李海峰，蘇宇峰，2

（1.同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804；2.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）

0 引言

蒸壓加氣混凝土（以下簡(jiǎn)稱AAC）是由石英砂、粉煤灰或工業(yè)尾礦等硅質(zhì)材料與水泥、石灰等鈣質(zhì)材料，經(jīng)水熱合成法制成的。為滿足制備過(guò)程中發(fā)氣穩(wěn)定性要求，即鋁粉發(fā)氣和漿體流動(dòng)與稠化硬化應(yīng)協(xié)同匹配，水料比（拌合用水與原材料干基質(zhì)量比）通常高達(dá)0.60 及以上[1-3]。未參與結(jié)晶反應(yīng)的自由水，不僅大幅增加生產(chǎn)能耗，而且會(huì)在制品中形成貫穿毛細(xì)孔，導(dǎo)致吸水率和干燥收縮率增大、強(qiáng)度降低[4]。

為減輕拌合水量過(guò)多導(dǎo)致的制品性能劣化，在混凝土和砂漿行業(yè)中，廣泛采用高效減水劑[5-6]，并直接應(yīng)用到AAC 制備中。Wu 等[7]研究發(fā)現(xiàn)，聚羧酸減水劑能有效改善循環(huán)流化床粉煤灰在制備AAC 過(guò)程中吸水率高的問(wèn)題，同時(shí)可以優(yōu)化制品孔結(jié)構(gòu)，提高AAC 制品的強(qiáng)度。相秋迪等[4]研究發(fā)現(xiàn)，自制減水劑能有效提高砂加氣混凝土制品強(qiáng)度，并減小干燥收縮。

同時(shí)，加氣漿體性能是影響鋁粉發(fā)氣和氣孔結(jié)構(gòu)形成的重要因素，漿體黏度會(huì)影響發(fā)氣體積和氣泡穩(wěn)定性[8-9]；水泥和石灰的性能及其比例會(huì)影響其水化進(jìn)程，從而影響漿體性能[10]。但對(duì)摻加減水劑后加氣漿體性能的研究較少。

基于此，本文以鐵尾礦、水泥、石灰等為原材料制備AAC，研究混凝土用聚羧酸減水劑、萘系減水劑和加氣混凝土專用減水劑，對(duì)蒸壓加氣混凝土漿體的流變性能、發(fā)氣性能、力學(xué)性能和微觀形貌的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：微神P·I52.5 硅酸鹽水泥，其物理性能見(jiàn)表1。生石灰、脫硫石膏和鋁粉膏由安徽馬鞍山科達(dá)機(jī)電有限公司提供，除鋁粉膏外均經(jīng)烘干研磨后過(guò)120 目篩。水泥、生石灰及鐵尾礦的化學(xué)成分見(jiàn)表2。鐵尾礦來(lái)源于山東東平宏達(dá)礦業(yè)有限公司，經(jīng)XRD 光譜分析（見(jiàn)圖1），其礦物組成主要為石英、黑云母和陽(yáng)起石。

表2 原材料的主要化學(xué)成分 %

聚羧酸減水劑（PCE）和萘系減水劑（NF）由山西黃河新型化工有限公司提供，固含量分別為45%、98%；加氣混凝土專用減水劑（SL）由聚羧酸減水劑、保坍劑及分散劑等復(fù)配而成，由江山天順科技有限公司提供，固含量為50%。

鐵尾礦加氣混凝土（IT-AAC）漿體的配合比見(jiàn)表3，其中水料比（W/S）為拌合水與固體物料的質(zhì)量比，分別為0.55、0.47、0.42、0.48，外摻減水劑（按折固計(jì)）和鋁粉（占固體物料的質(zhì)量百分比）。

表3 AAC 漿體的配合比

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備

漿體的制備工藝流程如圖2 所示。

先將鐵尾礦和石膏預(yù)拌，加入拌合水?dāng)嚢?0 s，加入水泥和減水劑再攪拌30 s，加入石灰再攪拌30 s，即得到AAC 漿體。測(cè)試減水率時(shí)，在漿體制備后立即進(jìn)行（靜置時(shí)間為0）；測(cè)試流變性能時(shí)，漿體靜置時(shí)間分別為0、10、45 min。

