不同温湿度下丁苯乳液/硫铝酸盐水泥砂浆的干缩率

王 茹， 张 韬

(1.同济大学 材料科学与工程学院， 上海 201804； 2.同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室， 上海 201804)

硫铝酸盐水泥(CSA)因其优异的服役性能[1-2](早强、高强、低碱、抗渗、耐腐蚀与抗冻融等)、生产时较低的能耗[3]以及较少的碳排放量[4-6]，日益受到青睐.在硫铝酸盐水泥基材料中加入聚合物，能显著提高水泥基材料的工作性能、物理力学性能(抗拉强度、抗折强度与黏结强度)、防水性能以及耐久性能(抗渗性与抗冻性)[7-9].丁苯(SB)乳液与硫铝酸盐水泥相容性较好，改性效果较显著[10].但硫铝酸盐水泥的水化特性及水化产物与养护温度及水化条件等因素密切相关，且养护环境的温湿度对水化产物的稳定性影响显著[11-13].硫铝酸盐水泥的主要水化产物为钙矾石(AFt)晶体，其含量1)约占水化相的65%，但AFt晶体是一种高温不稳定相[14].Mehta[15]指出，在干燥环境中加热时，AFt在 65℃ 时是稳定的，但到 93 ℃ 时会部分分解，当AFt中的结晶水消失后，会转变为无定形物质，其后期强度存在增长不明显甚至倒缩现象.掺入一定比例的石膏可以提高硫铝酸盐水泥各龄期的强度，并在一定程度上抑制强度倒缩[16]，但关于硫铝酸盐水泥的温度稳定性仍存在许多争议，使其大规模工程应用受到限制，因此探明养护温湿度对丁苯乳液/硫铝酸盐水泥复合胶凝材料性能的影响非常重要.有研究表明，在硫铝酸盐水泥砂浆中掺入聚合物能显著改善其收缩性能.王春华等[17]通过与硅酸盐水泥对比，研究了聚合物改性硫铝酸盐水泥砂浆的力学性能、柔韧性和干缩性能，发现乙酸乙烯和叔碳酸乙烯酯共聚胶粉改性硫铝酸盐水泥砂浆在各项性能上较普通水泥砂浆有了明显改善.王稷良等[18]对比研究了4种聚合物胶粉对硫铝酸盐水泥凝结时间、工作性、力学性能以及干缩性能的影响，发现随着聚合物胶粉掺量的提高，硫铝酸盐水泥砂浆的干缩率逐渐减小，且与丙烯酸类聚合物胶粉相比，醋酸乙烯酯类胶粉改性硫铝酸盐水泥砂浆的干缩率相对更小，稳定性更好.

刘纪伟等[7]研究了丁苯乳液掺量(0%～12.5%)对硫铝酸盐水泥修补砂浆物理力学性能的影响，指出改性砂浆的干缩性能随着聚合物掺量的增加而呈现向好趋势，与基准砂浆相比，聚合物掺量为12.5%时，试件28d干缩率降低42%.值得注意的是，虽然已有关于聚合物硫铝酸盐水泥砂浆收缩性能方面的研究，但在不同温湿度养护条件下，其性能会有很大差异，而目前这方面的研究仍然匮乏.据此，本文研究不同温度(0，5，10，20，40℃)，不同相对湿度(30%，60%，90%)以及不同丁苯乳液掺量(0%，5%，10%，15%和20%)下硫铝酸盐水泥砂浆360 d内干缩率的变化，为探讨不同养护环境下丁苯乳液/硫铝酸盐水泥砂浆体积稳定性和耐久性等问题提供理论参考.

1 试验

1.1 原料和配合比

水泥：52.5级快硬硫铝酸盐水泥(CSA)，其矿物组成和化学组成分别列于表1，2.砂：ISO标准砂.聚合物：ECO7623丁苯乳液，其性能见表3.CSA和丁苯乳液的粒度分析结果如表4所示.水：自来水.消泡剂：FoamasterMO NXZ矿物油类消泡剂.

