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不同养护方式对水泥砂浆力学强度的影响
张磊1，2，刘杰胜1，2，张曼1，2，谭晓明1，2，谷重3
( 1． 武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 ;2． 武汉轻工大学 海洋工程结构防护材料中试平台，湖北 武汉 ;3． 江苏洋河新城新材料有限责任公司，江苏 宿迁 )
摘要: 为了研究不同养护方式对水泥砂浆强度的影响，比较了标准养护、自然养护、覆膜养护、水养护和添加 SAP 的内养护五种方式，同时研究了砂浆在冻融状态下的强度变化，并从孔隙率等机理层面解释了强度的变化规律。试验结果显示: 标准养护、覆膜养护、水养护均可显著提高水泥砂浆的力学性能，并且标准养护的效果是最好的; 在 SAP 养护条件下，只有当 SAP添加量为 0． 1% 时，对水泥砂浆的力学性能有提高，而在其他掺量情况下对水泥砂浆的强度发展均有抑制效果; 不同养护方式对水泥砂浆的孔隙率和抗冻性也有不同的影响。SAP 的养护效果虽不如上述三种养护方式，但从经济、人工、节能环保等方面考虑仍具有一定实际意义，试验可为以后内养护进行实际应用提供理论基础。
关键词: 水泥砂浆; 养护方式; 力学强度; 孔隙率; 抗冻融性; SAP
1引言
国家经济的发展促进了国内土木行业的巨大发展，随之而来的则是水泥砂浆的大量使用，尤其在建筑的基体和墙体的建造过程中，水泥砂浆起到了重要的粘结作用。虽然水泥砂浆的应用历史已经有百年［1］，但现今仍发挥着不可替代的作用。水泥砂浆的质量及使用寿命受到配合比、材料、施工工艺及养护方式等多种因素的影响，对其进行科学的养护是保证其质量和使用寿命的重要环节，但由于成本、施工人员水平等多种因素的影响，养护一直未受到应有的重视［2］。养护方式包括传统的外养护和内养护。外养护包括人工洒水、覆膜、覆湿草帘、涂抹养护剂等，在实施时会浪费大量的人力、物力和能耗等。如人工洒水在砂浆浇筑完成后仍需要人力和大量的水资源，并且由于施工多在夏天，大量的水可能未对混凝土进行养护就蒸发到了空气中，同时为了抽取这些水资源也需要大量能耗; 覆膜养护需要消耗大量的养护膜，并且对建筑的立面、顶面以及特殊形状的构件无法进行有效养护。传统的养护方式无法深入到致密的建筑结构内部进行养护，因此养护效果不好，而内养护则是通过在水泥砂浆内部添加一些具有吸放水性能的材料，如饱和多孔轻集料( LWA) 或高吸水树脂(SAP) 作为建筑材料的一部分，使其从砂浆内部释放水分，来达到从内部开始养护的效果［3］，不再需要人工后期进行洒水作业或覆膜，有效节省了人力，减少了水分、能耗和其他材料的浪费。由于 LWA 掺入砂浆时所需要的掺量较多，并且内养护范围有限，对砂浆影响较大，而 SAP则可以避免这些情况，因此目前主要使用 SAP 对砂浆进行养护［4］。目前许多学者已经就养护方式对水泥砂浆的性能影响进行了研究。如黄颖星等人［5］通过测试不同养护条件下水泥砂浆的干燥收缩性能，发现了后期的收缩率会随着前期养护时间的增长而变大，同时当湿度增大时其收缩率减小。国外研究学者 D 等［6］利用核磁共振探究了在内养护过程中SAP 向水泥砂浆的释水情况。孔祥明等［7］研究发现SAP 额外引水时会增大水泥石的孔隙率。
在施工过程中，强度是评价水泥砂浆质量的重要指标之一［8］，直接关系到水泥砂浆能否正常发挥作用。强度的指标主要包括抗压强度和抗折强度，不少学者就养护方式对水泥砂浆强度的影响进行了研究。宋福等人［9］采用了标准养护、烘养、密封养护、水养护四种方式对砂浆进行了养护，发现烘养时间的增加会降低水泥砂浆的抗折强度，表面密封养护则可以有效降低砂浆收缩。单雪强等人［10］研究了不同受冻制度下水泥砂浆的强度变化，发现了早期的负温养护会对水泥砂浆的强度发展产生负面影响。张守治等人［11］采用了不同养护温度、不同养护方式以及不同约束条件来研究其对砂浆抗压强度的影响。蓝日彦等人［4］研究发现 SAP 会降低水泥砂浆的抗压强度，但随着水化反应的的进行，有 SAP的水泥砂浆对强度增长有促进效果，也有研究者［12］认为 SAP 失水后的二次吸水会继续水化反应的进行，达到提高强度的目的。
