂漿中，目的是改善水泥基飾面砂漿的工作性，并提高其物理力學(xué)性能［12］.然而聚羧酸減水劑對水泥基飾面砂漿泛堿性能的影響鮮有報道.因此，本文主要探討了聚羧酸減水劑對水泥基飾面砂漿泛堿性能的影響，并分析了摻入聚羧酸減水劑的情況下水泥基飾面砂漿泛堿性能與孔結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，以期為制備性能優(yōu)良的水泥基飾面砂漿提供一定的技術(shù)支撐.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為阿爾博波特蘭有限公司生產(chǎn)的52.5R白色硅酸鹽水泥（WPC），其化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文涉及的組成、摻量、比值等除特殊說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比）、物理性能分別見表1、2；聚羧酸減水劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA-300P粉狀聚羧酸減水劑（PCE），水溶性固體粉末；瓦克化學(xué)（中國）有限公司生產(chǎn)的乙烯-醋酸乙烯酯可再分散乳膠粉（RDP）；陶氏化學(xué)（中國）有限公司生產(chǎn)的羥乙基甲基纖維素（HEMC），黏度為15 000 mPa·s，水 溶 性 固 體 粉 末；粒 徑 為150～380 μm的石英砂；德國朗盛顏料公司生產(chǎn)的氧化鐵紅顏料（FPT）；水為去離子水.

表1 WPC的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of WPC w/%

1.2 配合比

水泥飾面砂漿（下文簡稱飾面砂漿）的膠砂比為1∶4.RDP、HEMC的摻量分別為水泥質(zhì)量的10.0%、0.3%；為了便于觀察和分析泛堿面積，摻入FPT顏料使得飾面砂漿顏色為紅色，其摻量為膠凝材料質(zhì)量的3.0%；減水劑摻量wPCE（以水泥的質(zhì)量計）分別為0%（基準(zhǔn)組）、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%；控制飾面砂漿的流動度為（170±5） mm，用水量根據(jù)流動度相應(yīng)調(diào)整.飾面砂漿的配合比見表3.

表2 WPC的物理性能Table 2 Physical properties of WPC

表3 飾面砂漿的配合比Table 3 Mix proportions of decorative mortar

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 泛堿面積

根據(jù)JC/T 1024—2019《墻體飾面砂漿》，將攪拌好的飾面砂漿涂抹在150 mm×70 mm×5 mm的水泥纖維板上（板表面提前用苯丙乳液密封處理），涂抹厚度為（5±1） mm，然后將試件置于（23±2） ℃、相對濕度為（50±5）%下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期.

初次泛堿面積SF的測試步驟為：將試件養(yǎng)護(hù)1 d后，浸入去離子水中8 h；取出晾干后，觀察試件表面泛堿情況；用數(shù)碼相機(jī)采集數(shù)字圖像，并利用圖像處理軟件Image-Pro Plus 6.0計算SF.

二次泛堿面積SS的測試步驟為：將初次泛堿面積測試試件分別再養(yǎng)護(hù)至7、28 d后，浸入去離子水中8 h；取出晾干后，觀察試件表面泛堿情況；用數(shù)碼相機(jī)采集數(shù)字圖像，并利用圖像處理軟件Image-Pro Plus 6.0計算SS.

SF、SS均為飾面砂漿發(fā)生泛堿現(xiàn)象的面積與其總面積的比值.

1.3.2 毛細(xì)孔吸水量

根 據(jù)JC/T 1024—2019標(biāo) 準(zhǔn)，成 型40 mm×40 mm×160 mm的飾面砂 漿 試 件，并置于（23±2） ℃、相對濕度為（50±5）%下養(yǎng)護(hù).養(yǎng)護(hù)至7、28 d后，將試件置于60 ℃的烘箱內(nèi)干燥至恒重，冷卻后將除上下表面外的4個側(cè)面用石蠟密封，稱重并記作初始質(zhì)量m0；接著將試件上表面倒扣浸入水中2～3 mm，同時開始計時，根據(jù)吸水48 h后的試件質(zhì)量變化，計算得到其單位面積吸水量WS.

1.3.3 微觀形貌

采 用Quantachrome公司 的Pore master GT-60型自動壓汞儀（MIP）、Zeiss公司生產(chǎn)的Gemini型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）以及光學(xué)顯微鏡對飾面砂漿進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)和微觀形貌測試.測試樣品為養(yǎng)護(hù)28 d的飾面砂漿：先將其破碎成粒徑5～8 mm的顆粒，然后用無水乙醇浸泡7 d以終止水化，并置于40 ℃真空恒溫干燥箱內(nèi)烘干至恒重.

