鄭新國，曾 志，李書明，鄭新華，王偉唯

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

瀝青是一種防水、防潮和防腐性能均較好的有機膠凝材料，主要用作防水材料、防腐材料以及路面結構的膠結材料。但瀝青材料使用時往往需要加熱，能耗大，而且加熱時會放出刺激性的有害物質，對人體有害，且污染環(huán)境[1-3]。將瀝青乳化制成乳化瀝青后可解決上述問題[4-6]，但乳化瀝青是一種亞穩(wěn)定的乳液，儲存期短，不利于保存?？稍俜稚r青粉末是將乳化瀝青進行噴霧干燥處理后制得的粉末，其在水中能再分散成乳化瀝青，既具有乳化瀝青的優(yōu)點，又方便儲存和使用。目前，關于可再分散瀝青粉末的研究報道較少。本文研究了不同摻量的可再分散瀝青粉末對水泥砂漿的強度、吸水率、收縮性能以及孔結構的影響。

1 試驗

1.1 主要原材料

水泥為42.5快硬硫鋁酸鹽水泥；砂子為細河砂，最大粒徑1.18 mm；減水劑為粉體聚羧酸減水劑；瀝青粉末為市售可再分散瀝青粉末，模式粒徑3.179 μm，平均粒徑12.487 μm。

1.2 力學性能測試

砂漿的抗壓強度和抗折強度按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)[7]的規(guī)定進行測試，彈性模量按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)[8]的規(guī)定進行測試。

1.3 吸水率測試

將40 mm×40 mm×160 mm的砂漿試件養(yǎng)護28 d 后取出，放入60 ℃烘箱中烘干至恒重，冷卻后稱重，再放入20 ℃水中7 d后稱重，計算吸水率。

1.4 收縮率測試

待25 mm×25 mm×280 mm的砂漿試件完全硬化后脫模，放入溫度20±2 ℃、相對濕度65%±5%的恒溫恒濕養(yǎng)護室靜置4 h后，采用比長儀測試砂漿試件的長度作為初長，繼續(xù)在恒溫恒濕養(yǎng)護室養(yǎng)護至規(guī)定齡期后，采用比長儀測試砂漿試件的長度，計算收縮率。

1.5 孔結構分析

將養(yǎng)護28 d的砂漿試件破碎成直徑5 mm左右的試樣，然后將試樣放入酒精中浸泡24 h，再將浸泡后的試樣放入40 ℃的真空干燥箱中干燥3 d，待試樣充分干燥后，再采用美國麥克儀器公司的AUTOPORE 9500壓汞儀進行孔結構分析。

1.6 微觀形貌分析

采用JEOL S-6700F場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察可再分散瀝青粉末改性水泥砂漿的微觀形貌。樣品在液氮中脆斷，斷面用GIKOIB-3離子噴涂機噴Pt處理后進行觀測，操作電壓5 kV。

2 結果與分析

2.1 力學性能

圖1 瀝青粉末摻量對砂漿力學性能的影響

瀝青粉末摻量分別為0，10%，20%，30%(砂漿中膠凝材料占總量的百分比)時，水泥砂漿不同齡期的抗折強度、抗壓強度、彈性模量以及折壓比見圖1。摻入不同摻量的瀝青粉末時，砂漿的水膠比保持不變，通過調整減水劑和消泡劑的用量保持砂漿的工作性能和含氣量基本一致。

由圖1(a)、圖1(b)可知，瀝青粉末對砂漿的強度影響較大。隨著瀝青粉末摻量的增加，砂漿的抗壓強度和抗折強度均降低，且抗壓強度降低幅度比抗折強度降低幅度大。28 d齡期時，未摻瀝青粉末的砂漿抗壓強度和抗折強度分別為23.67,4.60 MPa，摻30%瀝青粉末的砂漿抗壓強度和抗折強度分別為11.23，3.20 MPa。摻入30%瀝青粉末后，砂漿的抗壓強度和抗折強度分別降低52.6%，30.4%，強度降低明顯。

由圖1(c)可知，隨著瀝青粉末摻量的增加，砂漿的彈性模量降低。摻入10%瀝青粉末時，砂漿彈性模量降低不明顯。摻入20%，30%瀝青粉末時，砂漿彈性模量下降明顯，分別下降41.0%，58.3%。瀝青粉末的摻入降低了砂漿彈性模量，提高了砂漿的變形能力。

由圖1(d)可知，摻入瀝青粉末能提高水泥砂漿28 d時的折壓比。隨著瀝青粉末摻量的增加，砂漿的折壓比增大。瀝青粉末摻量為30%時，砂漿的折壓比提高46.6%。對于水泥基材料，可以用折壓比來初步反映材料的韌性。折壓比越高，表明材料的韌性越強，即材料在斷裂前可以吸收的能量和進行塑性變形或拉伸應變的能力越高，材料發(fā)生脆性斷裂或破壞的可能性越小。瀝青粉末的摻入提高了砂漿的折壓比，從而提高了砂漿的韌性。

2.2 吸水率

圖2 瀝青粉末摻量對砂漿吸水率的影響

瀝青粉末對水泥砂漿吸水率的影響見圖2?？芍?，瀝青粉末的摻入降低了砂漿的吸水率。但是，隨著瀝青粉末摻量的增加，砂漿的吸水率并未呈線性降低。瀝青粉末摻量為20%時，砂漿的吸水率最小。隨著瀝青粉末摻量進一步增加到30%時，砂漿的吸水率開始增加，但仍然比未摻瀝青粉末砂漿的吸水率小。對于多孔的水泥砂漿而言，吸水率越低，則外界有害離子進入砂漿內部越困難，砂漿的耐久性越好。