強(qiáng)度試件制備：上述漿體制備后，繼續(xù)加入鋁粉，攪拌30 s 后倒入20 mm×20 mm×20 mm 的鋼質(zhì)模具，在40 ℃烘箱中預(yù)養(yǎng)2～3 h 有一定初始強(qiáng)度后拆模，將試件放入小型蒸壓釜中進(jìn)行水熱合成試驗(yàn)[11]。水熱合成制度為：2 h 從室溫升至180℃，在180 ℃恒溫5 h，隨后自然降溫5 h。此試件供抗壓強(qiáng)度測(cè)試和微觀形貌觀察。

1.2.2 流變性能

試驗(yàn)采用美國(guó)Brookfield 公司生產(chǎn)的DV Next 流變儀，環(huán)境溫度為（20±2）℃，剪切速率變化如圖3 所示。漿體的表觀黏度由儀器直接測(cè)得，塑性黏度和屈服應(yīng)力通過(guò)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合計(jì)算得出[12]。

1.2.3 流動(dòng)度和減水率

漿體流動(dòng)度測(cè)試參照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑均質(zhì)性試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

減水率定義為：在漿體達(dá)到相同流動(dòng)度時(shí)，摻加減水劑與不摻減水劑的用水量之差與不摻減水劑的用水量的百分比，按式（1）計(jì)算：

式中：W——減水劑減水率，%；

M0——不摻減水劑的漿體的用水量，g；

M1——摻減水劑的漿體的用水量，g。

1.2.4 發(fā)氣性能

試驗(yàn)采用燒杯定溫養(yǎng)護(hù)發(fā)氣法測(cè)試鋁粉發(fā)氣體積。在燒杯中將漿體攪拌好后放入恒溫水浴箱恒溫養(yǎng)護(hù)，采用紅外激光測(cè)距儀測(cè)量杯口到漿體表面的距離，發(fā)氣體積按式（2）計(jì)算：

式中：Vt——t 時(shí)刻鋁粉發(fā)氣體積，mL；

h0——初始時(shí)漿體表面到杯口的距離，cm；

ht——t 時(shí)刻漿體表面到杯口的距離，cm；

D——燒杯內(nèi)徑，cm。

1.2.5 抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度

將1.2.1 中制備的強(qiáng)度試件，參照GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》測(cè)試制品的體積密度和抗壓強(qiáng)度。

為了比較不同體積密度AAC 試塊的抗壓強(qiáng)度，定義比強(qiáng)度S，如式（3）所示：

式中：S——比強(qiáng)度，（N·m）/kg；

σ——抗壓強(qiáng)度，MPa；

ρ——樣品的體積密度，kg/m3。

1.2.6 SEM 分析

試件在105 ℃烘箱中烘24 h，表面噴金后，采用美國(guó)FEI公司生產(chǎn)的Nova Nano SEM 450 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行微觀形貌分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 減水劑的減水率

以空白組（T1）的初始流動(dòng)度（213 mm）為基準(zhǔn)，測(cè)試不同減水劑及其不同摻量下的減水率，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 減水劑的減水率

從表4 可以看出，減水劑PCE、NF 和SL 折固摻量分別為0.09%、0.20%、0.10%時(shí)，減水率分別為38.0%、16.0%、16.0%。經(jīng)綜合考慮成本等因素，流變性能試驗(yàn)采用PCE、NF 和SL 折固摻量分別為0.0675%、0.15%、0.075%。

