贾恒琼，王涛，魏曌

（中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081）

0 引言

聚合物水泥砂浆是有机和无机的复合材料，是将分散于水中或溶于水中的聚合物掺入普通水泥砂浆中配制而成的。聚合物的添加赋予了水泥砂浆优异的黏结力、抗渗性、抗冻性、抗冲击性等，应用场合进一步扩大。近年来对高分子材料结构与性能的深入认识，促使越来越多的聚合物应用于水泥砂浆，改性所用的聚合物乳液主要有聚丙烯酸酯乳液、氯丁橡胶乳液、丁苯胶乳、乙酸乙烯乳液、聚醋酸乙烯乳液等。在一些需要维修后尽快开放交通的场合，如公路、铁路，聚合物快硬硫铝酸盐水泥砂浆可满足快速抢修需要，新旧材料结合较好，但砂浆的体积稳定性却鲜有研究报道[1-16]。

1 材料与方法

1.1 原材料

原材料包括：

（1）水泥：唐山六九水泥有限公司，42.5快硬硫铝酸盐水泥；

（2）细骨料：机制硅砂，细度模数1.6；

（3）聚合物乳液：上海道桥BSF公司生产的SD623，50%固含量；

（4）消泡剂：有机硅类；

（5）减水剂：聚羧酸减水剂。

另外，还有增稠剂、促凝剂和塑性膨胀剂等。

1.2 试验方法

抗折强度、抗压强度、弹性模量测试参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》。膨胀率、材料分离度参照QCR 469—2015《客运专线CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆》。

2 试验结果

2.1 砂浆早期膨胀性能

2.1.1 不同发气剂对砂浆膨胀率的影响

通过添加发气剂，在砂浆固化的同时，发气剂反应产生的气体使得体积略有膨胀，结构中含有直径为10～50 μm的微小气孔，体积膨胀率可达1%～3%，可以部分抵消后期收缩。

在硅酸盐水泥砂浆中，铝粉发气剂掺量小，发气过程易控制，砂浆孔结构细小致密，可通过调整掺量达到膨胀率要求。在强碱条件下，铝粉才能发气引起膨胀，因此要求水泥砂浆pH值较大。硅酸盐水泥拌制的砂浆pH＞12.0，而硫铝酸盐水泥拌制的砂浆pH在10.0～12.0。因此在硫铝酸盐水泥砂浆中，加入铝粉无法膨胀。对4种塑性膨胀剂进行试验，结果见表1。1#制得的砂浆断面气孔较大，加入2#制得的砂浆无法拌合，4#制得的砂浆出现假凝现象， 3#制得的砂浆因塑性膨胀剂掺量少，在砂浆中形成的气泡均匀致密，砂浆在2 h时固化后，测试膨胀率为1.1%。该发气剂是高分子复合物，在硫铝酸盐水泥水化过程中，碱金属催化作用下自身发生分解不断产生氮气来达到膨胀效果。3＃砂浆浇筑到量筒中，30 min后在量筒侧面能清楚看到有细小气泡逐渐形成并处于上升状态。

2.1.2 非接触法测定砂浆早期形变

采用非接触法测试砂浆的形变，研究其早期膨胀特性[5]，试验方法参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》。

非接触法测试砂浆的形变，从砂浆浇筑后开始测试收缩率，未添加塑性膨胀剂砂浆收缩率测试结果见图1，添加塑性膨胀剂砂浆收缩率测试结果见图2。塑性膨胀剂在砂浆未凝固阶段产生膨胀，使得砂浆在固化后具有一定的膨胀率，抵消部分干燥收缩。

从图1可知，收缩率的变化分为4个阶段：

第1阶段，0～25 min，砂浆先膨胀，膨胀率达到140×10-6；

第2阶段，25～60 min，砂浆较大幅度收缩，收缩率达到1 200×10-6，这个阶段结束时砂浆已初凝；

第3阶段，1～3 h，砂浆不再收缩，开始缓慢膨胀；

第4阶段，3 h后，砂浆体积基本保持稳定，完全固化成型。

从图2可知，添加塑性膨胀剂的砂浆收缩率变化同样分为4个阶段，不同的是，砂浆在固化前一直处于膨胀状态，固化后才产生缓慢收缩，收缩率100×10-6，比未添加塑性膨胀剂砂浆小得多。由此得出，塑性膨胀剂可以部分补偿砂浆的收缩。

