不同溫濕度下丁苯乳液/硫鋁酸鹽水泥砂漿的干縮率

王 茹， 張 韜

(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)

硫鋁酸鹽水泥(CSA)因其優(yōu)異的服役性能[1-2](早強(qiáng)、高強(qiáng)、低堿、抗?jié)B、耐腐蝕與抗凍融等)、生產(chǎn)時(shí)較低的能耗[3]以及較少的碳排放量[4-6]，日益受到青睞.在硫鋁酸鹽水泥基材料中加入聚合物，能顯著提高水泥基材料的工作性能、物理力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度)、防水性能以及耐久性能(抗?jié)B性與抗凍性)[7-9].丁苯(SB)乳液與硫鋁酸鹽水泥相容性較好，改性效果較顯著[10].但硫鋁酸鹽水泥的水化特性及水化產(chǎn)物與養(yǎng)護(hù)溫度及水化條件等因素密切相關(guān)，且養(yǎng)護(hù)環(huán)境的溫濕度對(duì)水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性影響顯著[11-13].硫鋁酸鹽水泥的主要水化產(chǎn)物為鈣礬石(AFt)晶體，其含量1)約占水化相的65%，但AFt晶體是一種高溫不穩(wěn)定相[14].Mehta[15]指出，在干燥環(huán)境中加熱時(shí)，AFt在 65℃ 時(shí)是穩(wěn)定的，但到 93 ℃ 時(shí)會(huì)部分分解，當(dāng)AFt中的結(jié)晶水消失后，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)定形物質(zhì)，其后期強(qiáng)度存在增長(zhǎng)不明顯甚至倒縮現(xiàn)象.摻入一定比例的石膏可以提高硫鋁酸鹽水泥各齡期的強(qiáng)度，并在一定程度上抑制強(qiáng)度倒縮[16]，但關(guān)于硫鋁酸鹽水泥的溫度穩(wěn)定性仍存在許多爭(zhēng)議，使其大規(guī)模工程應(yīng)用受到限制，因此探明養(yǎng)護(hù)溫濕度對(duì)丁苯乳液/硫鋁酸鹽水泥復(fù)合膠凝材料性能的影響非常重要.有研究表明，在硫鋁酸鹽水泥砂漿中摻入聚合物能顯著改善其收縮性能.王春華等[17]通過(guò)與硅酸鹽水泥對(duì)比，研究了聚合物改性硫鋁酸鹽水泥砂漿的力學(xué)性能、柔韌性和干縮性能，發(fā)現(xiàn)乙酸乙烯和叔碳酸乙烯酯共聚膠粉改性硫鋁酸鹽水泥砂漿在各項(xiàng)性能上較普通水泥砂漿有了明顯改善.王稷良等[18]對(duì)比研究了4種聚合物膠粉對(duì)硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間、工作性、力學(xué)性能以及干縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著聚合物膠粉摻量的提高，硫鋁酸鹽水泥砂漿的干縮率逐漸減小，且與丙烯酸類聚合物膠粉相比，醋酸乙烯酯類膠粉改性硫鋁酸鹽水泥砂漿的干縮率相對(duì)更小，穩(wěn)定性更好.

劉紀(jì)偉等[7]研究了丁苯乳液摻量(0%～12.5%)對(duì)硫鋁酸鹽水泥修補(bǔ)砂漿物理力學(xué)性能的影響，指出改性砂漿的干縮性能隨著聚合物摻量的增加而呈現(xiàn)向好趨勢(shì)，與基準(zhǔn)砂漿相比，聚合物摻量為12.5%時(shí)，試件28d干縮率降低42%.值得注意的是，雖然已有關(guān)于聚合物硫鋁酸鹽水泥砂漿收縮性能方面的研究，但在不同溫濕度養(yǎng)護(hù)條件下，其性能會(huì)有很大差異，而目前這方面的研究仍然匱乏.據(jù)此，本文研究不同溫度(0，5，10，20，40℃)，不同相對(duì)濕度(30%，60%，90%)以及不同丁苯乳液摻量(0%，5%，10%，15%和20%)下硫鋁酸鹽水泥砂漿360 d內(nèi)干縮率的變化，為探討不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下丁苯乳液/硫鋁酸鹽水泥砂漿體積穩(wěn)定性和耐久性等問(wèn)題提供理論參考.