2.2 減水劑對(duì)漿體流變性能的影響

2.2.1 流變性能

圖4 為養(yǎng)護(hù)溫度40 ℃、不同靜置時(shí)間時(shí)，T1～T4 組漿體剪切應(yīng)力隨剪切速率變化曲線。

從圖4 可以看出：

（1）漿體剪切應(yīng)力均隨著剪切速率增大而增大，剪切應(yīng)力增大速率呈逐漸減小的趨勢(shì)。摻PCE 和NF 漿體的剪切應(yīng)力均高于摻SL 減水劑和空白組漿體。值得注意的是，在靜置早期（0～10 min），摻SL 漿體的剪切應(yīng)力略低于空白組；而在靜止后期（45 min），摻SL 漿體的剪切應(yīng)力高于空白組。

（2）當(dāng)剪切速率從0 增加到20 s-1時(shí)，剪切應(yīng)力呈弧形增大，說(shuō)明漿體尚處于非勻質(zhì)狀態(tài)；當(dāng)剪切速率為20～60 s-1時(shí)，剪切應(yīng)力與剪切速率呈線性關(guān)系，說(shuō)明漿體達(dá)到流變穩(wěn)定階段。穩(wěn)定階段的漿體流變性能，常用Bingham 模型τ=τ0+η·γ來(lái)描述[13]。對(duì)圖4 中剪切速率為20～60 s-1的曲線進(jìn)行擬合，得到不同靜置時(shí)間下漿體的Bingham 方程及其屈服應(yīng)力（τ0）和塑性黏度（η），其擬合優(yōu)度R2均大于0.97，說(shuō)明Bingham 流體模型擬合良好（見(jiàn)表5）。

流體的屈服應(yīng)力是指流體開(kāi)始流動(dòng)所需的最小應(yīng)力，即流體只有受到高于屈服應(yīng)力時(shí)才發(fā)生流動(dòng)；塑性黏度表示流體破壞的難易程度。由表5 可知，各組漿體的屈服應(yīng)力和塑性黏度均隨靜置時(shí)間延長(zhǎng)而增大。當(dāng)靜置時(shí)間相同時(shí)，與空白組相比，摻入PCE 和NF 增大了漿體的屈服應(yīng)力和塑性黏度，并且增幅較大；而摻入SL 則降低了漿體的屈服應(yīng)力，塑性黏度基本相同或略有增大。

2.2.2 流變性能對(duì)鋁粉發(fā)氣的影響

對(duì)加氣漿體來(lái)說(shuō)，鋁粉的發(fā)氣過(guò)程，應(yīng)與漿體稠化過(guò)程協(xié)同一致（見(jiàn)圖5），以獲得最佳氣孔結(jié)構(gòu)。根據(jù)此協(xié)同性要求，在鋁粉發(fā)氣初始階段，鋁粉需要克服漿體的初始阻力（屈服應(yīng)力）才能開(kāi)始形成原始?xì)馀?，因此要求漿體應(yīng)具有較小的屈服應(yīng)力；同時(shí)漿體的塑性黏度也應(yīng)較小，以利于原始?xì)馀莸倪\(yùn)動(dòng)和合并。當(dāng)鋁粉發(fā)氣趨于結(jié)束時(shí)，漿體的塑性黏度和屈服應(yīng)力應(yīng)該足夠大，才能防止氣泡繼續(xù)運(yùn)動(dòng)和合并，即保證漿體體積的穩(wěn)定，避免收縮和塌陷。

圖6 為養(yǎng)護(hù)溫度40 ℃時(shí)，T1～T4 組漿體的發(fā)氣體積。

從圖6（a）可以看出，空白組（T1）在28 min 時(shí)發(fā)氣體積達(dá)到最大，為219 mL，隨后保持穩(wěn)定。摻減水劑NF、PCE、SL 后，分別在21、25、29 min 時(shí)，達(dá)到最大發(fā)氣體積，分別為133、105、170 mL。從圖6（b）可以看出，在靜置早期（0～6 min），T4組漿體的發(fā)氣體積略高于空白組。