目前对内养护或传统养护条件下水泥砂浆强度的研究有一定基础，但鲜有将多种养护方式结合，在同一条件下( 季节、气候、原材料等) 进行对比，且大多数是在实验室环境下进行的，与工程实际有一定差距。鉴于此，笔者将添加了 SAP 的内养护与传统工程实际所用的外养护方式( 标准养护、自然养护、覆膜养护、水养护) 进行对比，主要针对不同养护方式下水泥砂浆的抗压强度和抗折强度展开研究水泥砂浆和混合砂浆的区别，并探讨冻融循环状态下的砂浆抗压强度变化，且从孔隙率等机理层面解释了强度变化规律，以期为未来内养护能够用于工程实际提供理论支持。
2试验
2.1原材料
试验采用的是 P·O 42． 5 普通硅酸盐水泥。细集料为普通河砂，规格为中砂。水为实验室中的普通自来水。内养护除前述几种材料外还添加了 SAP。SAP 为一种具有快速吸收水分和缓慢释放水分能力的聚合物，主要成分为低交联型聚丙烯酸钠，为白色粉末状( 如图 1、图 2) ，目数为 120 ～ 180 目。利用茶袋法测得其在自来水中的吸水倍率为 150 倍。
2.2砂浆配合比
经过前期试验与查阅文献，确定本次试验所有组的胶砂比为 1∶ 2，水灰比为 0． 42。
标准养护、覆膜养护、自然养护和水养护这四种方式下的试件均采用相同的配合比，具体见表 1。
对于 SAP 养护来说，由于 SAP 是一种吸水性极强的材料，遇水时会迅速吸收大量的水分，从而对水泥砂浆的水化产生影响，因此为了保证水泥砂浆需要的水量，笔者采用先干拌 SAP 然后再添加额外附加水的方式制作试块。经过试验与查阅文献，决定以 1∶ 15 的质量比加入附加水。S1、S3 和 S5 分别代表 SAP 掺量为 0． 1% 、0． 3% 和 0． 5% 的水泥砂浆。设计的试验配合比见表 2。
2.3试验方法
2.3.1水泥砂浆的制备
标准养护、覆膜养护、水养护、自然养护 4 种外养护条件下进行养护制作工艺的主要流程为: 先将称量好的水泥和砂依次放入搅拌锅中搅拌 1 min，然后再加水混合搅拌 2 min，装模，24 h 后脱模。将试块放置在相应养护条件下，养护至相应龄期后进行测试。
添加了 SAP 的内养护的水泥砂浆制作工艺的主要流程为: 先将称量好的 SAP 和水泥加入至搅拌锅中，搅拌 1 min，为了使其充分混合，将砂加入到搅拌锅中搅拌 1 min 后再添加水，混合搅拌 2 min 后，将混合物装模，24 h 后脱模。然后将试块放到相对应的养护条件下，养护至相应龄期后进行相关测试。
2.3.2养护方式
文中的标准养护是将试块放入到标准养护室内进行养护; 覆膜养护是用塑料薄膜将水泥砂浆完全包裹，并放置在实验室内进行养护; 自然养护是不对试块做任何处理，放置于自然环境下，等待相应龄期; 水养护是将试块放在养护池中，池中水维持在常温状态，并保证试块所有部分被水没过; SAP 养护是在砂浆中掺入一定量的 SAP，做成试块，并将试块放置在自然环境下进行养护。
2.3.3抗压试验
参照 JGJ/T70—2009 的有关规定进行抗压性能试验，试件为 70． 7 mm × 70． 7 mm × 70． 7 mm 的立方体。
2.3.4抗折试验
依据 DL/T5126—2001 的相关要求进行水泥砂浆抗折强度的试验，试件为 40 mm ×40 mm × 160 mm的棱柱体。
2.3.5冻融循环试验