1 試驗(yàn)

1.1 原料和配合比

水泥：52.5級(jí)快硬硫鋁酸鹽水泥(CSA)，其礦物組成和化學(xué)組成分別列于表1，2.砂：ISO標(biāo)準(zhǔn)砂.聚合物：ECO7623丁苯乳液，其性能見表3.CSA和丁苯乳液的粒度分析結(jié)果如表4所示.水：自來(lái)水.消泡劑：FoamasterMO NXZ礦物油類消泡劑.

試驗(yàn)所用灰砂比為1∶3，丁苯乳液摻量(以乳液固含量與水泥質(zhì)量之比計(jì)，mp/mc)為0%，5%，10%，15%，20%，消泡劑按照乳液質(zhì)量的2%加入，新拌砂漿流動(dòng)度均控制在(175±5) mm，并由此確定水灰比(mw/mc，包括乳液中的水)隨乳液摻量增加依次為0.445，0.383，0.320，0.283和0.259.

表1 硫鋁酸鹽水泥的礦物組成

表2 硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)組成

表3 丁苯乳液的性能

表4 硫鋁酸鹽水泥和丁苯乳液的粒徑

Note：Particle size distribution was measured by Hydro 2 000 Mu laser particle size analyzer, and the dispersion medium was ethanol.D10：Diameter of 10% particles is smaller thanD10.D50：Average particle size.D90：Diameter of 90% particles is smaller thanD90.

1.2 試驗(yàn)方法

參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》成型試件，然后測(cè)定其干燥收縮率.試模尺寸為 40mm×40mm×160mm，先在試模2個(gè)端面中心各開1個(gè)φ6.5的孔洞，將黃銅制成的收縮頭固定在孔洞中，并使其露出試件端面8mm左右，然后將拌和好的砂漿分2次裝入試模內(nèi)，每次均振動(dòng)密實(shí)，最后抹平表面.成型后，砂漿試件帶著模具立即放入不同溫濕度條件下養(yǎng)護(hù)，24h后脫模.其中養(yǎng)護(hù)溫度分別取0，5，10，20，40℃，相對(duì)濕度(RH)取30%，60%和90%.保證脫模后試件的兩端收縮頭不松動(dòng)，用比長(zhǎng)儀測(cè)量脫模后的試件長(zhǎng)度，定為基準(zhǔn)長(zhǎng)度.然后繼續(xù)在不同溫濕度條件下養(yǎng)護(hù)，并分別測(cè)試試件在1，3，7，28，90，180，270，360 d后的長(zhǎng)度，根據(jù)各齡期的長(zhǎng)度和基準(zhǔn)長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算砂漿試件的干縮率.

2 結(jié)果與討論

2.1 砂漿干縮率測(cè)試結(jié)果

圖1～3分別給出了相對(duì)濕度為30%，60%和90%時(shí)不同溫度和不同丁苯乳液摻量下丁苯乳液/硫鋁酸鹽水泥砂漿試件的干縮率.由圖1～3可見：在相同丁苯乳液摻量下，試件的干縮率均隨著齡期的延長(zhǎng)而增大，但增長(zhǎng)速率逐漸減慢，說(shuō)明其干燥收縮是一個(gè)逐步積累的過(guò)程；不論養(yǎng)護(hù)溫濕度如何變化，試件的干縮率均隨著丁苯乳液摻量的增加而先增大后減小.當(dāng)丁苯乳液摻量為5%時(shí)，改性砂漿的干縮率均高于基準(zhǔn)砂漿(丁苯乳液摻量為0%)；當(dāng)丁苯乳液摻量達(dá)到10%后，在0～20℃養(yǎng)護(hù)下，改性砂漿的干縮率小于基準(zhǔn)砂漿，在40℃養(yǎng)護(hù)下，由于基準(zhǔn)砂漿在早期產(chǎn)生微膨脹降低了其總體干縮率，故改性砂漿干縮率大于基準(zhǔn)砂漿，且隨著丁苯乳液摻量的增加改性砂漿干縮率逐漸降低.以RH=60%，20℃養(yǎng)護(hù)條件為例(圖2(d))，與基準(zhǔn)砂漿相比，當(dāng)丁苯乳液摻量為5%時(shí)，改性砂漿360 d干縮率增長(zhǎng)了10.6%，當(dāng)丁苯乳液摻量分別為10%，15%，20%時(shí)，改性砂漿360 d干縮率分別降低了8.5%，17.0%，23.4%.

