賈恒瓊，王濤，魏曌

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所，北京 100081）

0 引言

聚合物水泥砂漿是有機和無機的復合材料，是將分散于水中或溶于水中的聚合物摻入普通水泥砂漿中配制而成的。聚合物的添加賦予了水泥砂漿優(yōu)異的黏結(jié)力、抗?jié)B性、抗凍性、抗沖擊性等，應用場合進一步擴大。近年來對高分子材料結(jié)構與性能的深入認識，促使越來越多的聚合物應用于水泥砂漿，改性所用的聚合物乳液主要有聚丙烯酸酯乳液、氯丁橡膠乳液、丁苯膠乳、乙酸乙烯乳液、聚醋酸乙烯乳液等。在一些需要維修后盡快開放交通的場合，如公路、鐵路，聚合物快硬硫鋁酸鹽水泥砂漿可滿足快速搶修需要，新舊材料結(jié)合較好，但砂漿的體積穩(wěn)定性卻鮮有研究報道[1-16]。

1 材料與方法

1.1 原材料

原材料包括：

（1）水泥：唐山六九水泥有限公司，42.5快硬硫鋁酸鹽水泥；

（2）細骨料：機制硅砂，細度模數(shù)1.6；

（3）聚合物乳液：上海道橋BSF公司生產(chǎn)的SD623，50%固含量；

（4）消泡劑：有機硅類；

（5）減水劑：聚羧酸減水劑。

另外，還有增稠劑、促凝劑和塑性膨脹劑等。

1.2 試驗方法

抗折強度、抗壓強度、彈性模量測試參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》。膨脹率、材料分離度參照QCR 469—2015《客運專線CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿》。

2 試驗結(jié)果

2.1 砂漿早期膨脹性能

2.1.1 不同發(fā)氣劑對砂漿膨脹率的影響

通過添加發(fā)氣劑，在砂漿固化的同時，發(fā)氣劑反應產(chǎn)生的氣體使得體積略有膨脹，結(jié)構中含有直徑為10～50 μm的微小氣孔，體積膨脹率可達1%～3%，可以部分抵消后期收縮。

在硅酸鹽水泥砂漿中，鋁粉發(fā)氣劑摻量小，發(fā)氣過程易控制，砂漿孔結(jié)構細小致密，可通過調(diào)整摻量達到膨脹率要求。在強堿條件下，鋁粉才能發(fā)氣引起膨脹，因此要求水泥砂漿pH值較大。硅酸鹽水泥拌制的砂漿pH＞12.0，而硫鋁酸鹽水泥拌制的砂漿pH在10.0～12.0。因此在硫鋁酸鹽水泥砂漿中，加入鋁粉無法膨脹。對4種塑性膨脹劑進行試驗，結(jié)果見表1。1#制得的砂漿斷面氣孔較大，加入2#制得的砂漿無法拌合，4#制得的砂漿出現(xiàn)假凝現(xiàn)象， 3#制得的砂漿因塑性膨脹劑摻量少，在砂漿中形成的氣泡均勻致密，砂漿在2 h時固化后，測試膨脹率為1.1%。該發(fā)氣劑是高分子復合物，在硫鋁酸鹽水泥水化過程中，堿金屬催化作用下自身發(fā)生分解不斷產(chǎn)生氮氣來達到膨脹效果。3＃砂漿澆筑到量筒中，30 min后在量筒側(cè)面能清楚看到有細小氣泡逐漸形成并處于上升狀態(tài)。

2.1.2 非接觸法測定砂漿早期形變

采用非接觸法測試砂漿的形變，研究其早期膨脹特性[5]，試驗方法參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》。

非接觸法測試砂漿的形變，從砂漿澆筑后開始測試收縮率，未添加塑性膨脹劑砂漿收縮率測試結(jié)果見圖1，添加塑性膨脹劑砂漿收縮率測試結(jié)果見圖2。塑性膨脹劑在砂漿未凝固階段產(chǎn)生膨脹，使得砂漿在固化后具有一定的膨脹率，抵消部分干燥收縮。

從圖1可知，收縮率的變化分為4個階段：

第1階段，0～25 min，砂漿先膨脹，膨脹率達到140×10-6；

第2階段，25～60 min，砂漿較大幅度收縮，收縮率達到1 200×10-6，這個階段結(jié)束時砂漿已初凝；

第3階段，1～3 h，砂漿不再收縮，開始緩慢膨脹；

第4階段，3 h后，砂漿體積基本保持穩(wěn)定，完全固化成型。

從圖2可知，添加塑性膨脹劑的砂漿收縮率變化同樣分為4個階段，不同的是，砂漿在固化前一直處于膨脹狀態(tài)，固化后才產(chǎn)生緩慢收縮，收縮率100×10-6，比未添加塑性膨脹劑砂漿小得多。由此得出，塑性膨脹劑可以部分補償砂漿的收縮。

