消泡剂与花岗岩石粉掺量对高性能混凝土性能的影响_孙涛.pdf

：消泡剂与花岗岩石粉掺量对高性能混凝土性能的影响孙涛，朱国军，隋玉朋，任广博，秦哲焕（中国二十二冶集团有限公司，唐山 ；武汉三源特种建材有限责任公司，武汉 ；河南驻马店市住房和城乡建设局，驻马店 ）摘要：聚醚改性有机硅消泡剂、花岗岩石粉的掺量会对超高性能混凝土（）的物理性能、收缩性能、抗压强度产生影响。研究进行试验测试，并通过超景深显微镜对 气泡总量、平均孔径及孔径分布进行观察分析。结果表明，水胶比固定花岗岩石粉一定掺量范围内促进 孔隙细化，石粉滚珠润滑作用提升 的物理和易性能、降低含气量、提高密度、改善早期自收缩性能、抗压强度未降低；优化花岗岩石粉掺入量后，调控聚醚改性有机硅消泡剂掺入促使花岗岩石粉 中泡沫破裂，颗粒堆积更为紧密、密度提高、结构紧密、气泡总量降低、平均孔径更小及孔径分布也更合理。关键词：有机硅消泡剂；花岗岩石粉；高性能混凝土；混凝土性能；气孔 ，（，；，；，）：，（），：；收稿日期：基金项目：年河北省建设科技研究项目指导性计划（）和 年河南省住房城乡建设科技计划项目（）作者简介：孙涛（），高级工程师 ：通讯作者：朱国军（），硕士，正高级工程师 ：混凝土优质原材料紧缺，原材料质量性能有劣化趋势；同时，混凝土性能要求越来越高，超高性能混凝土（）是由水泥、矿物掺合料、细集料、高强短细纤维和减水剂等加水拌合，经凝结硬化后形成的一种具有超高强度、高韧性、高耐久性能的水泥基复合材料。目前，花岗岩石粉是通过对母体岩石进行加工制备建材产生的锯粉，花岗岩石粉是小于 的细小颗粒。将花岗岩板材石粉开发成补充的辅助胶凝材料，建材世界 年第 卷第期解决传统矿物掺合料匮乏的问题是混凝土行业所关注的热点。等认为掺入机制砂生产的自密实混凝土（）具有更高的强度，因为机制砂中大量石粉的填充作用增强了混凝土的力学性能。等认为机制砂中的细石粉有利于提高混凝土的长期抗压强度。制备 常规工艺是首先将骨料、胶凝材料、增强纤维等固态混合物倒入搅拌机进行搅拌，然后再加水和减水剂搅拌直至成为流态混凝土。王德辉等发现使用常规辅助性胶凝材料取代水泥和硅灰，在普通工艺下也可制备出满足性能要求的超高性能混凝土。丁沙等通过常规工艺条件，降低钢纤维掺量，采用常规河砂，碎石等替代型原材料制备出经济型，力学性能和耐久性能相比普通混凝土均得到大幅提高。工程上消泡剂组成主要有聚醚改性有机硅活性成分、乳化剂、载体和乳化助剂，其中活性成分为最主要的核心部分，起到破泡、减小表面张力作用；乳化剂是使活性成分分散成小颗粒，以便于更好地分散到油或者水中，起到更好的消泡效果。论文研究聚醚改性有机硅消泡剂与花岗岩石粉掺量对高性能混凝土物理性能、收缩性能、抗压强度和吸水率微观孔结构的影响。试验）原材料水泥：湖北华新水泥股份有限公司生产的 级普通硅酸盐水泥（）。粉煤灰：湖北武汉青山电厂生产的类级粉煤灰，方孔筛筛余率为 。矿粉：武新新型建材有限公司生产的 级粒化高炉矿渣粉，比表面积为 。花岗岩石粉：湖北麻城石材加工厂产生；减水剂：武汉三源特种建材有限责任公司生产的聚羧酸减水剂，减水率 ；消泡剂：山东聚醚改性有机硅消泡剂，实验室预混 固含量。细骨料：湖北麻城生产的以 为主要成分的花岗斑岩机制砂，水：武汉市普通自来水。）试验方法物理性能试验参照 水泥基灌浆材料应用技术规程（）的规定进行流动度试验，参照 建筑砂浆基本性能试验方法标准 的规定进行密度试验，参照 的相关要求进行含水率的试验。