2 結(jié)果與討論

2.1 PCE對飾面砂漿泛堿面積的影響

2.1.1 初次泛堿

初次泛堿通常發(fā)生在飾面砂漿凝結(jié)硬化后的早齡期階段［9］.PCE摻量對飾面砂漿初次泛堿面積的影響見圖1.由圖1可見：未摻PCE的基準(zhǔn)飾面砂漿表面出現(xiàn)較為明顯的泛堿現(xiàn)象，初次泛堿面積較大（達(dá)17%）；摻入PCE后，飾面砂漿初次泛堿現(xiàn)象變輕，初次泛堿面積明顯減小，且隨著PCE摻量的增大，初次泛堿面積逐漸減?。划?dāng)wPCE＞0.6%時，飾面砂漿初次泛堿面積接近于0.綜上，PCE可有效抑制飾面砂漿發(fā)生初次泛堿現(xiàn)象，且隨著其摻量的增大，抑制效果顯著增強(qiáng).

圖1 PCE摻量對飾面砂漿初次泛堿面積的影響Fig.1 Effect of wPCE on primary efflorescence area of decorative mortars

2.1.2 二次泛堿

二次泛堿通常是指在飾面砂漿硬化后的中后齡期階段，隨著飾面砂漿內(nèi)部離子的遷移并累積在其表面而產(chǎn)生的泛堿現(xiàn)象［9-10］.PCE摻量對飾面砂漿二次泛堿面積的影響見圖2.由圖2可見：PCE摻量變化對養(yǎng)護(hù)7、28 d的飾面砂漿二次泛堿面積的影響規(guī)律基本相同，隨著PCE摻量的增大，飾面砂漿二次泛堿面積均逐漸降低；與基準(zhǔn)組相比，wPCE=0.4%的飾面砂漿7、28 d的二次泛堿面積分別降低了79.2%、63.2%，而wPCE=0.6%的飾面砂漿二次泛堿面積降幅分別達(dá)到83.7%、76.7%；wPCE=1.0%的飾面砂漿甚至未出現(xiàn)二次泛堿現(xiàn)象.由此可見，PCE能有效抑制飾面砂漿的二次泛堿現(xiàn)象，且隨著其摻量的增大，抑制效果逐漸增強(qiáng).

圖2 PCE摻量對飾面砂漿二次泛堿面積的影響Fig.2 Effect of wPCE on secondary efflorescence area of decorative mortars

2.2 PCE對飾面砂漿毛細(xì)孔吸水量的影響

PCE摻量對飾面砂漿毛細(xì)孔吸水量的影響見圖3.由圖3可見：養(yǎng)護(hù)7、28 d的飾面砂漿毛細(xì)孔吸水量均隨著PCE摻量的增大而逐漸減??；當(dāng)wPCE從0%增大至0.4%時，養(yǎng)護(hù)7 d的飾面砂漿毛細(xì)孔吸水量從1.63 kg/m2降 低 到0.93 kg/m2，降幅 達(dá)42.9%，而養(yǎng)護(hù)28 d的飾面砂漿毛細(xì)孔吸水量從1.83 kg/m2降低至0.95 kg/m2，降幅達(dá)48.1%；當(dāng)wPCE＞0.4%時，隨著PCE摻量的增大，飾面砂漿毛細(xì)孔吸水量變化不大，且養(yǎng)護(hù)齡期的影響也可忽略不計.這表明PCE能夠明顯降低飾面砂漿的毛細(xì)孔吸水量.

圖3 PCE摻量對飾面砂漿毛細(xì)孔吸水量的影響Fig.3 Effect of wPCE on capillary water absorption of decorative mortars

飾面砂漿二次泛堿面積與毛細(xì)孔吸水量的關(guān)系見圖4.由圖4可見，摻加PCE的飾面砂漿二次泛堿面積與毛細(xì)孔吸水量之間呈很好的線性正相關(guān)性，隨著毛細(xì)孔吸水量的增大，其二次泛堿面積逐漸增大.這說明飾面砂漿毛細(xì)孔吸水量是影響其二次泛堿面積大小的關(guān)鍵因素，而毛細(xì)孔吸水量大小與開口毛細(xì)孔數(shù)量的多少呈正相關(guān).由此可見，聚羧酸減水劑使飾面砂漿開口毛細(xì)孔數(shù)量和毛細(xì)孔吸水量降低，是飾面砂漿二次泛堿面積減小的原因之一.