试验所用灰砂比为1∶3，丁苯乳液掺量(以乳液固含量与水泥质量之比计，mp/mc)为0%，5%，10%，15%，20%，消泡剂按照乳液质量的2%加入，新拌砂浆流动度均控制在(175±5) mm，并由此确定水灰比(mw/mc，包括乳液中的水)随乳液掺量增加依次为0.445，0.383，0.320，0.283和0.259.

表1 硫铝酸盐水泥的矿物组成

表2 硫铝酸盐水泥的化学组成

表3 丁苯乳液的性能

表4 硫铝酸盐水泥和丁苯乳液的粒径

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 试验方法

参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》成型试件，然后测定其干燥收缩率.试模尺寸为 40mm×40mm×160mm，先在试模2个端面中心各开1个φ6.5的孔洞，将黄铜制成的收缩头固定在孔洞中，并使其露出试件端面8mm左右，然后将拌和好的砂浆分2次装入试模内，每次均振动密实，最后抹平表面.成型后，砂浆试件带着模具立即放入不同温湿度条件下养护，24h后脱模.其中养护温度分别取0，5，10，20，40℃，相对湿度(RH)取30%，60%和90%.保证脱模后试件的两端收缩头不松动，用比长仪测量脱模后的试件长度，定为基准长度.然后继续在不同温湿度条件下养护，并分别测试试件在1，3，7，28，90，180，270，360 d后的长度，根据各龄期的长度和基准长度来计算砂浆试件的干缩率.

2 结果与讨论

2.1 砂浆干缩率测试结果

图1～3分别给出了相对湿度为30%，60%和90%时不同温度和不同丁苯乳液掺量下丁苯乳液/硫铝酸盐水泥砂浆试件的干缩率.由图1～3可见：在相同丁苯乳液掺量下，试件的干缩率均随着龄期的延长而增大，但增长速率逐渐减慢，说明其干燥收缩是一个逐步积累的过程；不论养护温湿度如何变化，试件的干缩率均随着丁苯乳液掺量的增加而先增大后减小.当丁苯乳液掺量为5%时，改性砂浆的干缩率均高于基准砂浆(丁苯乳液掺量为0%)；当丁苯乳液掺量达到10%后，在0～20℃养护下，改性砂浆的干缩率小于基准砂浆，在40℃养护下，由于基准砂浆在早期产生微膨胀降低了其总体干缩率，故改性砂浆干缩率大于基准砂浆，且随着丁苯乳液掺量的增加改性砂浆干缩率逐渐降低.以RH=60%，20℃养护条件为例(图2(d))，与基准砂浆相比，当丁苯乳液掺量为5%时，改性砂浆360 d干缩率增长了10.6%，当丁苯乳液掺量分别为10%，15%，20%时，改性砂浆360 d干缩率分别降低了8.5%，17.0%，23.4%.

图1 相对湿度为30%时不同温度和不同丁苯乳液掺量下丁苯乳液/硫铝酸盐水泥砂浆的干缩率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

图2 相对湿度为60%时不同温度和不同聚合物掺量下丁苯乳液/硫铝酸盐水泥砂浆的干缩率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

丁苯乳液影响硫铝酸盐水泥砂浆干燥收缩的主要原因可能是：一方面，由于丁苯乳液活性基团的作用，在很大程度上减小了水泥砂浆的用水量，从而减小了因多余自由水在环境中蒸发损失留下孔隙的可能性；另一方面，由于丁苯乳液能在水泥浆体中均匀分散，在砂浆中较好地成膜，阻碍了自由水的挥发，同时填充了砂浆内部孔隙，使砂浆变得密实[18].因此掺入丁苯乳液会降低砂浆的干缩率.但丁苯乳液具有一定的引气作用，当其掺量为5%时，丁苯乳液未能有效地在砂浆中形成连续的膜结构[19]，又引入了过量的微小气泡[20]，反而降低了砂浆的密实度，增大了砂浆的干缩率.

