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        不同外加劑對地聚物砂漿干縮性能的影響研究*

        2022-11-09 06:18:30王德法聶守權(quán)雒乙平郝麗君
        施工技術(shù)(中英文) 2022年20期

        王德法,聶守權(quán),雒乙平,郝麗君,高 祥

        (1.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710048; 2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院,陜西 西安 710048; 3.泰山科技學(xué)院建筑工程學(xué)院,山東 泰安 271038)

        0 引言

        水泥為工程中最常用的建筑材料之一,據(jù)調(diào)查,2021年中國水泥生產(chǎn)總量達(dá)22.2億t,占全世界生產(chǎn)總量的一半還要多,生產(chǎn)水泥原料的開采與制備工藝均消耗大量能源,并且在生產(chǎn)過程中還會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體[1],尋找一種綠色環(huán)保的普通硅酸鹽水泥替代品成為重中之重。據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),地聚物具有良好的耐腐蝕性、快硬早強(qiáng)、耐高溫、低導(dǎo)熱、耐火性且原料豐富、生產(chǎn)工藝簡便。更重要的是,地聚物是一種綠色節(jié)能環(huán)保材料,但干縮開裂現(xiàn)象限制了地聚物在實(shí)際工程中的應(yīng)用。目前,有很多改善地聚物材料收縮的措施,許多學(xué)者通過加入膨脹劑來補(bǔ)償?shù)鼐畚锔煽s、摻加其他化學(xué)試劑來抑制收縮、摻加纖維材料來提高材料抗拉強(qiáng)度及采用合適的養(yǎng)護(hù)條件。Bakharev等[2]研究發(fā)現(xiàn),在礦渣基地聚物中加入萘甲醛減水劑失效,加入木質(zhì)素磺酸鹽減水劑可使地聚物收縮量降低;還發(fā)現(xiàn)加入石膏與一種可溶性芳基磺酸鹽引氣劑,也可使礦渣基地聚物混凝土收縮降低。Ling等[3]研究發(fā)現(xiàn),將乙二醇加入粉煤灰基地聚物中不僅可使干縮量降低,延遲裂紋萌生的時(shí)間、減小裂紋尺寸,還可使粉煤灰基地聚物強(qiáng)度不變。Yang等[4]研究發(fā)現(xiàn),將納米TiO2摻入礦渣基地聚物中,在降低干縮的同時(shí),還可提高地聚物抗壓強(qiáng)度;研究還發(fā)現(xiàn),納米TiO2可加速AAS的水化進(jìn)程,增大水化反應(yīng)程度,使材料內(nèi)部形成致密的微觀結(jié)構(gòu)。Palacios等[5]在高爐礦渣基地聚物中加入聚丙二醇基SRA發(fā)現(xiàn)有減小干縮的效果,并通過試驗(yàn)顯示自收縮降低達(dá)85%,干縮降低約50%。Fang等[6]在高爐礦渣基地聚物中加入高活性氧化鎂發(fā)現(xiàn),干縮也可得到控制,且摻入鎂也可提高地聚物抗裂性。Kheradmand等[7]在粉煤灰基地聚物砂漿中摻入占漿料0.08%~0.8%聚合物纖維能有效限制地聚物砂漿裂縫大小與干縮率。

        目前,許多學(xué)者[8-19]也對改善地聚物干縮性能進(jìn)行了相關(guān)研究,但多數(shù)是基于高溫養(yǎng)護(hù)的地聚物,未基于最不利養(yǎng)護(hù)條件下對地聚物干縮性能進(jìn)行研究。因此,本文將地聚物試件置于最不利養(yǎng)護(hù)條件下(室溫養(yǎng)護(hù)),對地聚物砂漿摻入3種不同含量外加劑VAE(乳膠分散劑)、APAM(PAM陰離子)、CPAM(PAM陽離子),研究在室溫環(huán)境下3種不同含量外加劑對地聚物砂漿干縮性能的影響。

