自流平修補砂漿的干燥收縮研究

侯永生 單繼雄 劉雄偉 呂軍軍

(河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心 石家莊 500090)

我國水泥混凝土路面保有量巨大，而隨著居民車輛保有量的迅猛增長、交通量的不斷攀升，混凝土路面在服役過程中受到環(huán)境的侵蝕作用而逐漸劣化，出現(xiàn)不同程度的病害，如裂紋、麻面、坑槽、斷板、錯臺等，造成路面使用功能下降，形成安全隱患[1]。

針對路面修復(fù)的快速修補材料目前已有較多研究，種類也較多，但均存在一些顯著的缺點限制了其廣泛應(yīng)用。以硫鋁酸鹽水泥材料為例，其具有早強快凝的優(yōu)點，但存在后期強度倒縮、新舊混凝土黏結(jié)強度不足的問題[2]。磷酸鎂水泥具有早強快凝、黏結(jié)強度高的優(yōu)點，但存在耐水性差，易強度倒縮的問題[3]。聚合物改性水泥基修補砂漿通過在水泥基材料中引入聚合物組分，可顯著改善與舊水泥路面的黏結(jié)強度，提高材料的變形能力，是目前修補材料研究的主流方向[4]。

本文提到的自流平修補砂漿是一種針對水泥路面修補的聚合物改性水泥基修補材料，其具有流動性好施工便捷等優(yōu)點，將其用于水泥混凝土路面罩面，可以起到恢復(fù)路面使用功能，快速開放交通的作用[5]。

目前對自流平修補砂漿的研究關(guān)于組成設(shè)計及提高界面黏結(jié)強度的較多，針對干縮方面的研究還相對不足，自流平修補砂漿應(yīng)用時面臨開放交通早的問題，使其難以得到充分的養(yǎng)護，面臨較大的干縮問題。而干縮的大小直接影響到修補砂漿與基底混凝土是否黏結(jié)牢固，是否容易開裂等一系列問題。目前的干縮研究多是在溫濕度較為恒定的條件下進行的，難以反映實際服役狀態(tài)下的收縮行為。因此，本文研究在自然環(huán)境下，直接暴露或覆膜時，材料組成對自流平砂漿干縮行為的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗所用水泥為P·O 52.5水泥，28 d抗折強度8.2 MPa，抗壓強度55.2 MPa；硅灰為92級，平均粒徑13 μm；膨脹劑為UEA型膨脹劑。可再分散乳膠粉為德國瓦克生產(chǎn)的8034型乳膠粉；減水劑為粉體聚羧酸減水劑。河砂細度模數(shù)為2.4，含泥量1.1%。

為研究膨脹劑摻量對干收縮的影響，設(shè)置其摻量(質(zhì)量分數(shù)，下同)為5%，10%；提高自流平修補砂漿的早期和后期強度，摻入5%的硅灰；研究可再分散乳膠粉摻量對修補砂漿干燥收縮的影響，其摻量設(shè)置為1%，2%。具體試驗配合比設(shè)計見表1。控制用水量不變，通過適度調(diào)整減水劑用量使各砂漿流動擴展度在220～230 mm。

表1 自流平砂漿配合比 kg/m3

1.2 試驗方法

砂漿制備過程參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢測方法》進行，先將水加入，接著加入稱量好的粉料，開始攪拌。低速攪拌30 s后在第二個30 s內(nèi)將稱量好的河砂均勻加入攪拌鍋內(nèi)，再高速攪拌30 s，停拌90 s后再高速攪拌60 s后結(jié)束；成型及測試參照JGJ/T 70-2009 《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》進行。各編號分別成型2組試件，成型后置于(20±2)℃、相對濕度≥95%的環(huán)境中帶模養(yǎng)護，1 d后脫模。

為研究自然養(yǎng)護時覆膜條件下修補砂漿的體積變形行為，脫模后一組不做處理，另一組表面覆蓋塑料薄膜以延緩水分散失，將2組試件置于 (25 ± 5) ℃、相對濕度(50 ± 15)%的自然環(huán)境下養(yǎng)護，每天固定時間記錄1次數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 自然養(yǎng)護條件下試件體積變化

空白樣(第1組)、摻5%膨脹劑(第2組)、摻5%硅灰(第4組)、摻5%膨脹劑+1%可再分散乳膠粉(第6組)自流平砂漿在自然養(yǎng)護條件下的體積變化見圖1。

圖1 自然養(yǎng)護條件下自流平砂漿干縮測試(一)

由圖1可見，自流平砂漿的干縮在前2 d增長迅速，之后收縮速率逐漸下降，14 d時接近穩(wěn)定。摻入硅灰后，1 d干縮值有所增大，14 d干縮值略小于空白樣。分析造成這種現(xiàn)象的原因為摻入硅灰后促進了水泥漿體的早期水化，使得試件的早期自干燥收縮增大[6]。同時摻入硅灰可以細化孔徑，有助于減少試件因環(huán)境失水產(chǎn)生的收縮。而從試驗結(jié)果來看，摻入5%膨脹劑，砂漿的干縮率與空白樣比較接近，分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因為膨脹劑的補償收縮效果與膨脹劑水化消耗水分產(chǎn)生的收縮近似抵消所致。

