不同外加剂对地聚物砂浆干缩性能的影响研究*

王德法，聂守权，雒乙平，郝丽君，高 祥

(1.西安理工大学土木建筑工程学院，陕西 西安 710048； 2.西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048； 3.泰山科技学院建筑工程学院，山东 泰安 271038)

0 引言

水泥为工程中最常用的建筑材料之一，据调查，2021年中国水泥生产总量达22.2亿t，占全世界生产总量的一半还要多，生产水泥原料的开采与制备工艺均消耗大量能源，并且在生产过程中还会产生大量温室气体[1]，寻找一种绿色环保的普通硅酸盐水泥替代品成为重中之重。据相关研究发现，地聚物具有良好的耐腐蚀性、快硬早强、耐高温、低导热、耐火性且原料丰富、生产工艺简便。更重要的是，地聚物是一种绿色节能环保材料，但干缩开裂现象限制了地聚物在实际工程中的应用。目前，有很多改善地聚物材料收缩的措施，许多学者通过加入膨胀剂来补偿地聚物干缩、掺加其他化学试剂来抑制收缩、掺加纤维材料来提高材料抗拉强度及采用合适的养护条件。Bakharev等[2]研究发现，在矿渣基地聚物中加入萘甲醛减水剂失效，加入木质素磺酸盐减水剂可使地聚物收缩量降低；还发现加入石膏与一种可溶性芳基磺酸盐引气剂，也可使矿渣基地聚物混凝土收缩降低。Ling等[3]研究发现，将乙二醇加入粉煤灰基地聚物中不仅可使干缩量降低，延迟裂纹萌生的时间、减小裂纹尺寸，还可使粉煤灰基地聚物强度不变。Yang等[4]研究发现，将纳米TiO2掺入矿渣基地聚物中，在降低干缩的同时，还可提高地聚物抗压强度；研究还发现，纳米TiO2可加速AAS的水化进程，增大水化反应程度，使材料内部形成致密的微观结构。Palacios等[5]在高炉矿渣基地聚物中加入聚丙二醇基SRA发现有减小干缩的效果，并通过试验显示自收缩降低达85%，干缩降低约50%。Fang等[6]在高炉矿渣基地聚物中加入高活性氧化镁发现，干缩也可得到控制，且掺入镁也可提高地聚物抗裂性。Kheradmand等[7]在粉煤灰基地聚物砂浆中掺入占浆料0.08%～0.8%聚合物纤维能有效限制地聚物砂浆裂缝大小与干缩率。

目前，许多学者[8-19]也对改善地聚物干缩性能进行了相关研究，但多数是基于高温养护的地聚物，未基于最不利养护条件下对地聚物干缩性能进行研究。因此，本文将地聚物试件置于最不利养护条件下(室温养护)，对地聚物砂浆掺入3种不同含量外加剂VAE(乳胶分散剂)、APAM(PAM阴离子)、CPAM(PAM阳离子)，研究在室温环境下3种不同含量外加剂对地聚物砂浆干缩性能的影响。

1 试验概况

1.1 试验原材料

试验原材料采用偏高岭土、碱激发剂、外加剂、粗细骨料、水。采用经河南省巩义市万达检测中心检测合格的红色偏高岭土，纯度很高，硅灰比1.0，有效成分占92.7%，偏高岭土(metakaolin，MK)是将高岭土置于800℃高温进行煅烧后形成的高活性无定型硅酸铝。成分分析显示，偏高岭土化学成分稳定且存在的杂质较少(见表1)。碱激发剂的主要化学成分为氢氧化钠，由硅酸钠固体粉末、片状氢氧化钠和水按一定比例配制而成。固体硅酸钠粉末化学组成及参数如表2所示，片状苛性钠化学组成如表3所示。外加剂分别为1600W型APAM、白色粉末状德国瓦克牌5044N型VAE、1200W型CPAM，3种外加剂性能参数如表4，5所示。细骨料为中砂，含泥量<2%，购自陕西省周至县某砂石厂，级配曲线如图1所示。粗骨料选用连续级配天然碎石，含泥量<1%，最大粒径<15mm，粒径5～9mm碎石占粗骨料的45%，粒径为 10～15mm 碎石占粗骨料的55%，购自河南省南阳市南召县某砂石厂。水为生活用自来水。

表1 偏高岭土成分含量 %

表2 硅酸钠粉末化学组成及参数

表3 片状苛性钠组成成分 %

表4 VAE性能参数

表5 PAM性能参数

图1 细骨料级配曲线

1.2 试验仪器

采用的仪器为SP-175型砂浆收缩膨胀仪、精度为0.5g的电子台秤，分别如图2，3所示。

图2 电子台秤

图3 干缩试验装置

1.3 试验方案

将地聚物砂浆试件置于最不利养护条件下(室温养护)，采用外掺法对地聚物砂浆掺入3种不同含量外加剂VAE，APAM，CPAM，掺量如表6所示。将不同掺量VAE，APAM，CPAM，与对照组(未掺入外加剂的地聚物砂浆试件)进行比较。

