自密实砂浆中聚合物乳液与消泡剂的协同效应研究

朱毅杰，韩建国

（1.卡内基梅隆大学，宾夕法尼亚州 匹兹堡15213；2.清华大学 土木工程系，北京100084）

0 引言

自密实砂浆由于其良好的施工性能、匀质性、力学性能和美学特征，在当代建筑装饰材料中获得了广泛的应用。但自密实砂浆的水胶比低、收缩率大、早期开裂风险高，阻碍了自密实砂浆在制备大尺寸水泥基材料外墙板、薄层水泥基板材和高强地坪等方面的应用[1]。

在自密实砂浆中掺入聚合物可有效降低砂浆的弹性模量、提高延展性、降低开裂风险。但聚合物中活性基团的引气作用会显著降低砂浆的力学性能[2]。因此，如何发挥聚合物对砂浆的增韧作用，同时减小聚合物对砂浆力学性能负面作用的探索尤为必要。

本文探究了丙烯酸酯均聚物乳液与酯类、聚醚类和有机硅改性聚醚类消泡剂单掺和复掺对自密实砂浆凝结行为、体积密度、强度、塑性收缩和干燥收缩的影响，找出最优组合并分析其机理。研究结果可为自密实砂浆在装饰材料中的推广应用提供参考。

1 试验

1.1 原材料和配合比

水泥：P·W52.5级白水泥，物理力学性能见表1；砂：20～120目连续级配石英砂；减水剂：功能型聚羧酸醚类减水剂，含固量24%；丙烯酸酯均聚物乳液：Tg=13℃，MFFT=13℃，固含量47%；消泡剂：酯类、聚醚类和有机硅改性聚醚类3种，液体，含水量均＜1%；水：自来水。

表1 水泥的物理力学性能

在固定水灰比为0.28条件下，制备了未掺聚合物乳液及消泡剂的空白样、单掺及复掺聚合物乳液与消泡剂的砂浆，配合比如表2所示。控制减水剂掺量使得空白样（C－0）的流动度达到230 mm（参照GB 50119—2003《混凝土外加剂应用技术规范》附录A的试验方法）。

表2 自密实砂浆配合比 %

1.2 试验方法

采用行星式砂浆搅拌机制备自密实砂浆。砂浆的凝结行为采用恒温水化温度进行表征，测试时所用砂浆的体积为500 ml，测温用热电偶安放在试样的中间，环境温度为25℃；水化温度测试开始时间为砂浆从搅拌机中出料后的3 min。砂浆的抗折、抗压强度测试采用40 mm×40 mm×160 mm试样，砂浆试样在成型后24 h拆模，然后在温度为25℃、相对湿度为50%的养护室中养护。砂浆全程收缩行为（塑性收缩和干燥收缩）采用联合测试法进行测试，将成型后的砂浆浇注到长1000 mm、宽45 mm、高85 mm的实验槽内，在试样的一端埋置一个固定件，另一端采用接触式位移传感器进行测试，测试开始时间为砂浆在实验槽中浇筑完成开始计时，终止时间为28 d龄期；测试过程中，试样的顶面处于敞开状态，与周围的环境（温度为25℃、相对湿度为50%）进行水分交互。

2 试验结果与分析

2.1 聚合物乳液和消泡剂对砂浆体积密度的影响

对表2中的8组砂浆，在搅拌完成后，倒入容积为1000 ml的玻璃量筒中，然后测试其质量，计算得出每种砂浆的体积密度，结果如表3所示。

表3 聚合物乳液和消泡剂对砂浆体积密度的影响

由表3可知，相对于C－0试样，单掺3种消泡剂后砂浆的体积密度增大了25%以上，这得益于消泡剂的消泡效应；单掺聚合物乳液，砂浆的体积密度减小了24.2%，这是由于聚合物乳液中的活性基团具有引气作用；酯类和聚醚类消泡剂与聚合物乳液复掺时，砂浆的体积密度均低于C－0试样，有机硅改性聚醚类消泡剂与聚合物乳液复掺时，砂浆的体积密度较C－0试样增大了25.4%，说明有机硅改性聚醚类消泡剂对聚合物乳液在砂浆中的引气作用，有良好的抑制和消除气泡的能力。

2.2 聚合物乳液和消泡剂对砂浆强度的影响（见表4）

表4 聚合物乳液和消泡剂对砂浆强度的影响

由表4可知，相对于C－0试样，单掺3种消泡剂均可显著提高砂浆的3、28 d抗压和28 d抗折强度，28 d抗压强度增幅达98%以上，28 d抗折强度增幅达34%以上，这得益于消泡剂对砂浆中气泡的消除效应，使得砂浆内部的缺陷减少，颗粒堆积更密实；单掺聚合物乳液显著降低了砂浆不同龄期的抗压和抗折强度，28 d抗压、抗折强度分别降低了67.6%、51.2%，这是由于聚合物乳液的引气作用，使得砂浆中缺陷数目增多所致；酯类和聚醚类消泡剂与聚合物乳液复掺时，砂浆的抗压、抗折强度显著降低，而有机硅改性聚醚类消泡剂与聚合物乳液复掺可实现砂浆抗压强度有效提高的同时，抗折强度显著提高，28 d抗压、抗折强度分别提高了81.2%、96.7%，这是由于有机硅改性聚醚类消泡剂的作用是基于“桥连－拉伸”机理，该类消泡剂利用有机硅极低的表面张力，吸附在泡沫的表面并持续铺展和深入，使得泡沫局部液膜持续继续变薄和产生形变，同时，利用聚醚良好的表面张力牵引能力，达到液膜破坏、泡沫破裂的目的，实现对聚合物乳液在砂浆中引入气泡的消除作用。