圖1 相對(duì)濕度為30%時(shí)不同溫度和不同丁苯乳液摻量下丁苯乳液/硫鋁酸鹽水泥砂漿的干縮率Fig.1 Dry shrinkage rate of styrene-butadiene copolymer dispersion/calcium sulphoaluminate cement mortar at different curing temperatures and relative humidity of 30% with different polymer contents

圖2 相對(duì)濕度為60%時(shí)不同溫度和不同聚合物摻量下丁苯乳液/硫鋁酸鹽水泥砂漿的干縮率Fig.2 Dry shrinkage rate of styrene-butadiene copolymer dispersion/calcium sulphoaluminate cement mortar at different curing temperatures and relative humidity of 60% with different polymer contents

丁苯乳液影響硫鋁酸鹽水泥砂漿干燥收縮的主要原因可能是：一方面，由于丁苯乳液活性基團(tuán)的作用，在很大程度上減小了水泥砂漿的用水量，從而減小了因多余自由水在環(huán)境中蒸發(fā)損失留下孔隙的可能性；另一方面，由于丁苯乳液能在水泥漿體中均勻分散，在砂漿中較好地成膜，阻礙了自由水的揮發(fā)，同時(shí)填充了砂漿內(nèi)部孔隙，使砂漿變得密實(shí)[18].因此摻入丁苯乳液會(huì)降低砂漿的干縮率.但丁苯乳液具有一定的引氣作用，當(dāng)其摻量為5%時(shí)，丁苯乳液未能有效地在砂漿中形成連續(xù)的膜結(jié)構(gòu)[19]，又引入了過(guò)量的微小氣泡[20]，反而降低了砂漿的密實(shí)度，增大了砂漿的干縮率.

圖3 相對(duì)濕度為90%時(shí)不同溫度和不同聚合物摻量下丁苯乳液/硫鋁酸鹽水泥砂漿的干縮率Fig.3 Dry shrinkage rate of styrene-butadiene copolymer dispersion/calcium sulphoaluminate cement mortar at different curing temperatures and relative humidity of 90% with different polymer contents

2.2 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)砂漿干縮率的影響

以相對(duì)濕度60%為例，對(duì)比相同丁苯乳液摻量、相同相對(duì)濕度和不同溫度條件下砂漿的干縮率(圖2)可見：在相同丁苯乳液摻量和相同齡期條件下，所有砂漿的干縮率均隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高而先升高后降低；當(dāng)丁苯乳液摻量為5%時(shí)，砂漿干縮率 0～7d 時(shí)在 10℃ 下呈現(xiàn)最大值，28d后在20℃下呈現(xiàn)最大值；在其余丁苯乳液摻量條件下，砂漿干縮率均在10℃下呈現(xiàn)最大值；與室溫(20℃)養(yǎng)護(hù)相比，低溫(0，5℃)養(yǎng)護(hù)條件下，所有砂漿干縮率均減??；高溫(40℃)養(yǎng)護(hù)條件下，基準(zhǔn)砂漿短齡期內(nèi)產(chǎn)生微膨脹，隨后逐漸收縮，而改性砂漿基本沒(méi)有膨脹現(xiàn)象.此外，高溫養(yǎng)護(hù)時(shí)砂漿的干縮率均小于低溫養(yǎng)護(hù)時(shí).相對(duì)濕度為30%和90%的條件下，養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)砂漿干縮率的影響規(guī)律也與相對(duì)濕度為60%的條件下類似.