收缩试验、抗氯离子渗透试验参照 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（）中的非接触法测定混凝土的早龄期自由收缩变形，采用电通量法测定 龄期时混凝土的抗氯离子渗透性能。抗压强度试验参照 混凝土物理力学性能试验方法标准（）进行混凝土抗压强度测试，制作棱长为 的立方体试件，标准养护至和。孔结构试验将 试块标准养护 后，取 的样品进行处理后，采用超景深显微镜 观测、采集样品表面气泡图像样本。采集的图像样本经图像分析软件处理后，统计分析得出气泡总含量、平均孔径和孔径分布等特征参数。）混凝土配合比花岗岩石粉掺量分别为胶凝材料总质量的、。确定最佳掺入量后，加入消泡剂、；通过调整聚羧酸高性能减水剂用量，使混凝土拌合物流动度为（），研究花岗岩石粉含量对混凝土性能的影响。基准组混凝土强度设计等级为 ，不同石粉含量的超高性能混凝土配合比见表。表超高性能混凝土配合比代号水泥粉煤灰矿粉细骨料花岗岩石粉水减水剂消泡剂 建材世界 年第 卷第期结果与分析 物理性能不同掺量花岗岩石粉和消泡剂高性能混凝土的流动度、密度及含气量结果见表。由表可知，基准混凝土 的流动度在 时含气量在，随花岗岩石粉量增加，其 的单位体积密度增大，密实结构提升；同时流动度值在 处于峰值，流动度随花岗岩石粉掺量 的增加是增大的，含气量也降低到最小值，认为花岗岩石粉起到“滚珠”、“润滑”作用提高流动度值，花岗岩石粉有效填补 的孔隙，降低孔隙率。但其掺量、超过 以后，其同水胶比下的流动度降低，含气量增加；分析水胶比不变粉体掺量增加，其表面积增大导致水不均匀覆盖在颗粒表面，润滑减效；花岗岩石粉含量达到临界值，该临界值与 的结构设计有关，结构体系已较为密实，花岗岩石粉的填充效应过饱和，如 高性能混凝土。因此，掺加一定量的花岗岩石粉有利于改善 的物理性能，但应当根据 结构设计确定其花岗岩石粉掺量，当其含量超过临界值时，则适得其反。表超高性能混凝土（）物理性能代号花岗岩石粉消泡剂密度（）流动度含气量 确定 后，聚醚改性有机硅消泡剂掺量 内，随消泡剂的增加，其 的密度增加，流动度先增加后降低，消泡剂掺量为 时 的流动度最大、含气量为；表明掺入适量的消泡剂可消除花岗岩石粉 中的大直径气泡，有效降低浆体的表面张力，提升花岗岩石粉 的流动度；大直径气泡的灭失引入更多拌和物填充空间，故而含气量降低，密度提升。聚醚改性有机硅消泡剂掺量 增加，消泡剂导致过多微气泡相继破裂而不能促进 拌和物润滑，流动度减小。适量的消泡剂的消泡与抑泡作用可降低混凝土的含气量，但消泡剂掺量超过一定量时，混凝土含气量反而增加。体积收缩 的收缩较难克服，因此进行非接触法测试 早期体积收缩对于评定混凝土性能尤为必要。试验结果如图所示，为基准混凝土的收缩率，随花岗岩石粉掺入量增加 收缩率不断减小；说明随着花岗岩石粉含量的增加，超高性能混凝土的早期收缩率有所降低。收缩说明内部存在大量微细空间，花岗岩石粉颗粒更细，随着花岗岩石粉的掺加，有效弥补结构缺陷，使得结构堆积更为紧密；花岗岩石粉替代矿粉，降低了水泥水化反应程度，并减缓混凝土的水化产物的集中形成。即花岗岩石粉减缓了水泥水化产物的生成，导致混凝土早期收缩率随花岗岩石粉含量的增加而降低；由于石粉含量增加，变得致密，混凝土比表面增大，水很难均匀分布导致水化不足自收缩减缓。