表1 发气剂试验结果

图1 未添加塑性膨胀剂砂浆收缩率测试结果

图2 添加塑性膨胀剂砂浆收缩率测试结果

2.2 养护制度对砂浆收缩的影响

成型40 mm×40 mm×160 mm尺寸的砂浆，2 h砂浆固化后测试初始值，设计3种不同养护条件，测试收缩率：

（1）20 ℃，60%RH；

（2）20 ℃水浸泡；

（3）7 d，20 ℃水浸泡，之后在20 ℃、60%RH下养护，并测试2 h、1 d、2 d、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、120 d、150 d、180 d收缩率。

选取2种聚合物乳液（1#、2#），测试对应砂浆的收缩率，同时观察浇筑成1 cm厚3种砂浆在室外暴露后的开裂情况，试验数据见图3。

由图3可知，收缩率2#＞1#，室外裸露砂浆2#砂浆开裂，1#未开裂。常温下，将1#和2#聚合物乳液涂敷在玻璃板上，自然干燥后，1#聚合物干膜有一定的弹韧性，2#聚合物易折断。因此制得的1#砂浆收缩率小且具有抗开裂性。从养护条件看：

（1）20 ℃，60%RH养护的砂浆，一直在收缩；

（2）20 ℃水浸泡养护的砂浆，未收缩而且一直在膨胀；

（3）7 d，20 ℃水浸泡，之后在20 ℃、60%RH下养护的砂浆，先膨胀后收缩。

第（1）种条件更接近施工工地的情况，1#砂浆180 d的收缩率为600×10-6。养护湿度太大，不利于聚合物的干燥成膜；一定湿度养护既有利于硫铝酸盐水泥的固化，使砂浆呈现出微膨胀性，聚合物也能缓慢干燥成膜。

2.3 聚合物用量对砂浆力学和长期收缩性能的影响

2.3.1 对砂浆力学性能影响

砂浆抗折、抗压强度试件的尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，弹模试件的尺寸为100 mm×100 mm×300 mm，在20 ℃、60%RH条件下养护，测试各龄期的强度。试验方法及步骤参照GB 17671，试验结果见表2。采用4个不同的聚灰比，水灰比相同，随着聚合物掺量的增加，砂浆的抗折强度和抗压强度逐渐减小，28 d弹模也逐渐减小。

图3 砂浆收缩率试验数据

表2 砂浆力学性能试验结果

2.3.2 对砂浆收缩性能影响

随着聚合物乳液用量增加，聚灰比为0.15、0.20、0.22、0.27的收缩率见图4。随着聚合物乳液的用量增加，力学性能下降，当增加到聚灰比为0.20以上时，后期收缩率较大，可能是因为聚合物在结构中占比过大，原本伸展的链段在后期逐渐卷曲，根据势能最低原理，聚合物链段趋向于卷曲状态时能量最低，因此聚合物乳液用量不是越高越好，带来成本提高的同时，性能也会大幅下降。因此，建议砂浆中聚灰比在0.20以下为宜。

2.4 砂浆微观形貌分析

对聚灰比为0.15、0.20、0.22、0.27的砂浆进行SEM扫描电镜观察（见图5），由图5可知，砂浆结构为：聚合物形成的薄膜与水泥水化物结晶体形成互传网络。当聚灰比为0.15时，从以水泥水化物结晶体为主，聚合物薄膜分布较少；随着聚合物用量的增加，当聚灰比为0.27时，聚合物已形成连续的薄膜状。

图4 砂浆收缩率随聚合物乳液用量的变化规律

3 结论

（1）通过添加塑性膨胀剂，砂浆在固化前有一定的体积膨胀。用非接触法研究砂浆的早期自由形变，砂浆先膨胀后收缩。

（2）不同养护制度对砂浆收缩影响较大，养护湿度太大，不利于聚合物的干燥成膜，一定湿度养护有利于硫铝酸盐水泥的固化，呈现出微膨胀性。

（3）随着聚合物用量的增加，聚合物链段一直处于自发卷曲发展过程，表现为砂浆收缩增大，聚灰比以0.20以下为宜。

（4）从砂浆微观形貌分析，随着聚灰比增加，结构中以聚合物形成连续的薄膜状为主。