圖4 飾面砂漿二次泛堿面積與毛細(xì)孔吸水量的關(guān)系Fig.4 Relationship between the secondary efflorescence areaand capillary water absorption of decorative mortars

2.3 飾面砂漿的孔結(jié)構(gòu)

水泥砂漿的孔結(jié)構(gòu)是影響其毛細(xì)孔吸水量的重要因素［13-14］.水泥砂漿內(nèi)的孔隙，根據(jù)孔徑d可分為凝膠孔（d＜10 nm）、小毛細(xì)孔（d=10～50 nm）、大毛細(xì)孔（d=50 nm～1 μm）和氣孔（d＞1 μm）［15］.為了進(jìn)一步探討飾面砂漿泛堿性能與孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系，對養(yǎng)護(hù)28 d的飾面砂漿，用MIP測試了其孔結(jié)構(gòu)，用光學(xué)顯微鏡和SEM測試了其表面形貌和內(nèi)部微觀形貌.

PCE摻量對飾面砂漿孔徑分布曲線及孔結(jié)構(gòu)的影響分別見圖5及表4.由圖5及表4可見：摻加PCE后，飾面砂漿的孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化；與基準(zhǔn)飾面砂漿相比，隨著PCE摻量的增大，飾面砂漿孔隙率（體積分?jǐn)?shù)）逐漸減小，最可幾孔徑和中值孔徑也顯著降低，氣孔減少，而凝膠孔、小毛細(xì)孔以及大毛細(xì)孔增多；與基準(zhǔn)飾面砂漿相比，wPCE為0.2%、1.0%的飾面砂漿大小毛細(xì)孔含量增幅分別為25%、46%.飾面砂漿的SEM照片見圖6.由圖6可見，PCE的摻入使飾面砂漿的氣孔明顯減少.綜上，PCE在一定程度上能細(xì)化飾面砂漿的孔結(jié)構(gòu)，提高其密實(shí)程度.

圖5 PCE摻量對飾面砂漿孔徑分布曲線的影響Fig.5 Effect of wPCE on pore distribution of decorative mortars

表4 PCE摻量對飾面砂漿孔結(jié)構(gòu)的影響Table 4 Effect of PCE content on pore structure of decorative mortars

圖6 飾面砂漿的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of decorative mortars

飾面砂漿的表面孔隙狀況見圖7.由圖7可見：摻入PCE后，飾面砂漿的表面孔隙數(shù)量明顯減少；隨著PCE摻量的增大，飾面砂漿的表面孔隙數(shù)量變少，密實(shí)度增大.這表明PCE在一定程度上改善了飾面砂漿的表面孔隙狀況.

圖7 飾面砂漿的表面孔隙狀況Fig.7 Pores on the surfaces of decorative mortars

結(jié)合飾面砂漿的表面孔隙狀況、孔結(jié)構(gòu)以及毛細(xì)孔吸水量變化情況，可知：PCE使飾面砂漿內(nèi)部毛細(xì)孔增多，但毛細(xì)孔吸水量降低，這可能是由于PCE使飾面砂漿內(nèi)毛細(xì)孔多為封閉孔；PCE還明顯降低了飾面砂漿表面及內(nèi)部的氣孔數(shù)量.

綜上，PCE顯著降低了飾面砂漿的內(nèi)部大孔、連通毛細(xì)孔隙和表面孔隙數(shù)量，減少了飾面砂漿內(nèi)部泛堿物質(zhì)向其表面遷移的通道，從而能顯著降低飾面砂漿的泛堿現(xiàn)象，提高飾面砂漿的抗泛堿性能.

3 結(jié)論

（1）聚羧酸減水劑能使飾面砂漿初次泛堿面積及二次泛堿面積大幅減小，其摻量大于0.6%后，飾面砂漿表面基本無泛堿現(xiàn)象.

（2）摻入聚羧酸減水劑后，飾面砂漿二次泛堿面積與毛細(xì)孔吸水量呈現(xiàn)出較好的線性正相關(guān)性，表現(xiàn)為飾面砂漿毛細(xì)孔吸水量減小，相應(yīng)的二次泛堿面積也減小.

（3）聚羧酸減水劑顯著改善了飾面砂漿的孔結(jié)構(gòu)，使飾面砂漿的孔隙率、氣孔含量以及表面孔隙數(shù)量明顯減少，降低了飾面砂漿內(nèi)部連通毛細(xì)孔數(shù)量，使得毛細(xì)孔以封閉孔隙為主，從而導(dǎo)致水分和離子向砂漿表面的遷移通道減少，顯著降低了飾面砂漿泛堿現(xiàn)象，提高了其抗泛堿性能.

致謝：特別感謝同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料測試中心實(shí)驗(yàn)室于龍老師、張震雷老師在微觀測試分析中的幫助和支持.