图3 相对湿度为90%时不同温度和不同聚合物掺量下丁苯乳液/硫铝酸盐水泥砂浆的干缩率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 养护温度对砂浆干缩率的影响

以相对湿度60%为例，对比相同丁苯乳液掺量、相同相对湿度和不同温度条件下砂浆的干缩率(图2)可见：在相同丁苯乳液掺量和相同龄期条件下，所有砂浆的干缩率均随着养护温度的升高而先升高后降低；当丁苯乳液掺量为5%时，砂浆干缩率 0～7d 时在 10℃ 下呈现最大值，28d后在20℃下呈现最大值；在其余丁苯乳液掺量条件下，砂浆干缩率均在10℃下呈现最大值；与室温(20℃)养护相比，低温(0，5℃)养护条件下，所有砂浆干缩率均减小；高温(40℃)养护条件下，基准砂浆短龄期内产生微膨胀，随后逐渐收缩，而改性砂浆基本没有膨胀现象.此外，高温养护时砂浆的干缩率均小于低温养护时.相对湿度为30%和90%的条件下，养护温度对砂浆干缩率的影响规律也与相对湿度为60%的条件下类似.

养护温度影响水泥砂浆干燥收缩的主要原因可能是：在低温养护条件下，水泥水化硬化速率减慢，多余自由水蒸发速率减慢，从而减缓了干缩速率[21]；在高温养护条件下，虽然多余自由水蒸发速率加快，在一定程度上增大了干缩率，但此温度下硫铝酸盐水泥早期水化速率加快，钙矾石生成速率提高[22]，因此产生了一定程度的微膨胀，抵消了一部分收缩值，同时，较高的水化程度使砂浆具有更高的抵抗收缩变形的能力，最终减小了干缩率.

2.3 相对湿度对砂浆干缩率的影响

以养护温度20℃为例，对比相同丁苯乳液掺量、相同温度和不同相对湿度条件下砂浆的干缩率，由图1(d),2(d),3(d)可见：相同温度、相同乳液掺量和相同龄期条件下，砂浆的干缩率均随着相对湿度的升高而降低；在RH=30%时，砂浆干缩率最大，RH=90%时，砂浆干缩率最小；随着龄期的延长，因相对湿度引起的干缩率差距加大；在试验龄期范围内，相对湿度为30%与60%的砂浆干缩率差距都要明显小于相对湿度为60%与90%的砂浆干缩率差距.

相对湿度影响水泥砂浆干燥收缩的主要原因可能是：养护环境的相对湿度在一定程度上影响了砂浆中多余自由水的蒸发速率[23].根据毛细管理论，对于一定半径的毛细管而言，如果其相对蒸汽压大于环境的相对湿度，则毛细管失水，因此，养护环境相对湿度越高，多余自由水蒸发速率越慢，浆体内部收缩变形越小，干缩率也随之下降[24].

3 结论

(1)不同养护温度、相对湿度和龄期下，低掺量(5%)的丁苯乳液均会在一定程度上增大硫铝酸盐水泥砂浆的干缩率，但随着丁苯乳液掺量的继续提高(10%及以上)，砂浆的抗收缩性能显著改善，且掺量越高，改善效果越显著.

(2)养护温度对丁苯乳液/硫铝酸盐水泥砂浆的干缩率影响显著.低温(0℃和5℃)养护会减小砂浆干缩率，随着养护温度的提高，砂浆干缩率逐渐增大；10℃下，砂浆的干缩率达到最大(丁苯乳液掺量为5%时，养护28d后砂浆干缩率在20℃时达到最大)；20℃下，砂浆的干缩率有所下降，但仍高于低温养护时的干缩率；高温养护(40℃)会使未改性砂浆短龄期内产生微膨胀，但掺入丁苯乳液会削弱这种现象，且掺量越大，效果越显著.

(3)高相对湿度养护环境下，丁苯乳液/硫铝酸盐水泥砂浆表现出更好的抗收缩性能.