        1 試驗(yàn)概況

        1.1 試驗(yàn)原材料

        試驗(yàn)原材料采用偏高嶺土、堿激發(fā)劑、外加劑、粗細(xì)骨料、水。采用經(jīng)河南省鞏義市萬達(dá)檢測中心檢測合格的紅色偏高嶺土,純度很高,硅灰比1.0,有效成分占92.7%,偏高嶺土(metakaolin,MK)是將高嶺土置于800℃高溫進(jìn)行煅燒后形成的高活性無定型硅酸鋁。成分分析顯示,偏高嶺土化學(xué)成分穩(wěn)定且存在的雜質(zhì)較少(見表1)。堿激發(fā)劑的主要化學(xué)成分為氫氧化鈉,由硅酸鈉固體粉末、片狀氫氧化鈉和水按一定比例配制而成。固體硅酸鈉粉末化學(xué)組成及參數(shù)如表2所示,片狀苛性鈉化學(xué)組成如表3所示。外加劑分別為1600W型APAM、白色粉末狀德國瓦克牌5044N型VAE、1200W型CPAM,3種外加劑性能參數(shù)如表4,5所示。細(xì)骨料為中砂,含泥量<2%,購自陜西省周至縣某砂石廠,級配曲線如圖1所示。粗骨料選用連續(xù)級配天然碎石,含泥量<1%,最大粒徑<15mm,粒徑5~9mm碎石占粗骨料的45%,粒徑為 10~15mm 碎石占粗骨料的55%,購自河南省南陽市南召縣某砂石廠。水為生活用自來水。

        表1 偏高嶺土成分含量 %

        表2 硅酸鈉粉末化學(xué)組成及參數(shù)

        表3 片狀苛性鈉組成成分 %

        表4 VAE性能參數(shù)

        表5 PAM性能參數(shù)

        圖1 細(xì)骨料級配曲線

        1.2 試驗(yàn)儀器

        采用的儀器為SP-175型砂漿收縮膨脹儀、精度為0.5g的電子臺秤,分別如圖2,3所示。

        圖2 電子臺秤

        圖3 干縮試驗(yàn)裝置

        1.3 試驗(yàn)方案

        將地聚物砂漿試件置于最不利養(yǎng)護(hù)條件下(室溫養(yǎng)護(hù)),采用外摻法對地聚物砂漿摻入3種不同含量外加劑VAE,APAM,CPAM,摻量如表6所示。將不同摻量VAE,APAM,CPAM,與對照組(未摻入外加劑的地聚物砂漿試件)進(jìn)行比較。

        表6 3種外加劑摻量

        1.4 試驗(yàn)方法

        以JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù),試驗(yàn)試件尺寸為40mm×40mm×160mm。選用地聚物砂漿水膠比為0.32,砂灰比為2.4,養(yǎng)護(hù)條件為溫度22~26℃、濕度40%~50%,加入25.64g氫氧化鈉。采用SP-175型砂漿收縮膨脹儀測量地聚物砂漿干縮量,同時(shí)用精度0.5g的電子臺秤稱量質(zhì)量。

        試件需在24h后進(jìn)行脫模處理,脫模后用儀器測量試件長度和質(zhì)量并做好記錄(此時(shí)為初始長度和質(zhì)量),之后將試件置于室溫條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù),測量并記錄1~30d試件干燥收縮量與質(zhì)量損失量。試驗(yàn)操作流程如下。

        1)測量前將砂漿收縮膨脹儀上的千分表調(diào)0校準(zhǔn)。

        2)放入地聚物砂漿試件,測量其初始長度和質(zhì)量,測量3次,取平均值。

        3)千分表調(diào)0,記錄地聚物砂漿干縮量和質(zhì)量變化,并計(jì)算對應(yīng)干縮率與失水率:

        (1)

        式中:εt為齡期t時(shí)試件干縮長度變化率;Lt為齡期t時(shí)試件長度(mm);L0為試件脫模后的原始長度(mm)。

        (2)

        式中:m0為試件脫模后的初始質(zhì)量;mt為齡期t時(shí)試件質(zhì)量;St為齡期t時(shí)試件失水率。

        2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        在室溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境條件下,摻入3種不同摻量外加劑對地聚物砂漿試件外觀表面的干縮產(chǎn)生了不同影響(見圖4~6)。由圖4~6可知,摻入外加劑VAE后,試件表面發(fā)生了明顯變化,與對照組對比可看出,在摻入外加劑后試件表面未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋,干縮情況發(fā)生很大改善,觀察摻入不同含量的APAM,CPAM試件外觀也可發(fā)現(xiàn),摻入APAM,CPAM試件的外觀與對照組對比可發(fā)現(xiàn)裂紋明顯減少。因此,摻入一定量的外加劑能改善地聚物砂漿干縮性能。

