可再分散沥青粉末改性水泥砂浆性能试验研究

郑新国，曾 志，李书明，郑新华，王伟唯

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

沥青是一种防水、防潮和防腐性能均较好的有机胶凝材料，主要用作防水材料、防腐材料以及路面结构的胶结材料。但沥青材料使用时往往需要加热，能耗大，而且加热时会放出刺激性的有害物质，对人体有害，且污染环境[1-3]。将沥青乳化制成乳化沥青后可解决上述问题[4-6]，但乳化沥青是一种亚稳定的乳液，储存期短，不利于保存。可再分散沥青粉末是将乳化沥青进行喷雾干燥处理后制得的粉末，其在水中能再分散成乳化沥青，既具有乳化沥青的优点，又方便储存和使用。目前，关于可再分散沥青粉末的研究报道较少。本文研究了不同掺量的可再分散沥青粉末对水泥砂浆的强度、吸水率、收缩性能以及孔结构的影响。

1 试验

1.1 主要原材料

水泥为42.5快硬硫铝酸盐水泥；砂子为细河砂，最大粒径1.18 mm；减水剂为粉体聚羧酸减水剂；沥青粉末为市售可再分散沥青粉末，模式粒径3.179 μm，平均粒径12.487 μm。

1.2 力学性能测试

砂浆的抗压强度和抗折强度按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)[7]的规定进行测试，弹性模量按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)[8]的规定进行测试。

1.3 吸水率测试

将40 mm×40 mm×160 mm的砂浆试件养护28 d 后取出，放入60 ℃烘箱中烘干至恒重，冷却后称重，再放入20 ℃水中7 d后称重，计算吸水率。

1.4 收缩率测试

待25 mm×25 mm×280 mm的砂浆试件完全硬化后脱模，放入温度20±2 ℃、相对湿度65%±5%的恒温恒湿养护室静置4 h后，采用比长仪测试砂浆试件的长度作为初长，继续在恒温恒湿养护室养护至规定龄期后，采用比长仪测试砂浆试件的长度，计算收缩率。

1.5 孔结构分析

将养护28 d的砂浆试件破碎成直径5 mm左右的试样，然后将试样放入酒精中浸泡24 h，再将浸泡后的试样放入40 ℃的真空干燥箱中干燥3 d，待试样充分干燥后，再采用美国麦克仪器公司的AUTOPORE 9500压汞仪进行孔结构分析。

1.6 微观形貌分析

采用JEOL S-6700F场发射扫描电子显微镜(SEM)观察可再分散沥青粉末改性水泥砂浆的微观形貌。样品在液氮中脆断，断面用GIKOIB-3离子喷涂机喷Pt处理后进行观测，操作电压5 kV。

2 结果与分析

2.1 力学性能

图1 沥青粉末掺量对砂浆力学性能的影响

沥青粉末掺量分别为0，10%，20%，30%(砂浆中胶凝材料占总量的百分比)时，水泥砂浆不同龄期的抗折强度、抗压强度、弹性模量以及折压比见图1。掺入不同掺量的沥青粉末时，砂浆的水胶比保持不变，通过调整减水剂和消泡剂的用量保持砂浆的工作性能和含气量基本一致。

由图1(a)、图1(b)可知，沥青粉末对砂浆的强度影响较大。随着沥青粉末掺量的增加，砂浆的抗压强度和抗折强度均降低，且抗压强度降低幅度比抗折强度降低幅度大。28 d龄期时，未掺沥青粉末的砂浆抗压强度和抗折强度分别为23.67,4.60 MPa，掺30%沥青粉末的砂浆抗压强度和抗折强度分别为11.23，3.20 MPa。掺入30%沥青粉末后，砂浆的抗压强度和抗折强度分别降低52.6%，30.4%，强度降低明显。

由图1(c)可知，随着沥青粉末掺量的增加，砂浆的弹性模量降低。掺入10%沥青粉末时，砂浆弹性模量降低不明显。掺入20%，30%沥青粉末时，砂浆弹性模量下降明显，分别下降41.0%，58.3%。沥青粉末的掺入降低了砂浆弹性模量，提高了砂浆的变形能力。

由图1(d)可知，掺入沥青粉末能提高水泥砂浆28 d时的折压比。随着沥青粉末掺量的增加，砂浆的折压比增大。沥青粉末掺量为30%时，砂浆的折压比提高46.6%。对于水泥基材料，可以用折压比来初步反映材料的韧性。折压比越高，表明材料的韧性越强，即材料在断裂前可以吸收的能量和进行塑性变形或拉伸应变的能力越高，材料发生脆性断裂或破坏的可能性越小。沥青粉末的掺入提高了砂浆的折压比，从而提高了砂浆的韧性。

2.2 吸水率

图2 沥青粉末掺量对砂浆吸水率的影响

沥青粉末对水泥砂浆吸水率的影响见图2。可知，沥青粉末的掺入降低了砂浆的吸水率。但是，随着沥青粉末掺量的增加，砂浆的吸水率并未呈线性降低。沥青粉末掺量为20%时，砂浆的吸水率最小。随着沥青粉末掺量进一步增加到30%时，砂浆的吸水率开始增加，但仍然比未掺沥青粉末砂浆的吸水率小。对于多孔的水泥砂浆而言，吸水率越低，则外界有害离子进入砂浆内部越困难，砂浆的耐久性越好。