結(jié)合表5 和圖6 可知，T3 組（摻0.0675%PCE）的屈服應(yīng)力明顯大于其他3 組，因此其最大發(fā)氣體積最小、所需發(fā)氣時(shí)間最短；T2 組（摻0.150%NF）的屈服應(yīng)力次之，其最大發(fā)氣體積、所需發(fā)氣時(shí)間有所增大和延長(zhǎng)；T4 組（摻0.0755%SL）的屈服應(yīng)力最小，其最大發(fā)氣體積比T2 和T3 組分別增大約28%和62%。T4 組在0～6 min 內(nèi)的發(fā)氣速度大于T1 組，也與其屈服應(yīng)力比空白組小有關(guān)。

2.3 減水劑對(duì)制品力學(xué)性能的影響

2.3.1 力學(xué)性能

采用T1-T4 配合比所制備的制品的抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度見(jiàn)表6。

從表6可以看出，相比于空白組，分別摻3 種減水劑都提高了制品的體積密度，同時(shí)也較大幅提高了抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度（輕質(zhì)材料的比強(qiáng)度能有效消除體積密度波動(dòng)帶來(lái)的強(qiáng)度變化）。在3 種減水劑中，摻加SL 組制品的比強(qiáng)度最高，為4135 N·m/kg，摻加NF 的略低，而摻加PCE 的比強(qiáng)度最低，為3105 N·m/kg，比前二者低約25%，這可能是因?yàn)镻CE 的減水率較高導(dǎo)致制品內(nèi)部水化不充分所導(dǎo)致的。

表6 摻不同減水劑AAC 制品的力學(xué)性能

2.3.2 微觀形貌分析

對(duì)T1～T4 組AAC 制品進(jìn)行SEM 形貌觀察，結(jié)果見(jiàn)圖7。

從圖7（a）可以看出，空白組顆粒間空隙較多、較大，與2.3.1 中體積密度較小是對(duì)應(yīng)的，說(shuō)明未摻減水劑漿體的水料比較大，未參與反應(yīng)的水留下的有害毛細(xì)孔較多、較大，導(dǎo)致制品強(qiáng)度較低。圖7（b）～（d）顯示，摻入減水劑后，顆粒間更密實(shí)，在宏觀上體現(xiàn)為體積密度較大、抗壓強(qiáng)度較高。從圖7（c）可以看出，PCE 摻入下，由于減水率較大，導(dǎo)致制品內(nèi)部水化反應(yīng)不夠充分，仍能看到較多未水化的原材料顆粒，這也導(dǎo)致其制品抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度較低。而在圖7（b）、（d）中觀察出了明顯的片狀托勃莫來(lái)石晶體[14-15]，托勃莫來(lái)石填充在顆?？p隙之間，并且相互交叉搭接，為T2 和T4 組制品較高的強(qiáng)度提供了保障。

3 結(jié)論

（1）聚羧酸減水劑（PCE）、萘系減水劑（NF）以及加氣混凝土專用減水劑（SL）摻量在0～0.20%范圍內(nèi)時(shí)，減水率隨著摻量增加而增大，減水劑PCE、NF 和SL 的折固摻量分別為0.09%、0.20%、0.10%時(shí)，減水率分別為38.0%、16.0%、16.0%。

（2）無(wú)論是否摻加減水劑，加氣漿體在剪切穩(wěn)定階段（20～60 s-1）均符合Bingham 流變模型。與空白組相比，摻入PCE 和NF 均明顯增大了漿體的屈服應(yīng)力和塑性黏度，抑制了發(fā)氣體積；摻入SL 降低了漿體早期屈服應(yīng)力、維持了塑性黏度，而后期屈服應(yīng)力和塑性黏度的增幅遠(yuǎn)小于摻PCE 和NF 組漿體，從而較好地保證漿體的發(fā)氣體積。

（3）與空白組相比，摻3 種減水劑均能較大幅度地提高AAC 制品的比強(qiáng)度，其中以摻0.15%SL 的提升幅度最大，可達(dá)43%。經(jīng)SEM 觀察，摻入減水劑后，形成的水化產(chǎn)物的數(shù)量較多且相互搭接，制品更加密實(shí)。