消泡剂对灌浆料性能和孔结构特征的影响

吴海军，奉瑞萍

（湖南省交通建设质量监督检测有限公司，湖南长沙 410015）

0 引言

2022 年10 月28 日，湖南省人民政府发布《湖南省碳达峰实施方案》，指出要“培育壮大装配式建筑产业”。由此可见，近几年是装配式建筑在我国发展的黄金阶段。其中，钢筋套筒灌浆连接技术是目前该领域的研究热点之一。作为该技术的关键材料之一，钢筋连接用套筒灌浆料（以下简称“灌浆料”）会显著影响钢筋套筒灌浆连接技术的实施效果。

现有研究表明，在砂浆中掺入消泡剂，能够降低含气量[1-3]，提高湿密度[1,4]和保水性[5]，改善表面质量[6-7]，增加流动度[2,4,6-7]，提高强度[1,3-4,7-8]、折压比[1,5,9]和拉伸黏结结强度[5]，降低吸水量[1,3,5]，延长凝结时间[10]以及改善泛白[7]等。随着消泡剂掺量的增加，这些性能会持续改变，但通常存在一个临界值，当砂浆中消泡剂掺量大于该值时，砂浆性能的变化趋于稳定[2,5,7]。也有一些不同的研究结果，如消泡剂对初凝影响不大，但会延长终凝时间[5]，随着消泡剂掺量的增加，砂浆含气量先降低后增加，抗压、抗折强度均先上升后下降[9,11]。消泡剂种类对砂浆性能的影响差别也较大[1,4-5,7,11]，且同一消泡剂对不同砂浆性能的影响也有很大差别[2,8]。此外，掺入消泡剂后，灌浆料剪切应力增大，塑性黏度增加，根据灌浆料硬化后气泡参数的测试结果，掺入消泡剂的灌浆料内部总气泡数量以及＜100 μm 的气泡数量均减少[12]。

根据相关标准，灌浆料的早期和后期强度要求都很高，1、3、28 d 的抗压强度要求分别大于35、60、85 MPa。消泡剂对砂浆力学性能的改善作用非常显著，如砂浆中消泡剂掺量为0.1%（质量分数）时，7 d 抗压强度提高100%以上[1]，拉伸黏结强度增加75%[5]。本文针对特种消泡剂，研究了不同掺量下灌浆料的流动度及其经时损失率、湿表观密度等拌合物性能，以及抗折强度、抗压强度和孔结构等硬化结构性能特征。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

消泡剂为德国明凌化工有限公司生产的粉末消泡剂，白色，型号为Agitan® RP803，组分为液态烃和聚乙二醇的混合物。

试验包括9 个配合比（见表1），主要变量为消泡剂掺量（质量分数），分别为0%、0.002 5%、0.005 0%、0.007 5%、0.010 0%、0.012 5%、0.015 0%、0.020 0%和0.025 0%，其他材料质量不变。

表1 灌浆料配合比（Tab.1 Mix proportion of grouts）

1.2 试验方法

1.2.1 流动度及其经时损失

灌浆料的流动度测试依据JG/T 408—2013《钢筋连接用套筒灌浆料》进行，其中30 min 流动度损失率由式（1）计算得到[13]。

如果F30结果为负数，则说明灌浆料的30 min 流动度增加。

1.2.2 湿表观密度

1.2.3 孔结构特征

采用全自动压汞测孔仪测试硬化灌浆料的孔结构特征。取28 d 龄期的灌浆料硬化试样，用小锤敲开，在试块中部取2.5～5.0 mm 小块，将块状样品在异丙醇溶液中浸泡72 h，待其终止水化后进行压汞和孔结构测试。

2 试验结果与分析

2.1 消泡剂对灌浆料流动度的影响

灌浆料初始流动度和流动度经时损失率随消泡剂掺量的变化如图1 所示。由图1（a）可知：当消泡剂掺量由0%增加到0.020 0%时，灌浆料的初始流动度逐渐增加，由300 mm 增加到330 mm，增加幅度为10%，即该掺量范围内，消泡剂对砂浆有一定的助流效果；当消泡剂掺量由0.020 0%增加到0.025 0%时，初始流动度降低至303 mm，降幅为8%。由图1（b）可知，当消泡剂掺量为0.020 0%时，灌浆料30 min流动度损失率为11.2%，对于其他消泡剂掺量的灌浆料，30 min 流动度损失率变化不大，在-0.7%～4.3%。

图1 灌浆料流动度和30 min 流动度损失率随消泡剂掺量的变化（Fig.1 Change rule of fluidity and fluidity loss rate in 30 min of grouts with defoamer dosage changing）

续图1 灌浆料流动度和30 min 流动度损失率随消泡剂掺量的变化（Fig.1 Change rule of fluidity and fluidity loss rate in 30 min of grouts with defoamer dosage changing）

通常消泡剂可以抑制甚至消除部分新拌浆体内的大气泡，改善气泡滚珠轴承作用效果[2]。因此，消泡剂掺量由0%增加到0.020 0%时，灌浆料流动度增加；掺入一定量的消泡剂后，消泡作用显著，此时砂浆中起到滚珠作用的气泡数量明显下降，造成砂浆流动性降低[7]，因此当消泡剂掺量由0.020 0%增加到0.025 0%时，灌浆料流动度降低。由于新拌浆体中的气泡会经历合并和扩散等过程[14-15]，硬化浆体的最终孔结构不能完全反映新拌浆体的气泡情况。