2.3 收缩性能

沥青粉末掺量分别为0，10%，20%，30%时，水泥砂浆不同龄期的收缩率见图3。

图3 沥青粉末掺量对砂浆收缩率的影响

由图3可知，随着沥青粉末掺量的增加，砂浆的收缩率减小，且随着龄期的延长，砂浆收缩率减小得越明显。28 d龄期前，沥青粉末掺量为20%及以下时，沥青粉末的掺入对砂浆收缩率的影响不明显。沥青粉末掺量为30%时，无论是早龄期还是长龄期，砂浆的收缩率均明显降低。沥青粉末的掺入降低了砂浆的收缩率[9]，从而提高了砂浆的抗裂性。

2.4 孔结构

采用压汞仪对不同沥青粉末掺量的砂浆的孔结构进行了分析，分析结果见图4。

图4 沥青粉末掺量对砂浆孔结构的影响

由图4可知，沥青粉末的掺入改变了砂浆的孔结构。随着沥青粉末掺量的增加，砂浆的总孔隙率增加，最可几孔径增大，且沥青粉末掺量为20%，30%时，砂浆出现了2个最可几孔径，分别在 1 000 nm和 10 000 nm 左右。随着沥青粉末掺量的增加，砂浆中>1 000 nm的大孔数量增加。沥青粉末的掺入之所以会增加砂浆的孔隙率主要是因为沥青粉末中含有较多表面活性剂，导致砂浆在制备过程中引入了较多气泡。

2.5 微观形貌

采用扫描电镜对不同沥青粉末掺量的砂浆的微观形貌进行了分析，分析结果如图5所示。

图5 不同沥青粉末掺量砂浆的微观形貌

由图5可知，随着沥青粉末掺量的增加，浆体中沥青与水泥水化产物的分布情况发生了变化。当沥青粉末掺量较少时(掺量为10%)，水泥水化产物间基本看不到沥青聚合物薄膜或凝胶，水泥水化产物相互交叉胶结，形成致密的水泥石结构；当沥青粉末掺量增大到30%时，可清晰看到沥青凝胶类物质填充于水泥水化产物之间和孔隙中，与水泥水化产物形成有机整体[10-11]。

不同沥青粉末掺量砂浆的微观形貌分析结果很好地解释了上述试验结果。如前所述，沥青粉末的掺入降低了砂浆的强度和弹性模量，提高了砂浆的折压比和韧性。这是因为沥青粉末是由乳化沥青喷雾干燥制成的，将其掺入砂浆中与水拌和后，可再分散形成乳化沥青。乳化沥青是由无数微米级的颗粒组成，乳化沥青颗粒表面带有电荷及扩散层。随着水泥的水化进行，乳化沥青将发生破乳，凝聚而形成沥青颗粒，并在水泥水化产物表面铺展(参见图5)，削弱了水泥水化产物间的交结作用，使水泥石间的连接由刚性黏结变成一种柔性或半刚性黏结，使砂浆的力学性能从脆性向柔性方向发展，从而导致砂浆抗折强度、抗压强度及弹性模量降低，韧性提高。而随着沥青粉末用量的增加，水泥水化产物间将会有更多柔韧的沥青，水泥石间的连接进一步被削弱，导致砂浆的韧性进一步提高，强度及弹性模量进一步降低。

如前所述，沥青粉末的掺入增加了砂浆的总孔隙率，降低了砂浆的吸水率。这是因为，虽然沥青粉末中含有的表面活性剂引入的气泡导致砂浆的总孔隙率增加，会增加砂浆的吸水率；但另一方面，如图5所示，由于硬化水泥浆体中沥青填充于水泥水化产物之间和孔隙中，而沥青属于憎水性物质，可增加砂浆的憎水性，阻止水分进入砂浆内部，从而降低砂浆的吸水率。所以，总的来说，沥青粉末的掺入还是降低了砂浆的吸水率。但是，随着沥青粉末掺量的进一步增加，砂浆的总孔隙率进一步增加，会进一步抵消沥青的憎水效果，所以随着沥青粉末掺量的增加，砂浆的吸水率并未呈线性降低，而是先降低后增加。

如前所述，沥青粉末的掺入降低了砂浆的收缩率。这是因为沥青填充于砂浆的孔隙中，而沥青是一种黏弹性材料，具有很好的应力松弛能力，砂浆在收缩变形时，沥青能发生蠕变，释放一部分应力，从而降低砂浆的收缩率。

3 结论

1)随着沥青粉末掺量的增加，水泥砂浆的抗压强度、抗折强度以及弹性模量均降低，且抗压强度的降低幅度比抗折强度的降低幅度大，砂浆的折压比增大，韧性提高。

2)沥青粉末掺量为10%，20%时，砂浆的后期收缩降低，早期收缩变化不大；沥青粉末掺量为30%时，砂浆的早期收缩和后期收缩均降低。

3)随着沥青粉末掺量的增加，砂浆的吸水率先降低后增加，但仍比不掺沥青粉末的砂浆吸水率小。

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