通過比較圖1中第2組與第6組試件可知，復(fù)摻可再分散乳膠粉后干縮值略有增大。分析認為摻入可再分散乳膠粉后試件受三方面綜合作用：①試件的抗壓彈性模量減小，抵御變形的能力下降，失水時產(chǎn)生更大的收縮；②可再分散乳膠粉具有減水作用，在水膠比不變的情況下使得自由水增多，導(dǎo)致干縮增大；③可再分散乳膠粉具有成膜保水作用，可抑制部分水分散失，使干縮減少。在這三者的共同作用下，最終表現(xiàn)為收縮增大。

空白樣、摻入10%膨脹劑(第3組)、10%膨脹劑+5%硅灰(第5組)、10%膨脹劑+5%硅灰+2%可再分散乳膠粉(第7組)在自然條件下養(yǎng)護下試件的體積變化情況見圖2。

圖2 自然養(yǎng)護條件下自流平砂漿干縮測試(二)

由圖2可見，摻入10%的膨脹劑后，砂漿1 d發(fā)生明顯的膨脹，之后又迅速回落，早期干縮速率明顯增大，14 d的干燥收縮明顯大于空白樣。分析造成這種現(xiàn)象的原因為，①膨脹劑摻入后增大的砂漿的孔隙率，使收縮應(yīng)力增大；②膨脹劑的水化造成砂漿內(nèi)部自收縮加劇。

通過比較可以看出，當硅灰與10%膨脹劑同復(fù)摻時，砂漿1 d時膨脹量明顯減小，顯示摻入硅灰對膨脹劑的膨脹存在明顯的抑制作用。后期干縮值較單獨摻入膨脹劑小，顯示摻入硅灰有助于提高砂漿的體積穩(wěn)定性。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因為，對于摻膨脹劑的砂漿試件，硅灰水化消耗大量的Ca(OH)2，而UEA膨脹劑水化生成鈣礬石亦需要與Ca(OH)2反應(yīng)才能進行，同時硅灰還提高試件的強度，因此對膨脹劑的膨脹效果起到了抑制作用。

而通過比較圖2中第5組與第7組測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻入2%乳膠粉后，砂漿早期發(fā)生明顯的膨脹，膨脹量略小于單摻10%膨脹劑而明顯大于同時摻入膨脹劑和硅灰。分析認為產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因為，①可再分散乳膠粉具有一定的緩凝作用，有助于延長膨脹劑的有效窗口期[7]；②可再分散乳膠粉的減水和成膜保水作用，為膨脹劑的水化提供更多水分并可減少水分散失，使膨脹劑的效果更有效地發(fā)揮。

2.2 覆膜條件下的試件體積變化

覆膜條件下，空白樣、摻5%膨脹劑、摻5%硅灰、摻5%膨脹劑+1%可再分散乳膠粉自流平砂漿的體積變化見圖3。

圖3 覆膜條件下自流平砂漿干縮測試(一)

由圖3可見，單摻5%的膨脹劑和單摻5%的硅灰在覆膜條件下，干縮值明顯小于空白樣，同時復(fù)摻膨脹劑和乳膠粉后，干縮值較單摻膨脹劑有所增大。分析認為覆膜后降低了試件的干燥失水速率，使得試件早期強度發(fā)展時，收縮較小。當失水逐漸增加時，試件的強度已有明顯發(fā)展，抵御變形的能力增強，使收縮減小。

在覆膜養(yǎng)護下，空白樣、摻入10%膨脹劑、摻10%膨脹劑+5%硅灰、摻10%膨脹劑+5%硅灰+2%可再分散乳膠粉試件的體積變化情況見圖4。

圖4 覆膜條件下自流平砂漿干縮測試(二)

由圖4可見，在覆膜養(yǎng)護下，摻有10%膨脹劑的第3，5，7組試件的早期膨脹值均比自然養(yǎng)護有所增大。分析原因應(yīng)是早期水分散失的減少，使得早期有更多的水分保障膨脹劑的水化，使得膨脹增大；水分散失減少亦使得毛細孔的收縮應(yīng)力減少，綜合作用下表現(xiàn)為早期膨脹增大。與自然養(yǎng)護有明顯不同的是，上述3組試件的14 d干縮值明顯小于同條件養(yǎng)護的空白試件，顯示在覆膜條件下，摻入膨脹劑可以起到較好的補償收縮作用。

與自然養(yǎng)護相類似的是，復(fù)摻膨脹劑和硅灰與單摻膨脹劑相比，早期膨脹和14 d的干燥收縮均有所減少，顯示摻入硅灰對膨脹劑的膨脹存在抑制作用。

該研究結(jié)果顯示，覆膜養(yǎng)護對自流平修補砂漿的干燥收縮有顯著影響，在京張高速服務(wù)區(qū)鋪筑試驗段后，經(jīng)觀察未發(fā)現(xiàn)明顯開裂現(xiàn)象，為該材料的后續(xù)工程推廣奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

1) 自然養(yǎng)護條件下，試件的早期干縮迅速增大，7 d后趨于穩(wěn)定。摻入10% UEA膨脹劑早期膨脹后，干縮迅速增大，14 d干縮值明顯大于空白樣，起不到補償收縮效果。

2) 硅灰對UEA膨脹劑的膨脹效果有明顯的抑制作用。

3) 在摻入可再分散乳膠粉后，試件的干縮有所增大，有助于膨脹劑膨脹效果的發(fā)揮。

4) 在覆膜條件下，摻入膨脹劑可以起到較好的補償收縮作用。