        圖5 不同摻量APAM下地聚物砂漿試件外觀

        圖6 不同摻量CPAM下地聚物砂漿試件外觀

        不同摻量VAE下地聚物砂漿試件時(shí)間-干縮應(yīng)變曲線與時(shí)間-失水率曲線分別如圖7,8所示。

        圖7 不同摻量VAE下地聚物砂漿試件干縮應(yīng)變曲線

        由圖7可知,摻入VAE后,試件干縮應(yīng)變出現(xiàn)明顯減小現(xiàn)象,可看出干縮在前3d發(fā)展迅速,之后趨于平緩。對照組(未添加無外加劑)在第3天的干縮應(yīng)變達(dá)到30d的87%,而對比加入外加劑的試件,在第3天的干縮應(yīng)變遠(yuǎn)小于無摻加外加劑試件,且從曲線中也可以看出,外加劑含量增加時(shí)干縮應(yīng)變隨之減小,且均在30d左右趨于穩(wěn)定。通過數(shù)據(jù)處理可得出,外加劑摻量為4%時(shí),試件干縮應(yīng)變?yōu)? 938.32μm/m,對比30d無外加劑的對照組,僅占其50%,比對照組在3d的應(yīng)變還小42.5%。其主要原因?yàn)閂AE粉末加入地聚物砂漿后均勻分散在漿體中,膠凝材料會(huì)與堿激發(fā)劑發(fā)生反應(yīng)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),隨著反應(yīng)的進(jìn)行,熱量釋放,系統(tǒng)中的水分蒸發(fā),VAE粉末也逐漸聚合成絮凝狀,并不斷積聚在孔隙中及漿液和礫石之間的界面,形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物膜,包裹聚合產(chǎn)物,這些薄膜提高了地聚物砂漿抗收縮能力。同時(shí),當(dāng)VAE粉末分散在漿液中時(shí),填充漿液中的孔隙,使砂漿結(jié)構(gòu)中的大孔隙變成小孔隙,通過改善砂漿宏觀性能及孔徑級配和分布,降低收縮率。

        由圖8可知,試件失水主要發(fā)生在前7d,之后速度變緩,在23d時(shí)失水率曲線趨于穩(wěn)定。對比對照組,摻入外加劑后,試件失水率增大,且從曲線變化可看出,失水率未隨著外加劑摻量的增加而增大。其主要原因?yàn)殡S著膠凝材料和堿激發(fā)劑的反應(yīng)程度不斷加深,砂漿系統(tǒng)中的水分不斷流失,致使失水率逐漸增大。而地聚物砂漿早期發(fā)展相對較快,因此,失水率的增加主要發(fā)生在早期。在反應(yīng)過程中,除了聚合產(chǎn)物生成過程中的失水外,添加的VAE粉末也會(huì)損失一些水分,VAE干燥失水率大于聚合產(chǎn)物失水率。同時(shí),由于VAE的減水作用,混合后系統(tǒng)中的自由水增加,因此添加VAE后的失水率大于未添加VAE時(shí)的失水率。在VAE作用下,形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物膜,通過堵塞水的進(jìn)出口來控制失水率。隨著摻入量增加,失水率逐漸降低。在本試驗(yàn)中,由于VAE用量太小,形成的膜不足以阻礙水的遷移,因此,失水率隨用量的增加無明顯下降趨勢。

        圖8 不同摻量VAE下地聚物砂漿試件失水率曲線

        摻入不同含量APAM地聚物砂漿試件干縮應(yīng)變曲線如圖9所示,與摻入VEA相同,試件干縮應(yīng)變均在前3d迅速增長,3d后趨于平緩。并且試件干縮應(yīng)變未隨著外加劑摻量的增加出現(xiàn)始終增加或減小的變化,而是先增加再減小再增加。外加劑摻量為2.5%時(shí),試件30d干縮應(yīng)變?yōu)?2 435μm/m, 對比30d的對照組,僅占其62.88%,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因?yàn)樽鳛橐环N水溶性聚合物,APAM在溶解時(shí)會(huì)電離帶有不同電荷的離子,離子之間的同性排斥會(huì)分散聚集的大分子團(tuán),從而促進(jìn)水分子遷移,導(dǎo)致過度干燥收縮。同時(shí),APAM還具有良好的成膜性能,形成的薄膜可在一定程度上阻礙水分子運(yùn)動(dòng),限制砂漿干燥收縮。因此,在不同APAM摻量下,當(dāng)促進(jìn)效應(yīng)大于阻斷效應(yīng)時(shí),表現(xiàn)為干縮應(yīng)變大于對照組;當(dāng)促進(jìn)效應(yīng)小于阻斷效應(yīng)時(shí),表現(xiàn)為干縮應(yīng)變小于對照組。

