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(jù)調(diào)查，2021年中國水泥生產(chǎn)總量達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)相關研究發(fā)現(xiàn)，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(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?shù)鼐畚锔煽s、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(yǎng)護條件。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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，納米TiO2可加速AAS的水化進程，增大水化反應程度，使材料內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(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，許多學者[8-19]也對改善地聚物干縮性能進行了相關研究，但多數(shù)是基于高溫養(yǎng)護的地聚物，未基于最不利養(yǎng)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(yǎng)護條件下(室溫養(yǎng)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(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 試驗概況

1.1 試驗原材料

試驗原材料采用偏高嶺土、堿激發(fā)劑、外加劑、粗細骨料、水。采用經(jīng)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(wěn)定且存在的雜質(zhì)較少(見表1)。堿激發(fā)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(shù)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(shù)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(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(yǎng)護條件下(室溫養(yǎng)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(jù)，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(yǎng)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(zhì)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(zhì)量并做好記錄(此時為初始長度和質(zhì)量)，之后將試件置于室溫條件下進行養(yǎng)護，測量并記錄1～30d試件干燥收縮量與質(zhì)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(diào)0校準。

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(zhì)量；mt為齡期t時試件質(zhì)量；St為齡期t時試件失水率。

2 試驗結果分析

在室溫養(yǎng)護環(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(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(wěn)定。通過數(shù)據(jù)處理可得出，外加劑摻量為4%時，試件干縮應變?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(fā)劑發(fā)生反應形成三維網(wǎng)狀結構，隨著反應的進行，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)絡結構聚合物膜，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，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(fā)生在前7d，之后速度變緩，在23d時失水率曲線趨于穩(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。其主要原因為隨著膠凝材料和堿激發(fā)劑的反應程度不斷加深，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粉末也會損失一些水分，VAE干燥失水率大于聚合產(chǎn)物失水率。同時，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時的失水率。在VAE作用下，形成網(wǎng)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(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，試件30d干縮應變?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(xiàn)為干縮應變大于對照組；當促進效應小于阻斷效應時，表現(xiàn)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(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(yǎng)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(fā)現(xiàn)試件干縮應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，試件30d干縮應變?yōu)? 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(tǒng)，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(xiàn)為干縮應變大于對照組；當促進效應小于阻斷效應時，表現(xiàn)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(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(shù)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(shù)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(wěn)；失水率>5%時，干縮應變會出現(xiàn)一個很小的增幅。由圖14可知，干縮系數(shù)約在1d內(nèi)迅速增大達到峰值，然后隨著時間延長而減小并趨于穩(wěn)定。

3 結語

1)VAE摻量為4%時，試件干縮應變?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，試件干縮應變?yōu)?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(fā)現(xiàn)CPAM摻量為1.5%時，試件干縮應變?yōu)?2 758μm/m， 對比30d的對照組，占其71.22%。