2.3 聚合物乳液掺量对砂浆强度的影响

在表2中C－DFC配合比的基础上，研究聚合物乳液掺量为0～11%时对砂浆强度的影响，结果如图1、图2所示。

图1 聚合物乳液掺量对砂浆抗压强度的影响

图2 聚合物乳液掺量对砂浆抗折强度的影响

由图1可见，采用有机硅改性聚醚类消泡剂与聚合物乳液复掺，随着聚合物乳液掺量的增加，砂浆不同龄期抗压强度基本呈下降的趋势，聚合物乳液掺量≤3%时，抗压强度损失较小；聚物乳液掺量＞3%时，抗压强度随着聚合物掺量的增加呈明显下降的趋势。当聚合物乳液掺量为3%、5%、11%时，砂浆的28 d抗压强度较未掺时分别降低0.4%、6.3%、10.2%。

由图2可见，随着聚合物乳液掺量的增加，砂浆不同龄期抗折强度明显提高。当聚合物乳液掺量为1%时，28 d抗折强度较未掺时提高了12.5%；当聚合物乳液掺量为5%时，28 d抗折强度较未掺时提高了27.4%；随着聚合物乳液掺量的持续增加，抗折强度继续提高，但增幅变缓，当聚合物乳液掺量为11%时，28 d抗折强度较未掺时提高了33.2%。

这是由于聚合物乳液在砂浆中经过成膜反应并交联后，所形成的聚合物网络可提高砂浆的抗拉伸性能，但对砂浆的抗压缩性能无显著贡献所致[3]。刘家成和盖广清[4]的研究也表明，在水泥基材料中掺入聚合物可显著提高其折压比。

2.4 聚合物乳液掺量对砂浆收缩性能的影响

在表2中C－DFC配合比的基础上，研究聚合物乳液掺量分别为0、5%、9%时对砂浆收缩性能的影响，结果如图3所示。

图3 聚合物乳液掺量对砂浆收缩性能的影响

由图3可见，自密实砂浆在掺入聚合物乳液后，其塑性收缩和干燥收缩均得到良好的抑制，且随着聚合物乳液掺量的增加，其收缩抑制能力提高。与未掺聚合物乳液时相比，当聚合物乳液掺量为5%时，1、28 d收缩率分别减小了15.0%、26.2%；当聚合物乳液掺量为9%时，1、28 d收缩率分别减小了28.7%、38.1%。这是由于掺入聚合物乳液后，其在砂浆中的成膜作用阻碍了砂浆中水分向外界的散失，从而达到减小收缩率的目的[5]。由此可知，在自密实砂浆中复掺聚合物乳液和有机硅改性聚醚类消泡剂，可实现自密实砂浆力学性能和体积稳定性的提高。

2.5 聚合物乳液掺量对砂浆水化历程的影响

在表2中C－DFC配合比的基础上，研究聚合物乳液掺量分别为0、5%、9%时对砂浆水化放热历程的影响，结果如图4所示。

图4 聚合物乳液掺量对砂浆水化进程的影响

由图4可见，复掺聚合物乳液和有机硅改性聚醚类消泡剂时，水泥的水化进程受到了抑制，其第二放热峰位置延迟，且放热峰的峰值降低。与未掺时相比，聚合物乳液掺量为5%、9%时，水化放热温度分别降低了1.3%、4.8%。这是由于聚合物乳液对水泥颗粒的包裹，阻碍了其水化进程所致[6]。因此，在复掺聚合物乳液和有机硅改性聚醚类消泡剂时，应考虑其对砂浆水化进程的影响。

3 结论

（1）在砂浆中单掺3种消泡剂时，砂浆内部缺陷减少，颗粒堆积更密实，显著提高了砂浆的体积密度和抗压、抗折强度，28 d抗压强度增幅达98%以上，28 d抗折强度增幅达34%以上。

（2）在砂浆中单掺聚合物乳液时，由于聚合物乳液的引气作用，显著降低了砂浆的体积密度和抗压、抗折强度。

（3）聚合物改性自密实砂浆中，聚合物乳液和消泡剂之间存在协同效应，有机硅改性聚醚消泡剂可有效抑制和消除聚合物改性自密实砂浆由于聚合物乳液中活性基团的引气作用产生的不良气泡。使聚合物改性砂浆呈现良好力学性能和体积稳定性。采用聚醚改性有机硅消泡剂时，当聚合物乳液掺量≤3%时砂浆抗压强度损失较小，抗折强度随着聚合物乳液掺量的增加而提高；当聚合物乳液掺量>3%时，砂浆抗压强度呈现缓慢下降趋势，但抗折强度持续提高。根据材料使用特性，显著提高自密实砂浆柔韧性时，在可接受抗压强度损失的前提下，在合适消泡剂的协同下，适当提高聚合物乳液掺量，可显著提高砂浆的抗折强度，满足材料柔韧性的要求。

（4）复掺有机硅改性聚醚消泡剂和聚合物乳液可有效抑制砂浆塑性收缩和干燥收缩，并随着聚合物乳液掺量的增加，自密实砂浆收缩率呈下降趋势。复掺有机硅改性聚醚消泡剂和聚合物乳液，既有效提高砂浆的力学性能，又显著降低砂浆的收缩率，提高砂浆的抗开裂性能。

（5）掺入聚合物乳液会阻碍水泥的水化，使得第二放热峰延迟且放热量降低。因此，工程应用中应通过适当的措施来消减该效应带来的负面影响。