        圖9 不同摻量APAM下地聚物砂漿試件干縮應(yīng)變曲線

        不同摻量APAM下地聚物砂漿失水率曲線如圖10所示,試件失水主要發(fā)生在前7d,之后速度變得緩慢,在28d失水率曲線趨于穩(wěn)定。對比對照組,摻入APAM后,試件失水率增大,并且失水率隨著外加劑摻量的增加而減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因?yàn)锳PAM分子鏈上含有的極性基團(tuán)通過吸附懸浮在溶液中的固體顆粒,使粒子間架橋或通過中和電荷聚集顆粒來形成大的絮凝物。將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱,一段時(shí)間后可明顯觀察到試件表面析出凝膠狀晶體,這些膠狀體中帶出部分水分,所以摻入APAM后試件失水率會(huì)高于對照組。隨著APAM摻量增加,地聚物砂漿中對水分黏滯作用加強(qiáng),一定程度上限制了水分的遷移,使失水率減小。

        圖10 不同摻量APAM下地聚物砂漿試件失水率曲線

        不同摻量CPAM下地聚物砂聚試件干縮應(yīng)變曲線如圖11所示,與另外2種外加劑相同,試件干縮應(yīng)變均在前3d迅速增長,3d后趨于平緩。并且可發(fā)現(xiàn)試件干縮應(yīng)變隨著外加劑摻量的增加呈現(xiàn)先減小再增大然后再減小的趨勢。外加劑摻量為1.5%時(shí),試件30d干縮應(yīng)變?yōu)? 758μm/m,對比30d的對照組,僅占其71.22%。其主要原因?yàn)镃PAM促進(jìn)膠體顆粒聚集成大絮體,并通過架橋絮凝功能將其排出砂漿系統(tǒng),從而帶走部分水分,導(dǎo)致干燥收縮增加,同時(shí),CPAM也具有良好的成膜性能,形成的薄膜在一定程度上阻礙了水分子運(yùn)動(dòng),并限制了砂漿干燥收縮。與APAM影響相同,當(dāng)促進(jìn)效應(yīng)大于阻斷效應(yīng)時(shí),表現(xiàn)為干縮應(yīng)變大于對照組;當(dāng)促進(jìn)效應(yīng)小于阻斷效應(yīng)時(shí),表現(xiàn)為干縮應(yīng)變小于對照組。

        圖11 不同摻量CPAM下地聚物砂漿試件干縮應(yīng)變曲線

        不同摻量CPAM下地聚物砂漿試件失水率曲線如圖12所示,試件失水主要發(fā)生在前10d,之后速度變得緩慢,24d失水率曲線趨于穩(wěn)定。對比對照組,在摻入CPAM后,試件失水率增大,并且由曲線變化可知,失水率隨著外加劑摻量的增加而減小。因?yàn)镃PAM的絮凝作用會(huì)帶走水分,因此添加CPAM的失水率高于未添加外加劑的失水速率。且隨著CPAM含量的增加,地聚物砂漿中水的黏度增強(qiáng),這在一定程度上限制了水分遷移,降低了失水率。

        圖12 不同摻量CPAM下地聚物砂漿試件失水率曲線

        為方便觀察在摻入外加劑情況下試件失水與干縮的關(guān)系,建立失水率-干縮應(yīng)變關(guān)系曲線(見圖13)及時(shí)間-干縮系數(shù)關(guān)系曲線(見圖14)。

        圖13 失水率-干縮應(yīng)變關(guān)系曲線

        圖14 時(shí)間-干縮系數(shù)關(guān)系曲線

        由圖13可知,失水率<2%時(shí),干縮應(yīng)變呈線性迅速增長;失水率>2%且<5%時(shí),干縮應(yīng)變增長緩慢,曲線趨于平穩(wěn);失水率>5%時(shí),干縮應(yīng)變會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很小的增幅。由圖14可知,干縮系數(shù)約在1d內(nèi)迅速增大達(dá)到峰值,然后隨著時(shí)間延長而減小并趨于穩(wěn)定。

        3 結(jié)語

        1)VAE摻量為4%時(shí),試件干縮應(yīng)變?yōu)?1 938.32μm/m, 對比30d的對照組,占其50%,適量摻加VAE可有效降低地聚物砂漿干縮系數(shù),說明VAE能有效改善地聚物干縮現(xiàn)象。

        2)不同APAM摻量對干縮系數(shù)影響很大,研究發(fā)現(xiàn)APAM摻量為2.5%時(shí),試件干縮應(yīng)變?yōu)?2 435μm/m, 對比30d的對照組,占其62.88%。

        3)CPAM摻量不大時(shí),可減小地聚物砂漿收縮,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CPAM摻量為1.5%時(shí),試件干縮應(yīng)變?yōu)?2 758μm/m, 對比30d的對照組,占其71.22%。

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