不同外加劑對地聚物砂漿干縮性能的影響研究*

王德法，聶守權，雒乙平，郝麗君，高 祥

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

0 引言

水泥為工程中最常用的建筑材料之一，據調查，2021年中國水泥生產總量達22.2億t，占全世界生產總量的一半還要多，生產水泥原料的開采與制備工藝均消耗大量能源，并且在生產過程中還會產生大量溫室氣體[1]，尋找一種綠色環保的普通硅酸鹽水泥替代品成為重中之重。據相關研究發現，地聚物具有良好的耐腐蝕性、快硬早強、耐高溫、低導熱、耐火性且原料豐富、生產工藝簡便。更重要的是，地聚物是一種綠色節能環保材料，但干縮開裂現象限制了地聚物在實際工程中的應用。目前，有很多改善地聚物材料收縮的措施，許多學者通過加入膨脹劑來補償地聚物干縮、摻加其他化學試劑來抑制收縮、摻加纖維材料來提高材料抗拉強度及采用合適的養護條件。Bakharev等[2]研究發現，在礦渣基地聚物中加入萘甲醛減水劑失效，加入木質素磺酸鹽減水劑可使地聚物收縮量降低；還發現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]研究發現，將乙二醇加入粉煤灰基地聚物中不僅可使干縮量降低，延遲裂紋萌生的時間、減小裂紋尺寸，還可使粉煤灰基地聚物強度不變。Yang等[4]研究發現，將納米TiO2摻入礦渣基地聚物中，在降低干縮的同時，還可提高地聚物抗壓強度；研究還發現，納米TiO2可加速AAS的水化進程，增大水化反應程度，使材料內部形成致密的微觀結構。Palacios等[5]在高爐礦渣基地聚物中加入聚丙二醇基SRA發現有減小干縮的效果，并通過試驗顯示自收縮降低達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現，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，許多學者[8-19]也對改善地聚物干縮性能進行了相關研究，但多數是基于高溫養護的地聚物，未基于最不利養護條件下對地聚物干縮性能進行研究。因此，本文將地聚物試件置于最不利養護條件下(室溫養護)，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 試驗概況

1.1 試驗原材料

試驗原材料采用偏高嶺土、堿激發劑、外加劑、粗細骨料、水。采用經河南省鞏義市萬達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，偏高嶺土化學成分穩定且存在的雜質較少(見表1)。堿激發劑的主要化學成分為氫氧化鈉，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組成及參數如表2所示，片狀苛性鈉化學組成如表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種外加劑性能參數如表4，5所示。細骨料為中砂，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 硅酸鈉粉末化學組成及參數

表3 片狀苛性鈉組成成分 %

表4 VAE性能參數

表5 PAM性能參數

圖1 細骨料級配曲線

1.2 試驗儀器

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 干縮試驗裝置

1.3 試驗方案

將地聚物砂漿試件置于最不利養護條件下(室溫養護)，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)進行比較。

表6 3種外加劑摻量

1.4 試驗方法

以JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》為依據，試驗試件尺寸為40mm×40mm×160mm。選用地聚物砂漿水膠比為0.32，砂灰比為2.4，養護條件為溫度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，同時用精度0.5g的電子臺秤稱量質量。

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

1)測量前將砂漿收縮膨脹儀上的千分表調0校準。

2)放入地聚物砂漿試件，測量其初始長度和質量，測量3次，取平均值。

3)千分表調0，記錄地聚物砂漿干縮量和質量變化，并計算對應干縮率與失水率：

(1)

式中：εt為齡期t時試件干縮長度變化率；Lt為齡期t時試件長度(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量；mt為齡期t時試件質量；St為齡期t時試件失水率。

2 試驗結果分析

在室溫養護環境條件下，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現明顯裂紋，干縮情況發生很大改善，觀察摻入不同含量的APAM，CPAM試件外觀也可發現，摻入APAM，CPAM試件的外觀與對照組對比可發現裂紋明顯減少。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間-干縮應變曲線與時間-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變曲線