表6 3种外加剂掺量

1.4 试验方法

以JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》为依据，试验试件尺寸为40mm×40mm×160mm。选用地聚物砂浆水胶比为0.32，砂灰比为2.4，养护条件为温度22～26℃、湿度40%～50%，加入25.64g氢氧化钠。采用SP-175型砂浆收缩膨胀仪测量地聚物砂浆干缩量，同时用精度0.5g的电子台秤称量质量。

试件需在24h后进行脱模处理，脱模后用仪器测量试件长度和质量并做好记录(此时为初始长度和质量)，之后将试件置于室温条件下进行养护，测量并记录1～30d试件干燥收缩量与质量损失量。试验操作流程如下。

1)测量前将砂浆收缩膨胀仪上的千分表调0校准。

2)放入地聚物砂浆试件，测量其初始长度和质量，测量3次，取平均值。

3)千分表调0，记录地聚物砂浆干缩量和质量变化，并计算对应干缩率与失水率：

(1)

式中：εt为龄期t时试件干缩长度变化率；Lt为龄期t时试件长度(mm)；L0为试件脱模后的原始长度(mm)。

(2)

式中：m0为试件脱模后的初始质量；mt为龄期t时试件质量；St为龄期t时试件失水率。

2 试验结果分析

在室温养护环境条件下，掺入3种不同掺量外加剂对地聚物砂浆试件外观表面的干缩产生了不同影响(见图4～6)。由图4～6可知，掺入外加剂VAE后，试件表面发生了明显变化，与对照组对比可看出，在掺入外加剂后试件表面未发现明显裂纹，干缩情况发生很大改善，观察掺入不同含量的APAM，CPAM试件外观也可发现，掺入APAM，CPAM试件的外观与对照组对比可发现裂纹明显减少。因此，掺入一定量的外加剂能改善地聚物砂浆干缩性能。

图5 不同掺量APAM下地聚物砂浆试件外观

图6 不同掺量CPAM下地聚物砂浆试件外观

不同掺量VAE下地聚物砂浆试件时间-干缩应变曲线与时间-失水率曲线分别如图7，8所示。

图7 不同掺量VAE下地聚物砂浆试件干缩应变曲线

由图7可知，掺入VAE后，试件干缩应变出现明显减小现象，可看出干缩在前3d发展迅速，之后趋于平缓。对照组(未添加无外加剂)在第3天的干缩应变达到30d的87%，而对比加入外加剂的试件，在第3天的干缩应变远小于无掺加外加剂试件，且从曲线中也可以看出，外加剂含量增加时干缩应变随之减小，且均在30d左右趋于稳定。通过数据处理可得出，外加剂掺量为4%时，试件干缩应变为1 938.32μm/m，对比30d无外加剂的对照组，仅占其50%，比对照组在3d的应变还小42.5%。其主要原因为VAE粉末加入地聚物砂浆后均匀分散在浆体中，胶凝材料会与碱激发剂发生反应形成三维网状结构，随着反应的进行，热量释放，系统中的水分蒸发，VAE粉末也逐渐聚合成絮凝状，并不断积聚在孔隙中及浆液和砾石之间的界面，形成网络结构聚合物膜，包裹聚合产物，这些薄膜提高了地聚物砂浆抗收缩能力。同时，当VAE粉末分散在浆液中时，填充浆液中的孔隙，使砂浆结构中的大孔隙变成小孔隙，通过改善砂浆宏观性能及孔径级配和分布，降低收缩率。

由图8可知，试件失水主要发生在前7d，之后速度变缓，在23d时失水率曲线趋于稳定。对比对照组，掺入外加剂后，试件失水率增大，且从曲线变化可看出，失水率未随着外加剂掺量的增加而增大。其主要原因为随着胶凝材料和碱激发剂的反应程度不断加深，砂浆系统中的水分不断流失，致使失水率逐渐增大。而地聚物砂浆早期发展相对较快，因此，失水率的增加主要发生在早期。在反应过程中，除了聚合产物生成过程中的失水外，添加的VAE粉末也会损失一些水分，VAE干燥失水率大于聚合产物失水率。同时，由于VAE的减水作用，混合后系统中的自由水增加，因此添加VAE后的失水率大于未添加VAE时的失水率。在VAE作用下，形成网络结构的聚合物膜，通过堵塞水的进出口来控制失水率。随着掺入量增加，失水率逐渐降低。在本试验中，由于VAE用量太小，形成的膜不足以阻碍水的迁移，因此，失水率随用量的增加无明显下降趋势。