2.3 收縮性能

瀝青粉末摻量分別為0，10%，20%，30%時，水泥砂漿不同齡期的收縮率見圖3。

圖3 瀝青粉末摻量對砂漿收縮率的影響

由圖3可知，隨著瀝青粉末摻量的增加，砂漿的收縮率減小，且隨著齡期的延長，砂漿收縮率減小得越明顯。28 d齡期前，瀝青粉末摻量為20%及以下時，瀝青粉末的摻入對砂漿收縮率的影響不明顯。瀝青粉末摻量為30%時，無論是早齡期還是長齡期，砂漿的收縮率均明顯降低。瀝青粉末的摻入降低了砂漿的收縮率[9]，從而提高了砂漿的抗裂性。

2.4 孔結構

采用壓汞儀對不同瀝青粉末摻量的砂漿的孔結構進行了分析，分析結果見圖4。

圖4 瀝青粉末摻量對砂漿孔結構的影響

由圖4可知，瀝青粉末的摻入改變了砂漿的孔結構。隨著瀝青粉末摻量的增加，砂漿的總孔隙率增加，最可幾孔徑增大，且瀝青粉末摻量為20%，30%時，砂漿出現(xiàn)了2個最可幾孔徑，分別在 1 000 nm和 10 000 nm 左右。隨著瀝青粉末摻量的增加，砂漿中>1 000 nm的大孔數(shù)量增加。瀝青粉末的摻入之所以會增加砂漿的孔隙率主要是因為瀝青粉末中含有較多表面活性劑，導致砂漿在制備過程中引入了較多氣泡。

2.5 微觀形貌

采用掃描電鏡對不同瀝青粉末摻量的砂漿的微觀形貌進行了分析，分析結果如圖5所示。

圖5 不同瀝青粉末摻量砂漿的微觀形貌

由圖5可知，隨著瀝青粉末摻量的增加，漿體中瀝青與水泥水化產(chǎn)物的分布情況發(fā)生了變化。當瀝青粉末摻量較少時(摻量為10%)，水泥水化產(chǎn)物間基本看不到瀝青聚合物薄膜或凝膠，水泥水化產(chǎn)物相互交叉膠結，形成致密的水泥石結構；當瀝青粉末摻量增大到30%時，可清晰看到瀝青凝膠類物質填充于水泥水化產(chǎn)物之間和孔隙中，與水泥水化產(chǎn)物形成有機整體[10-11]。

不同瀝青粉末摻量砂漿的微觀形貌分析結果很好地解釋了上述試驗結果。如前所述，瀝青粉末的摻入降低了砂漿的強度和彈性模量，提高了砂漿的折壓比和韌性。這是因為瀝青粉末是由乳化瀝青噴霧干燥制成的，將其摻入砂漿中與水拌和后，可再分散形成乳化瀝青。乳化瀝青是由無數(shù)微米級的顆粒組成，乳化瀝青顆粒表面帶有電荷及擴散層。隨著水泥的水化進行，乳化瀝青將發(fā)生破乳，凝聚而形成瀝青顆粒，并在水泥水化產(chǎn)物表面鋪展(參見圖5)，削弱了水泥水化產(chǎn)物間的交結作用，使水泥石間的連接由剛性黏結變成一種柔性或半剛性黏結，使砂漿的力學性能從脆性向柔性方向發(fā)展，從而導致砂漿抗折強度、抗壓強度及彈性模量降低，韌性提高。而隨著瀝青粉末用量的增加，水泥水化產(chǎn)物間將會有更多柔韌的瀝青，水泥石間的連接進一步被削弱，導致砂漿的韌性進一步提高，強度及彈性模量進一步降低。

如前所述，瀝青粉末的摻入增加了砂漿的總孔隙率，降低了砂漿的吸水率。這是因為，雖然瀝青粉末中含有的表面活性劑引入的氣泡導致砂漿的總孔隙率增加，會增加砂漿的吸水率；但另一方面，如圖5所示，由于硬化水泥漿體中瀝青填充于水泥水化產(chǎn)物之間和孔隙中，而瀝青屬于憎水性物質，可增加砂漿的憎水性，阻止水分進入砂漿內部，從而降低砂漿的吸水率。所以，總的來說，瀝青粉末的摻入還是降低了砂漿的吸水率。但是，隨著瀝青粉末摻量的進一步增加，砂漿的總孔隙率進一步增加，會進一步抵消瀝青的憎水效果，所以隨著瀝青粉末摻量的增加，砂漿的吸水率并未呈線性降低，而是先降低后增加。

如前所述，瀝青粉末的摻入降低了砂漿的收縮率。這是因為瀝青填充于砂漿的孔隙中，而瀝青是一種黏彈性材料，具有很好的應力松弛能力，砂漿在收縮變形時，瀝青能發(fā)生蠕變，釋放一部分應力，從而降低砂漿的收縮率。

3 結論

1)隨著瀝青粉末摻量的增加，水泥砂漿的抗壓強度、抗折強度以及彈性模量均降低，且抗壓強度的降低幅度比抗折強度的降低幅度大，砂漿的折壓比增大，韌性提高。

2)瀝青粉末摻量為10%，20%時，砂漿的后期收縮降低，早期收縮變化不大；瀝青粉末摻量為30%時，砂漿的早期收縮和后期收縮均降低。

3)隨著瀝青粉末摻量的增加，砂漿的吸水率先降低后增加，但仍比不摻瀝青粉末的砂漿吸水率小。

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