消泡劑對鋼渣砂聚合物砂漿性能的影響

楊 潔

上海同濟檢測技術有限公司

1 引言

目前，減水劑、乳膠粉、纖維素醚等化學外加劑是干混砂漿常用的添加劑，可明顯改善砂漿流動性、保水性以及力學性能等。但這些化學外加劑在使用過程中常在砂漿中引入過多的氣泡，對砂漿強度不利，甚至使砂漿表面出現明顯缺陷，影響施工質量。因此，消泡劑常用于干混砂漿制備中，以防止過量氣泡的產生，有利于砂漿粉料的潤濕。近些年，業內人士已關注到消泡劑在聚合物砂漿中的作用效果存在差異，以及對砂漿性能的影響規律[1-2]，并以此來作為消泡劑選擇的依據。

建國以來，我國經濟高速發展，鋼鐵產業作為基礎產業，發展迅猛，年產鋼量現居世界首位，鋼渣排放量也與日俱增，不容忽視。目前,我國鋼渣的綜合利用途徑主要集中在以下幾個方面：道路路基、回填材料、燒結配料、地面磚、建筑用墻體材料、鋼渣水泥、鋼渣粉作混凝土摻合料及鋼渣作細集料等。其中,鋼渣作細集料,代替天然砂制備砂漿可以大幅拓展鋼渣的綜合利用空間，解決自然砂石資源面臨枯竭的問題。很多學者也研究了鋼渣砂在抗裂砂漿、砌筑砂漿、地坪砂漿等干混砂漿中的應用，鋼渣砂作為細集料制備干混砂漿常存在級配不合理、需水量大，流動性差的問題，筆者也曾就此開展過相關研究，認為減水劑、乳膠粉等化學外加劑的使用可有明顯改善這些問題，但也帶來砂漿拌和物過量引氣的問題。因此，消泡劑在鋼渣砂類聚合物砂漿中的作用效果及對砂漿性能的影響，有待進一步探討。

本文研究了消泡劑對鋼渣砂聚合物砂漿的流動性、含氣量、抗折強度和抗壓強度的影響，并分析了作用機理，以期對拓寬鋼渣應用領域起到一定的指導和借鑒作用。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

試驗中采用的水泥為52.5 級P·Ⅱ水泥，來自上海三航小野田水泥有限公司，比表面積為370m2/kg。細集料為鋼渣砂，經熱悶法工藝處理的轉爐鋼渣，來自上海寶鋼集團，堆積密度為1910kg/m3，顆粒級配為：粒徑＜0.315mm，占比25.0%；粒徑為0.315mm～0.63mm，占比22.5%；粒徑為0.63mm～1.25mm 占比10.5%；粒徑為1.25mm～2.5mm，占比12.6%；粒徑為2.5mm～5.0mm 占比29.4%。減水劑采用聚羧酸系減水劑，粉末狀，上海高鐵化工有限公司生產。乳膠粉采用瓦克化學(中國)有限公司生產的5010N；消泡劑來自德國明凌化工集團，白色粉狀，代號P803，密度為340g/L，灰度為34%（800℃），PH值為7.2（20°C DIN ISO 976，1%IN DIST，水）；拌和水為自來水。

2.2 試驗配比

試驗所設計的鋼渣砂聚合物砂漿灰砂比（質量比）為1：3，水灰比為0.39，聚羧酸系減水劑摻量為水泥質量的0.25%，乳膠粉摻量為水泥質量的2.0%。消泡劑摻量分別為水泥質量的0，0.03%，0.05%，0.08%和0.10%，具體配合比如表1所示。

表1 鋼渣砂聚合物砂漿配合比

2.3 試驗方法

砂漿擴展度測試根據標準GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行；含氣量測試參照標準JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》中的方法進行；砂漿抗壓強度和抗折強度測試依據標準GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗法（ISO法）》，測試齡期分別為3d、7d和28d。

3 結果與討論

3.1 消泡劑對鋼渣砂聚合物砂漿含氣量的影響

圖1 消泡劑對鋼渣砂聚合物砂漿含氣量的影響

圖1為不同消泡劑摻量下鋼渣砂聚合物砂漿的含氣量。由圖1可以看出，消泡劑摻量為0.03%時，砂漿的含氣量明顯降低，降低幅度高達45.7%；當消泡劑摻量繼續增加時，砂漿的含氣量雖隨之降低，但降低幅度有所減緩，當摻量由0.05%增至0.10%時，砂漿含氣量僅降低了2%。

由于鋼渣砂聚合物砂漿中的所用的減水劑為聚羧酸系減水劑，可明顯降低漿體液—氣界面張力，易于在砂漿攪拌過程中形成許多微小氣泡，因而具有一定的引氣性；孫振平等[1]認為，消泡劑與減水劑互溶性較好時，消泡作用明顯，反之則效果不佳；再者，乳膠粉的摻加，除改善砂漿的流動性外，也具有一定的引氣作用。在圖1中可明顯看出，消泡劑在鋼渣砂聚合物砂漿中的作用明顯，顯著降低了砂漿的含氣量，說明消泡劑P803 與砂漿中的外加劑互溶性良好。