由图发现，添加聚醚改性有机硅消泡剂有利于 早期自收缩的降低；随着聚醚改性有机硅消泡剂掺量的递增其 自收缩程度减小；为基准样，级配中存有大量孔隙，内部颗粒小比表面积大，集中水化后 前自收缩严重；内部矿粉被更细的花岗岩石粉替代，其惰性组分有效减缓了水泥水化进程；聚醚改性有机硅消泡剂表面张力低，易进入液膜并扩展，降低液膜表面张力，内部受力不均匀，失去自我修复能力从而导致其破裂。因此 内大直径泡破裂消失，空间结构趋于紧密，破泡后的水补充到颗粒体系中进一步起到润滑紧密作用，也是自收缩的程度降低的原因。建材世界 年第 卷第期抗压强度抗压强度进行和 试验，的、达到 和 以上，表明 满足要求。图为花岗岩石粉取代矿粉掺量时，混凝土抗压强度值变化情况。随花岗岩石粉掺量增加，活性掺合料减少，的抗压强度增高，开始降低；认为花岗岩石粉的掺量在左右，可以对等取代活性掺合料而不影响 强度。花岗岩石粉虽没有矿粉的活性高，但内部组分仍存在活性，取代后减缓水化进程，减少自收缩的同时，并未对 的和 强度产生过大影响；同时，石粉填充作用和成核作用依然在增强，花岗岩石粉的骨料作用和细颗粒分散作用促进结构密实，有益于 强度增加，的 强度达到 以上。而随着矿粉和粉煤灰活性掺合料的取代，导致水化活性材料的减少，惰性组分的增加。水化交联相对脆弱，虽然紧密但强度不够高；花岗岩石粉含量达到临界值后混凝土强度随石粉含量的增加而降低，。也表明过量的石粉也可能会导致混凝土强度降低，因为过量的石粉会导致混凝土各粒径骨料间最紧密堆积结构被破坏，从而导致混凝土强度降低。图中与花岗岩石粉含量为的混凝土 相比，聚醚改性有机硅消泡剂的加入促使拌和物的泡破裂，花岗岩石粉和水增加了拌和物的和易性、结构密实，促进 和 强度。对比 ，、聚醚改性有机硅消泡剂掺量为、；强度变化为、；杨海峰等 研究发现超过最佳石粉含量范围后，界面过渡区中的水化产物减少，砂浆与骨料间的粘结变得薄弱，不利于强度发展。消泡剂促进泡沫破灭，成泡水进入花岗岩石粉和胶浆界面，增厚粘结层强度增加。但在聚醚改性有机硅消泡剂 后，其强度出现波动值，分析认为聚醚改性有机硅消泡剂的消泡作用 左右达到消泡效果，进一步添加消泡剂后消泡成分过饱和。吸水率与孔结构标养 将花岗岩石粉 试块取出，参照 规定的试验方法分别测 的吸水率，每间隔测试一次。掺加不同掺量的花岗岩石粉和消泡剂的 的吸水率测试结果见图、图。由图可知，的花岗岩石粉 吸水率随时长的增加先逐渐增加后趋于稳定，当吸水时间为 时花岗岩石粉 的吸水率最高，此后吸水率基本保持不变。在相同的吸水时长下，随花岗岩石粉掺量的增加，花岗岩石粉 的吸水率先降低后增加。与 的自收缩和抗压强度的规律一致，的 级配结构致密补强，吸水率降低；、胶浆相对少，导致密实性变差，吸水率反而增大。图显建材世界 年第 卷第期示，在聚醚改性有机硅消泡剂的作用下，其 的吸水率降低，表面消泡剂的掺加利于结构的致密；但、掺量的聚醚改性有机硅消泡剂吸水率没有继续降低，反而有所增加。图、图为不同掺量石粉和消泡剂 的含气量和平均孔径关系图。图是没有消泡剂掺加下的 试样，随花岗岩石粉的掺量增加含气量降低，但气泡孔径下降到 最低后有所增加；气泡的平均孔径最小值在 左右，说明花岗岩石粉的掺加有效改善级配结构，使得水胶比中的水发挥最佳润滑作用，但过量花岗岩石粉替代导致颗粒表面水膜变薄，润滑效应下降，平均孔径增大；花岗岩石粉添加并未消泡而是优化颗粒级配堆积结构，从而促进孔径下降。