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.同濟大學 材料科學與工程學院， 上海 201804； 2.同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室， 上海 201804)

硫鋁酸鹽水泥(CSA)因其優異的服役性能[1-2](早強、高強、低堿、抗滲、耐腐蝕與抗凍融等)、生產時較低的能耗[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、物理力學性能(抗拉強度、抗折強度與黏結強度)、防水性能以及耐久性能(抗滲性與抗凍性)[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物與養護溫度及水化條件等因素密切相關，且養護環境的溫濕度對水化產物的穩定性影響顯著[11-13].硫鋁酸鹽水泥的主要水化產物為鈣礬石(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定相[14].Mehta[15]指出，在干燥環境中加熱時，AFt在 65℃ 時是穩定的，但到 93 ℃ 時會部分分解，當AFt中的結晶水消失后，會轉變為無定形物質，其后期強度存在增長不明顯甚至倒縮現象.摻入一定比例的石膏可以提高硫鋁酸鹽水泥各齡期的強度，并在一定程度上抑制強度倒縮[16]，但關于硫鋁酸鹽水泥的溫度穩定性仍存在許多爭議，使其大規模工程應用受到限制，因此探明養護溫濕度對丁苯乳液/硫鋁酸鹽水泥復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]通過與硅酸鹽水泥對比，研究了聚合物改性硫鋁酸鹽水泥砂漿的力學性能、柔韌性和干縮性能，發現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性能上較普通水泥砂漿有了明顯改善.王稷良等[18]對比研究了4種聚合物膠粉對硫鋁酸鹽水泥凝結時間、工作性、力學性能以及干縮性能的影響，發現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更小，穩定性更好.

劉紀偉等[7]研究了丁苯乳液摻量(0%～12.5%)對硫鋁酸鹽水泥修補砂漿物理力學性能的影響，指出改性砂漿的干縮性能隨著聚合物摻量的增加而呈現向好趨勢，與基準砂漿相比，聚合物摻量為12.5%時，試件28d干縮率降低42%.值得注意的是，雖然已有關于聚合物硫鋁酸鹽水泥砂漿收縮性能方面的研究，但在不同溫濕度養護條件下，其性能會有很大差異，而目前這方面的研究仍然匱乏.據此，本文研究不同溫度(0，5，10，20，40℃)，不同相對濕度(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內干縮率的變化，為探討不同養護環境下丁苯乳液/硫鋁酸鹽水泥砂漿體積穩定性和耐久性等問題提供理論參考.

1 試驗

1.1 原料和配合比

水泥：52.5級快硬硫鋁酸鹽水泥(CSA)，其礦物組成和化學組成分別列于表1，2.砂：ISO標準砂.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果如表4所示.水：自來水.消泡劑：FoamasterMO NXZ礦物油類消泡劑.

試驗所用灰砂比為1∶3，丁苯乳液摻量(以乳液固含量與水泥質量之比計，mp/mc)為0%，5%，10%，15%，20%，消泡劑按照乳液質量的2%加入，新拌砂漿流動度均控制在(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 試驗方法

參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》成型試件，然后測定其干燥收縮率.試模尺寸為 40mm×40mm×160mm，先在試模2個端面中心各開1個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，每次均振動密實，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護，24h后脫模.其中養護溫度分別取0，5，10，20，40℃，相對濕度(RH)取30%，60%和90%.保證脫模后試件的兩端收縮頭不松動，用比長儀測量脫模后的試件長度，定為基準長度.然后繼續在不同溫濕度條件下養護，并分別測試試件在1，3，7，28，90，180，270，360 d后的長度，根據各齡期的長度和基準長度來計算砂漿試件的干縮率.