3.2 消泡劑對鋼渣砂聚合物砂漿流動度的影響

圖2 消泡劑對鋼渣砂聚合砂漿流動度的影響

不同消泡劑摻量下鋼渣砂聚合物砂漿流動度如圖2 所示。由圖2可以看出，消泡劑摻量為0.03%時，砂漿流動度顯著降低，由原來的220mm 將至160mm；之后，隨消泡劑摻量的增加，砂漿的流動度逐漸緩慢增加，消泡劑摻量增至0.1%時，砂漿流動度為180mm。

聚羧酸系減水劑在砂漿攪拌過程中引入的微小氣泡，處于水泥顆粒之間有助于水泥顆粒的分散，起到一定的減水的作用，由于消泡劑摻入，尤其摻量0.03%時大幅降低了砂漿中的含氣量，在一定程度上削弱了微小氣泡的減水作用，從而致使砂漿流動度大幅降低；雖乳膠粉也有一定引氣和改善砂漿流動度的作用，但在韓冬冬等[5]的研究中，發現乳膠粉摻量不大于4%時，砂漿含氣量明顯增加，但砂漿流動度變化不明顯；還有研究表明，消泡劑的摻加，可明顯改善摻乳膠粉的自流平砂漿的流動度。本文中消泡劑少量摻加時對砂漿流動度不利，主要是因為消除了具有減水作用的微小氣泡，之后增加摻量后，由于和乳膠粉的協同作用，在一定程度上改善了砂漿流動度。

3.3 消泡劑摻量對鋼渣砂聚合物砂漿強度的影響

圖3 消泡劑對鋼渣砂聚合物砂漿抗折強度的影響

圖3為消泡劑對鋼渣砂聚合物砂漿抗折強度的影響。由圖3可以看出，消泡劑摻量為0.03%時，不論早期強度（3d和7d），或后期強度(28d)都明顯增加，其中28d 抗折強度由12.8MPa 增至15.5MPa；當消泡劑摻量不斷增加至0.10%時，3d、7d 和28d 抗折強度變化規律有所不同，其中3d的抗折強度隨消泡劑摻量的增加而緩慢增長，但當摻量增加至0.10%時，抗折強度略有降低；7d 的抗折強度隨消泡劑摻量的增加而不斷增長，當摻量為0.10%時，增至12.8MPa；28d的抗折強度則隨消泡劑摻量的增加而不斷降低，當摻量為0.10%時，降至14.3MPa，仍略高于未摻者。

圖4 消泡劑對鋼渣砂聚合物砂漿抗壓強度的影響

圖4為消泡劑對鋼渣砂聚合物砂漿抗壓強度的影響見。由圖4可以看出，消泡劑摻量為0.03%時，不論早期強度（3d和7d）,或后期強度（28d）都有明顯增長，分別提高了34.4%、22%和50.8%；之后隨消泡劑摻量的增加，鋼渣砂漿的抗壓強度增長緩慢，相對于摻量0.03%時，當摻量增至0.10%，砂漿3d、7d 和28d抗壓強度分別增長了9.2%、11.4%和7.1%。

結合以上內容分析，消泡劑摻量為0.03%時，大幅降低了砂漿含氣量，增加砂漿的密實度，因此砂漿強度出現大幅增長的現象。究其根本，消泡劑是一種表面張力低的活性表面劑，其作用在于抑制砂漿中氣泡的產生，或者降低砂漿液相的黏度，促使氣泡液膜失去彈性，從而加速液體滲出，致使氣泡液膜破裂。

消泡劑的加入，由于液膜結構遭到破壞，故漿體含氣量降低，鋼渣顆粒和水泥漿體相互搭接，因而流動度減小；隨消泡劑摻量的增加，聚合物顆粒發揮滾珠效應[22]，使得漿體流動性得到改善。在一定摻量范圍內，消泡劑降低含氣量，使得砂漿密實程度提高，孔結構得到改善，因而抗壓和抗折強度大幅度增加。而消泡劑摻量過多時，其達到臨界膠團濃度之后消泡能力受到影響[6]，故抗壓強度和抗折強度會不再增加甚至略微下降。

4 結論

本文研究了消泡劑對鋼渣砂聚合物砂漿含氣量、流動度以及強度的影響，分析了消泡劑與聚合物砂漿中化學外加劑的協調作用機理，以及對強度的影響規律，得到如下結論：消泡劑摻量（0.03%）適當時，可使砂漿含氣量顯著降低，同時砂漿強度大幅提高，但砂漿流動度也有一定程度的降低；當消泡劑摻量高于0.03%時，隨其摻量的增加，砂漿含氣量卻隨之降低，但降低幅度減小，砂漿流動度隨之有所增長，砂漿強度除28d抗折強度有所下降，其他齡期不論抗折或抗壓（3d、7d和28d）都有不同程度的增加；鋼渣砂聚合物砂漿中消泡劑的使用，需考慮與其他化學外加劑（減水劑、乳膠粉）的協同效應。