2.2 消泡剂对灌浆料湿表观密度的影响

灌浆料的湿表观密度如图2 所示。由图2 可见，与不掺消泡剂的灌浆料相比，掺消泡剂的灌浆料的湿表观密度均增大，增大幅度在1.43% ～5.11% ，其中消泡剂的掺量为0.010 0% 时，灌浆料的湿表观密度最高。掺入一定量的消泡剂后，消泡剂对大气泡的抑制与消除作用使灌浆料的湿表观密度不断增大。

图2 消泡剂掺量对灌浆料湿表观密度的影响（Fig.2 Influence of dosage of defoamer on wet apparent density of grouts）

2.3 消泡剂对灌浆料强度的影响

消泡剂掺量对灌浆料强度的影响如图3 所示。由图3 可知，除3 d 抗折强度外，所有掺消泡剂的灌浆料抗折和抗压强度均高于未掺消泡剂的灌浆料。当消泡剂掺量增至0.025 0%时，灌浆料在不同龄期的抗折强度与抗压强度均表现出先增加而后趋于稳定的趋势。消泡剂的最佳掺量为0.005 0%～0.007 5%，与未掺消泡剂的灌浆料相比，掺入0.005 0%的消泡剂可使灌浆料1、3、28 d 龄期的抗压强度分别增加35.0%、31.5%和33.2%。由此可见，消泡剂对提高灌浆料的强度具有非常显著的作用。

图3 消泡剂掺量对灌浆料强度的影响（Fig.3 Influence of dosage of defoamer on strength of grouts）

2.4 消泡剂对灌浆料孔结构的影响

根据压汞测试结果，不掺消泡剂和消泡剂掺量为0.002 5%、0.005 0%、0.007 5%和0.010 0%的灌浆料试样在6 nm～300 μm 范围内的孔径分布如图4 所示。由图4 可知：（1）在6～30 nm 的孔径范围内，掺消泡剂的灌浆料，孔体积总体上大于不掺消泡剂的灌浆料，其中消泡剂掺量为0.002 5%时孔体积最高，且在10 nm处出现了很高的尖峰，消泡剂掺量为0.010 0%时孔体积最低，与不掺消泡剂的灌浆料比较接近。（2）在30 nm～60μm 的宽孔径范围内，不掺消泡剂灌浆料的孔体积几乎一直是所有灌浆料中最高的，且存在5 个峰值（45 nn 和70 nm 处2 个较大的峰值，以及12μm、20 μm和51μm 处3 个较小的峰值）。其他4 种掺消泡剂的灌浆料的孔体积都较小，相应的孔体积峰值降低或消失。消泡剂掺量为0.010 0%时，其孔体积仅次于不掺消泡剂的灌浆料，消泡剂掺量为0.002 5%和0.007 5%时，孔体积都比较低。（3）在60～300 μm 的孔径范围内，5 种灌浆料都在170 μm 附近出现孔体积峰值，消泡剂掺量为0.0025%时，孔体积最高，接下来依次是消泡剂掺量为0.007 5%、0、0.005 0%和0.010 0%的灌浆料。

图4 消泡剂掺量对灌浆料孔径分布的影响（Fig.4 Influence of dosage of defoamer on pore size distribution of grouts）

消泡剂掺量对灌浆料孔隙率的影响如图5 所示。由图5 可知：随着消泡剂掺量由0%增加到0.010 0%，灌浆料的孔隙率先不断下降，而后略有增加；当消泡剂掺量由0%增加到0.002 5%时，灌浆料的孔隙率下降36.6%，说明很低掺量的消泡剂能够显著减小灌浆料的孔隙率；当消泡剂的掺量继续增加时，灌浆料的孔隙率缓慢减小，当消泡剂掺量为0.007 5%时，孔隙率最小；当消泡剂掺量由0.007 5%增加到0.010 0%时，灌浆料的孔隙率反而增大16.3%。

图5 消泡剂掺量对灌浆料孔隙率的影响（Fig.5 Influence of dosage of defoamer on porosity of grouts）

灌浆料的孔结构测试结果能够很好地解释灌浆料的强度变化规律。当消泡剂掺量为0.007 5%时，灌浆料的孔隙率最小，对应的灌浆料28 d 抗压强度最高。

3 结语

研究了消泡剂对灌浆料流动度、流动度经时损失率、湿表观密度等拌合物性能，以及抗折强度、抗压强度和孔结构在内的硬化结构性能特征的影响。主要结论如下：

（1） 当消泡剂掺量由0%增加到0.025 0%时，灌浆料的流动度先增加，超过一定限度后又逐渐降低。但消泡剂掺量对灌浆料30 min 流动度损失率的影响不大。

（2） 与不掺消泡剂相比，灌浆料中掺消泡剂后，湿表观密度增大，增大幅度为1.43%～5.11%。

（3） 当消泡剂掺量由0%增加到0.025 0%时，所有龄期的硬化灌浆料抗折强度和抗压强度均基本呈现先增加后趋于稳定的趋势。消泡剂能够显著提高灌浆料的抗压强度，在灌浆料中的最佳掺量为0.005 0%～0.007 5%。

（4） 与不掺消泡剂相比，灌浆料中掺入消泡剂后，在6～30 nm 的孔径范围，孔体积增加；在30 nm～60μm 的孔径范围，孔体积降低；在60～300μm的孔径范围，消泡剂掺量为0.002 5%和0.007 5%时，孔体积增加，消泡剂掺量为0.005 0%和0.010 0%时，孔体积降低。

（5） 消泡剂掺量由0%增加到0.010 0%时，灌浆料的孔隙率先不断下降，而后略有增加。