2 結果與討論

2.1 砂漿干縮率測試結果

圖1～3分別給出了相對濕度為30%，60%和90%時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而增大，但增長速率逐漸減慢，說明其干燥收縮是一個逐步積累的過程；不論養護溫濕度如何變化，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.當丁苯乳液摻量為5%時，改性砂漿的干縮率均高于基準砂漿(丁苯乳液摻量為0%)；當丁苯乳液摻量達到10%后，在0～20℃養護下，改性砂漿的干縮率小于基準砂漿，在40℃養護下，由于基準砂漿在早期產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℃養護條件為例(圖2(d))，與基準砂漿相比，當丁苯乳液摻量為5%時，改性砂漿360 d干縮率增長了10.6%，當丁苯乳液摻量分別為10%，15%，20%時，改性砂漿360 d干縮率分別降低了8.5%，17.0%，23.4%.

圖1 相對濕度為30%時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 相對濕度為60%時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境中蒸發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，同時填充了砂漿內部孔隙，使砂漿變得密實[18].因此摻入丁苯乳液會降低砂漿的干縮率.但丁苯乳液具有一定的引氣作用，當其摻量為5%時，丁苯乳液未能有效地在砂漿中形成連續的膜結構[19]，又引入了過量的微小氣泡[20]，反而降低了砂漿的密實度，增大了砂漿的干縮率.

圖3 相對濕度為90%時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 養護溫度對砂漿干縮率的影響

以相對濕度60%為例，對比相同丁苯乳液摻量、相同相對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護溫度的升高而先升高后降低；當丁苯乳液摻量為5%時，砂漿干縮率 0～7d 時在 10℃ 下呈現最大值，28d后在20℃下呈現最大值；在其余丁苯乳液摻量條件下，砂漿干縮率均在10℃下呈現最大值；與室溫(20℃)養護相比，低溫(0，5℃)養護條件下，所有砂漿干縮率均減小；高溫(40℃)養護條件下，基準砂漿短齡期內產生微膨脹，隨后逐漸收縮，而改性砂漿基本沒有膨脹現象.此外，高溫養護時砂漿的干縮率均小于低溫養護時.相對濕度為30%和90%的條件下，養護溫度對砂漿干縮率的影響規律也與相對濕度為60%的條件下類似.

養護溫度影響水泥砂漿干燥收縮的主要原因可能是：在低溫養護條件下，水泥水化硬化速率減慢，多余自由水蒸發速率減慢，從而減緩了干縮速率[21]；在高溫養護條件下，雖然多余自由水蒸發速率加快，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]，因此產生了一定程度的微膨脹，抵消了一部分收縮值，同時，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 相對濕度對砂漿干縮率的影響

以養護溫度20℃為例，對比相同丁苯乳液摻量、相同溫度和不同相對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濕度的升高而降低；在RH=30%時，砂漿干縮率最大，RH=90%時，砂漿干縮率最小；隨著齡期的延長，因相對濕度引起的干縮率差距加大；在試驗齡期范圍內，相對濕度為30%與60%的砂漿干縮率差距都要明顯小于相對濕度為60%與90%的砂漿干縮率差距.

相對濕度影響水泥砂漿干燥收縮的主要原因可能是：養護環境的相對濕度在一定程度上影響了砂漿中多余自由水的蒸發速率[23].根據毛細管理論，對于一定半徑的毛細管而言，如果其相對蒸汽壓大于環境的相對濕度，則毛細管失水，因此，養護環境相對濕度越高，多余自由水蒸發速率越慢，漿體內部收縮變形越小，干縮率也隨之下降[24].

3 結論

(1)不同養護溫度、相對濕度和齡期下，低摻量(5%)的丁苯乳液均會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)養護溫度對丁苯乳液/硫鋁酸鹽水泥砂漿的干縮率影響顯著.低溫(0℃和5℃)養護會減小砂漿干縮率，隨著養護溫度的提高，砂漿干縮率逐漸增大；10℃下，砂漿的干縮率達到最大(丁苯乳液摻量為5%時，養護28d后砂漿干縮率在20℃時達到最大)；20℃下，砂漿的干縮率有所下降，但仍高于低溫養護時的干縮率；高溫養護(40℃)會使未改性砂漿短齡期內產生微膨脹，但摻入丁苯乳液會削弱這種現象，且摻量越大，效果越顯著.

(3)高相對濕度養護環境下，丁苯乳液/硫鋁酸鹽水泥砂漿表現出更好的抗收縮性能.