表1 發(fā)氣劑試驗結(jié)果

圖1 未添加塑性膨脹劑砂漿收縮率測試結(jié)果

圖2 添加塑性膨脹劑砂漿收縮率測試結(jié)果

2.2 養(yǎng)護制度對砂漿收縮的影響

成型40 mm×40 mm×160 mm尺寸的砂漿，2 h砂漿固化后測試初始值，設計3種不同養(yǎng)護條件，測試收縮率：

（1）20 ℃，60%RH；

（2）20 ℃水浸泡；

（3）7 d，20 ℃水浸泡，之后在20 ℃、60%RH下養(yǎng)護，并測試2 h、1 d、2 d、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、120 d、150 d、180 d收縮率。

選取2種聚合物乳液（1#、2#），測試對應砂漿的收縮率，同時觀察澆筑成1 cm厚3種砂漿在室外暴露后的開裂情況，試驗數(shù)據(jù)見圖3。

由圖3可知，收縮率2#＞1#，室外裸露砂漿2#砂漿開裂，1#未開裂。常溫下，將1#和2#聚合物乳液涂敷在玻璃板上，自然干燥后，1#聚合物干膜有一定的彈韌性，2#聚合物易折斷。因此制得的1#砂漿收縮率小且具有抗開裂性。從養(yǎng)護條件看：

（1）20 ℃，60%RH養(yǎng)護的砂漿，一直在收縮；

（2）20 ℃水浸泡養(yǎng)護的砂漿，未收縮而且一直在膨脹；

（3）7 d，20 ℃水浸泡，之后在20 ℃、60%RH下養(yǎng)護的砂漿，先膨脹后收縮。

第（1）種條件更接近施工工地的情況，1#砂漿180 d的收縮率為600×10-6。養(yǎng)護濕度太大，不利于聚合物的干燥成膜；一定濕度養(yǎng)護既有利于硫鋁酸鹽水泥的固化，使砂漿呈現(xiàn)出微膨脹性，聚合物也能緩慢干燥成膜。

2.3 聚合物用量對砂漿力學和長期收縮性能的影響

2.3.1 對砂漿力學性能影響

砂漿抗折、抗壓強度試件的尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，彈模試件的尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，在20 ℃、60%RH條件下養(yǎng)護，測試各齡期的強度。試驗方法及步驟參照GB 17671，試驗結(jié)果見表2。采用4個不同的聚灰比，水灰比相同，隨著聚合物摻量的增加，砂漿的抗折強度和抗壓強度逐漸減小，28 d彈模也逐漸減小。

圖3 砂漿收縮率試驗數(shù)據(jù)

表2 砂漿力學性能試驗結(jié)果

2.3.2 對砂漿收縮性能影響

隨著聚合物乳液用量增加，聚灰比為0.15、0.20、0.22、0.27的收縮率見圖4。隨著聚合物乳液的用量增加，力學性能下降，當增加到聚灰比為0.20以上時，后期收縮率較大，可能是因為聚合物在結(jié)構中占比過大，原本伸展的鏈段在后期逐漸卷曲，根據(jù)勢能最低原理，聚合物鏈段趨向于卷曲狀態(tài)時能量最低，因此聚合物乳液用量不是越高越好，帶來成本提高的同時，性能也會大幅下降。因此，建議砂漿中聚灰比在0.20以下為宜。

2.4 砂漿微觀形貌分析

對聚灰比為0.15、0.20、0.22、0.27的砂漿進行SEM掃描電鏡觀察（見圖5），由圖5可知，砂漿結(jié)構為：聚合物形成的薄膜與水泥水化物結(jié)晶體形成互傳網(wǎng)絡。當聚灰比為0.15時，從以水泥水化物結(jié)晶體為主，聚合物薄膜分布較少；隨著聚合物用量的增加，當聚灰比為0.27時，聚合物已形成連續(xù)的薄膜狀。

圖4 砂漿收縮率隨聚合物乳液用量的變化規(guī)律

3 結(jié)論

（1）通過添加塑性膨脹劑，砂漿在固化前有一定的體積膨脹。用非接觸法研究砂漿的早期自由形變，砂漿先膨脹后收縮。

（2）不同養(yǎng)護制度對砂漿收縮影響較大，養(yǎng)護濕度太大，不利于聚合物的干燥成膜，一定濕度養(yǎng)護有利于硫鋁酸鹽水泥的固化，呈現(xiàn)出微膨脹性。

（3）隨著聚合物用量的增加，聚合物鏈段一直處于自發(fā)卷曲發(fā)展過程，表現(xiàn)為砂漿收縮增大，聚灰比以0.20以下為宜。

（4）從砂漿微觀形貌分析，隨著聚灰比增加，結(jié)構中以聚合物形成連續(xù)的薄膜狀為主。