由圖7可知，摻入VAE后，試件干縮應變出現明顯減小現象，可看出干縮在前3d發展迅速，之后趨于平緩。對照組(未添加無外加劑)在第3天的干縮應變達到30d的87%，而對比加入外加劑的試件，在第3天的干縮應變遠小于無摻加外加劑試件，且從曲線中也可以看出，外加劑含量增加時干縮應變隨之減小，且均在30d左右趨于穩定。通過數據處理可得出，外加劑摻量為4%時，試件干縮應變為1 938.32μm/m，對比30d無外加劑的對照組，僅占其50%，比對照組在3d的應變還小42.5%。其主要原因為VAE粉末加入地聚物砂漿后均勻分散在漿體中，膠凝材料會與堿激發劑發生反應形成三維網狀結構，隨著反應的進行，熱量釋放，系統中的水分蒸發，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，形成網絡結構聚合物膜，包裹聚合產物，這些薄膜提高了地聚物砂漿抗收縮能力。同時，當VAE粉末分散在漿液中時，填充漿液中的孔隙，使砂漿結構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，試件失水主要發生在前7d，之后速度變緩，在23d時失水率曲線趨于穩定。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。其主要原因為隨著膠凝材料和堿激發劑的反應程度不斷加深，砂漿系統中的水分不斷流失，致使失水率逐漸增大。而地聚物砂漿早期發展相對較快，因此，失水率的增加主要發生在早期。在反應過程中，除了聚合產物生成過程中的失水外，添加的VAE粉末也會損失一些水分，VAE干燥失水率大于聚合產物失水率。同時，由于VAE的減水作用，混合后系統中的自由水增加，因此添加VAE后的失水率大于未添加VAE時的失水率。在VAE作用下，形成網絡結構的聚合物膜，通過堵塞水的進出口來控制失水率。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變曲線如圖9所示，與摻入VEA相同，試件干縮應變均在前3d迅速增長，3d后趨于平緩。并且試件干縮應變未隨著外加劑摻量的增加出現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，試件30d干縮應變為 2 435μm/m， 對比30d的對照組，僅占其62.88%，出現這種現象的原因為作為一種水溶性聚合物，APAM在溶解時會電離帶有不同電荷的離子，離子之間的同性排斥會分散聚集的大分子團，從而促進水分子遷移，導致過度干燥收縮。同時，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動，限制砂漿干燥收縮。因此，在不同APAM摻量下，當促進效應大于阻斷效應時，表現為干縮應變大于對照組；當促進效應小于阻斷效應時，表現為干縮應變小于對照組。

圖9 不同摻量APAM下地聚物砂漿試件干縮應變曲線

不同摻量APAM下地聚物砂漿失水率曲線如圖10所示，試件失水主要發生在前7d，之后速度變得緩慢，在28d失水率曲線趨于穩定。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。出現這種現象的原因為APAM分子鏈上含有的極性基團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。將試件置于標準養護箱，一段時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，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變曲線如圖11所示，與另外2種外加劑相同，試件干縮應變均在前3d迅速增長，3d后趨于平緩。并且可發現試件干縮應變隨著外加劑摻量的增加呈現先減小再增大然后再減小的趨勢。外加劑摻量為1.5%時，試件30d干縮應變為2 758μm/m，對比30d的對照組，僅占其71.22%。其主要原因為CPAM促進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，從而帶走部分水分，導致干燥收縮增加，同時，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動，并限制了砂漿干燥收縮。與APAM影響相同，當促進效應大于阻斷效應時，表現為干縮應變大于對照組；當促進效應小于阻斷效應時，表現為干縮應變小于對照組。

圖11 不同摻量CPAM下地聚物砂漿試件干縮應變曲線

不同摻量CPAM下地聚物砂漿試件失水率曲線如圖12所示，試件失水主要發生在前10d，之后速度變得緩慢，24d失水率曲線趨于穩定。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。因為CPAM的絮凝作用會帶走水分，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，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系，建立失水率-干縮應變關系曲線(見圖13)及時間-干縮系數關系曲線(見圖14)。

圖13 失水率-干縮應變關系曲線

圖14 時間-干縮系數關系曲線

由圖13可知，失水率<2%時，干縮應變呈線性迅速增長；失水率>2%且<5%時，干縮應變增長緩慢，曲線趨于平穩；失水率>5%時，干縮應變會出現一個很小的增幅。由圖14可知，干縮系數約在1d內迅速增大達到峰值，然后隨著時間延長而減小并趨于穩定。

3 結語

1)VAE摻量為4%時，試件干縮應變為 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，說明VAE能有效改善地聚物干縮現象。

2)不同APAM摻量對干縮系數影響很大，研究發現APAM摻量為2.5%時，試件干縮應變為 2 435μm/m， 對比30d的對照組，占其62.88%。

3)CPAM摻量不大時，可減小地聚物砂漿收縮，試驗發現CPAM摻量為1.5%時，試件干縮應變為 2 758μm/m， 對比30d的對照組，占其71.22%。