图8 不同掺量VAE下地聚物砂浆试件失水率曲线

掺入不同含量APAM地聚物砂浆试件干缩应变曲线如图9所示，与掺入VEA相同，试件干缩应变均在前3d迅速增长，3d后趋于平缓。并且试件干缩应变未随着外加剂掺量的增加出现始终增加或减小的变化，而是先增加再减小再增加。外加剂掺量为2.5%时，试件30d干缩应变为 2 435μm/m， 对比30d的对照组，仅占其62.88%，出现这种现象的原因为作为一种水溶性聚合物，APAM在溶解时会电离带有不同电荷的离子，离子之间的同性排斥会分散聚集的大分子团，从而促进水分子迁移，导致过度干燥收缩。同时，APAM还具有良好的成膜性能，形成的薄膜可在一定程度上阻碍水分子运动，限制砂浆干燥收缩。因此，在不同APAM掺量下，当促进效应大于阻断效应时，表现为干缩应变大于对照组；当促进效应小于阻断效应时，表现为干缩应变小于对照组。

图9 不同掺量APAM下地聚物砂浆试件干缩应变曲线

不同掺量APAM下地聚物砂浆失水率曲线如图10所示，试件失水主要发生在前7d，之后速度变得缓慢，在28d失水率曲线趋于稳定。对比对照组，掺入APAM后，试件失水率增大，并且失水率随着外加剂掺量的增加而减小。出现这种现象的原因为APAM分子链上含有的极性基团通过吸附悬浮在溶液中的固体颗粒，使粒子间架桥或通过中和电荷聚集颗粒来形成大的絮凝物。将试件置于标准养护箱，一段时间后可明显观察到试件表面析出凝胶状晶体，这些胶状体中带出部分水分，所以掺入APAM后试件失水率会高于对照组。随着APAM掺量增加，地聚物砂浆中对水分黏滞作用加强，一定程度上限制了水分的迁移，使失水率减小。

图10 不同掺量APAM下地聚物砂浆试件失水率曲线

不同掺量CPAM下地聚物砂聚试件干缩应变曲线如图11所示，与另外2种外加剂相同，试件干缩应变均在前3d迅速增长，3d后趋于平缓。并且可发现试件干缩应变随着外加剂掺量的增加呈现先减小再增大然后再减小的趋势。外加剂掺量为1.5%时，试件30d干缩应变为2 758μm/m，对比30d的对照组，仅占其71.22%。其主要原因为CPAM促进胶体颗粒聚集成大絮体，并通过架桥絮凝功能将其排出砂浆系统，从而带走部分水分，导致干燥收缩增加，同时，CPAM也具有良好的成膜性能，形成的薄膜在一定程度上阻碍了水分子运动，并限制了砂浆干燥收缩。与APAM影响相同，当促进效应大于阻断效应时，表现为干缩应变大于对照组；当促进效应小于阻断效应时，表现为干缩应变小于对照组。

图11 不同掺量CPAM下地聚物砂浆试件干缩应变曲线

不同掺量CPAM下地聚物砂浆试件失水率曲线如图12所示，试件失水主要发生在前10d，之后速度变得缓慢，24d失水率曲线趋于稳定。对比对照组，在掺入CPAM后，试件失水率增大，并且由曲线变化可知，失水率随着外加剂掺量的增加而减小。因为CPAM的絮凝作用会带走水分，因此添加CPAM的失水率高于未添加外加剂的失水速率。且随着CPAM含量的增加，地聚物砂浆中水的黏度增强，这在一定程度上限制了水分迁移，降低了失水率。

图12 不同掺量CPAM下地聚物砂浆试件失水率曲线

为方便观察在掺入外加剂情况下试件失水与干缩的关系，建立失水率-干缩应变关系曲线(见图13)及时间-干缩系数关系曲线(见图14)。

图13 失水率-干缩应变关系曲线

图14 时间-干缩系数关系曲线

由图13可知，失水率<2%时，干缩应变呈线性迅速增长；失水率>2%且<5%时，干缩应变增长缓慢，曲线趋于平稳；失水率>5%时，干缩应变会出现一个很小的增幅。由图14可知，干缩系数约在1d内迅速增大达到峰值，然后随着时间延长而减小并趋于稳定。

3 结语

1)VAE掺量为4%时，试件干缩应变为 1 938.32μm/m， 对比30d的对照组，占其50%，适量掺加VAE可有效降低地聚物砂浆干缩系数，说明VAE能有效改善地聚物干缩现象。

2)不同APAM掺量对干缩系数影响很大，研究发现APAM掺量为2.5%时，试件干缩应变为 2 435μm/m， 对比30d的对照组，占其62.88%。

3)CPAM掺量不大时，可减小地聚物砂浆收缩，试验发现CPAM掺量为1.5%时，试件干缩应变为 2 758μm/m， 对比30d的对照组，占其71.22%。