養(yǎng)護(hù)溫度影響水泥砂漿干燥收縮的主要原因可能是：在低溫養(yǎng)護(hù)條件下，水泥水化硬化速率減慢，多余自由水蒸發(fā)速率減慢，從而減緩了干縮速率[21]；在高溫養(yǎng)護(hù)條件下，雖然多余自由水蒸發(fā)速率加快，在一定程度上增大了干縮率，但此溫度下硫鋁酸鹽水泥早期水化速率加快，鈣礬石生成速率提高[22]，因此產(chǎn)生了一定程度的微膨脹，抵消了一部分收縮值，同時(shí)，較高的水化程度使砂漿具有更高的抵抗收縮變形的能力，最終減小了干縮率.

2.3 相對(duì)濕度對(duì)砂漿干縮率的影響

以養(yǎng)護(hù)溫度20℃為例，對(duì)比相同丁苯乳液摻量、相同溫度和不同相對(duì)濕度條件下砂漿的干縮率，由圖1(d),2(d),3(d)可見：相同溫度、相同乳液摻量和相同齡期條件下，砂漿的干縮率均隨著相對(duì)濕度的升高而降低；在RH=30%時(shí)，砂漿干縮率最大，RH=90%時(shí)，砂漿干縮率最??；隨著齡期的延長(zhǎng)，因相對(duì)濕度引起的干縮率差距加大；在試驗(yàn)齡期范圍內(nèi)，相對(duì)濕度為30%與60%的砂漿干縮率差距都要明顯小于相對(duì)濕度為60%與90%的砂漿干縮率差距.

相對(duì)濕度影響水泥砂漿干燥收縮的主要原因可能是：養(yǎng)護(hù)環(huán)境的相對(duì)濕度在一定程度上影響了砂漿中多余自由水的蒸發(fā)速率[23].根據(jù)毛細(xì)管理論，對(duì)于一定半徑的毛細(xì)管而言，如果其相對(duì)蒸汽壓大于環(huán)境的相對(duì)濕度，則毛細(xì)管失水，因此，養(yǎng)護(hù)環(huán)境相對(duì)濕度越高，多余自由水蒸發(fā)速率越慢，漿體內(nèi)部收縮變形越小，干縮率也隨之下降[24].

3 結(jié)論

(1)不同養(yǎng)護(hù)溫度、相對(duì)濕度和齡期下，低摻量(5%)的丁苯乳液均會(huì)在一定程度上增大硫鋁酸鹽水泥砂漿的干縮率，但隨著丁苯乳液摻量的繼續(xù)提高(10%及以上)，砂漿的抗收縮性能顯著改善，且摻量越高，改善效果越顯著.

(2)養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)丁苯乳液/硫鋁酸鹽水泥砂漿的干縮率影響顯著.低溫(0℃和5℃)養(yǎng)護(hù)會(huì)減小砂漿干縮率，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的提高，砂漿干縮率逐漸增大；10℃下，砂漿的干縮率達(dá)到最大(丁苯乳液摻量為5%時(shí)，養(yǎng)護(hù)28d后砂漿干縮率在20℃時(shí)達(dá)到最大)；20℃下，砂漿的干縮率有所下降，但仍高于低溫養(yǎng)護(hù)時(shí)的干縮率；高溫養(yǎng)護(hù)(40℃)會(huì)使未改性砂漿短齡期內(nèi)產(chǎn)生微膨脹，但摻入丁苯乳液會(huì)削弱這種現(xiàn)象，且摻量越大，效果越顯著.

(3)高相對(duì)濕度養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，丁苯乳液/硫鋁酸鹽水泥砂漿表現(xiàn)出更好的抗收縮性能.