图则是在聚醚改性有机硅消泡剂的掺加下孔径变化图，发现在聚醚改性有机硅消泡剂作用下 的含气量并未显著下降，但平均孔径下降显著；表面聚醚改性有机硅消泡剂能够有效破除泡沫，破坏泡沫壁的表面张力，进而消除泡沫起到消泡作用；即聚醚改性有机硅消泡剂掺量在 时平均孔径值最低，但聚醚改性有机硅消泡剂掺量过多，平均孔径并未继续降低，分析表明聚醚改性有机硅消泡剂只能对一定孔径级别的泡沫进行破坏，而对过小尺寸的泡沫作用有限。图、图 进一步了解 微观孔径分布及变化演变。在、样本即花岗岩石粉掺量、时，发现花岗岩石粉的掺加 以上的孔径占比明显减小，而 占比升高最多，其次是 的气泡；花岗岩石粉的颗粒集聚在砂骨料的附近有效填充砂与砂的间隙，因此 以上的孔径占比明显减小；过量的花岗岩石粉导致水膜变薄，拌合性降低，孔隙间加大。图 可知，随着聚醚改性有机硅消泡剂掺量的增加，花岗岩石粉 内 以下孔径的气泡比例先逐渐增加，以下孔径的气泡比例先逐渐增加后略有下降。聚醚改性有机硅消泡剂最佳掺量为 时，以上孔径的气泡比例降为；聚醚改性有机硅消泡剂最佳掺量为 时，以上孔径的气泡比例降为；聚醚改性有机硅消泡剂能有效破除 以上的泡沫，但对 的泡沫未能有效体现消泡能力，过量掺加聚醚改性有机硅消泡剂对消泡作用有限。结果显示聚醚改性有机硅消泡剂最佳掺量为 时，以下孔径的气泡比例最高。采用聚醚消泡剂可使海砂 内 以上孔径的气泡比例降到更低，以下孔径的气泡比例达到最高，花岗岩石粉 采用聚醚消泡剂的内气泡结构分布更合理。建材世界 年第 卷第期结论花岗岩石粉在一定的范围之内取代矿粉，有利于改善 的物理性能。但当其含量超过一定范围后，水胶比不变混凝土工作性会降低，性能指标衰退。的自收缩率随石粉含量的增加而降低，当石粉含量后，混凝土早期收缩率再扩大；此时，抗压强度、含水率以及微观气孔粒径最佳；也佐证该水胶比下的 颗粒级配最为理想，表明合理掺加花岗岩石粉有利于 混凝土性能优化。花岗岩石粉的 在左右替代矿粉后掺加聚醚改性有机硅消泡剂可以进一步消除 以上的气泡，促进 颗粒结构紧密化提高施工性，抗压强度增加，吸水率降低，微观孔径降低。但过量的聚醚改性有机硅消泡剂并不能持续优化性能。参考文献谢小元，万永旺，李颜秀，等片麻岩石粉用于混凝土的技术指标研究建材世界，（）：黄祥，刘天舒，丁庆军超高性能混凝土研究综述混凝土，（）：，（）：，：王德辉，史才军，吴林妹超高性能混凝土在中国的研究和应用硅酸盐通报，（）：丁沙，张国志，游新鹏，等经济型 的制备及性能研究混凝土，（）：朱天一，李茂，程亮，等消泡剂的分类及其特点概述润滑油，（）：，水泥基灌浆材料应用技术规程北京：中国建筑工业版社，建筑砂浆基本性能试验方法标准北京：中国建筑工业版社，：，普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准北京：中国标准出版社，混凝土物理力学性能试验方法标准 北京：中国标准出版社，曾文波，孙振平，郭二飞，等 消泡剂对掺萘系减水剂砂浆性能的影响研究 新型建筑材料，（）：史才军，王德辉，贾煌飞，等 石灰石粉在水泥基材料中的作用及对其耐久性的影响 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