冻融循环会对水泥砂 浆 的 内 部结 构 产 生 破坏，从而降低水泥砂浆的强度，采用冻融循环试验来探究不同养护方式下水泥砂浆的强度损失率，可以表征各种养护方式的养护效果。试验方案根据JGJ/T 70—2009 的相关要求进行。试件为 70． 7 mm× 70． 7 mm × 70． 7 mm 的立方体试块，在各自养护条件下养护 28 d 后放入水中( 15 ～ 20 ℃) 浸泡 2 d，然后取出将其放入冻融循环试验机中进行试验。试验时要注意试件表面的破损状态，每 25 次循环观察一次。仪器的冰冻温度应保持在( － 17 ± 2) ℃，融化温度应保持在( 8 ± 2) ℃。当每组试块中有 2 个试块出现破损时，要立即终止试验。
2.3.6孔隙率试验
水泥砂浆强度的变化会受到孔隙率的影响，高孔隙率会降低水泥砂浆的强度，采用孔隙率试验可以从机理层面来探究不同养护方式对水泥砂浆强度的影响。试验依据阿基米德原理进行。将不同养护条件下龄期为 28 d 的试块全部放入鼓风干燥箱中，待其干燥后，取出所有试块，冷却到室温后进行称重并记录。此时试块重量记为 M0。将所有试块放入恒温水浴锅中，水温维持在 20 ℃ 左右，并保证水没过试块顶面，浸泡 18 d 后从水浴锅中取出并将表面水擦干，然后称重。此时重量记为 M1。水泥砂浆的孔隙率由式( 1) 计算:
式中 W 为水泥砂浆的孔隙率，V 为水泥砂浆体积，ρ为水的密度。
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3试验结果分析
3.1抗压试验
图 3 展示了水泥砂浆试块在不同养护方式下，养护周期为 7 d、14 d 和 28 d 时抗压强度的变化。由图 3 可知，水养护、标准养护、覆膜养护条件下，水泥砂浆的 28 d 抗压强度远高于其他养护方式，说明这三种养护方式养护效果较好。3 种养护方式抗压强度高的原因是外部的湿润条件能够为砂浆水化反应的进行源源不断提供水分，或者使砂浆内部的水分不会散失，保证了水泥砂浆内部水化反应的正常进行，水化产物的生成使砂浆内部变得密实。而自然养护方式则满足不了这种条件，造成了水分流失，影响了水化反应的进行，最终造成了强度的下降。
当水泥砂浆中掺入 SAP 时会对水泥砂浆的抗压强度造成不利影响。当 SAP 掺量为 0． 1% 时，水泥砂浆的抗压强度比自然养护下试件的抗压强度增加了 5． 51% ; 而当 SAP 掺量分别为 0． 3% 和 0． 5%时，其抗压强度分别比自然养护条件下的试件降低了 9． 57% 和 12． 40% 。由此可以得知当 SAP 掺量为0． 1% 时对强度的增长是有一定效果的，但当 SAP掺量达到 0． 3% 时其对强度的增长产生了阻碍作用。分析原因可能是掺加了 SAP 的砂浆处于干燥状态下，在砂浆中释水后会在内部留下孔隙，这些孔隙对砂浆的抗压强度造成了影响，因此掺加了 SAP的砂浆强度会低于水养、标养和覆膜三种养护。但当 SAP 掺量为 0． 1% 时，抗压强度略高于自然养护可能是 SAP 改变了蒸发机制的缘故。另外在水化反应的过程中，由于内外渗透压的变化，SAP 开始释放内部水分从而支持了水化反应的继续进行，虽然释水后留有孔隙，但随着水化产物的生成，这些孔隙被逐渐填补，因此造成了砂浆强度的小幅度上升。但当 SAP 掺量增大时则造成了强度的降低，原因可能是由于 SAP 所带入的过高额外附加水造成实际水灰比大于理论水灰比，因此造成了强度的下降。还有一方面原因可能是与上所述类似，SAP 释水后留下了较多孔隙，但水化反应生成的水化产物不足以填补这些孔隙，因此当受到压力时，这些孔隙成为了薄弱部位，造成了强度的下降。
3.2抗折试验
由图 4 可以看出，不同养护方式下水泥砂浆的抗折强度与抗压强度有着相似的变化规律。标准养护、覆膜养护和水养护对砂浆的抗折强度有着显著的提高作用，标准养护下的砂浆抗折度最高，接近9 MPa，这说明目前传统的养护方式在强度的提升上仍发挥着重要作用。SAP 的养护效果虽然不如前三种养护方式，但是优于自然养护。养护龄期达到 28 d 时，当 SAP 的掺量为 0． 1% 时，其抗折强度比自然养护条件下增加了 4． 81% ; 但当 SAP 掺量为 0． 3% 和 0． 5% 时，其抗折强度比自然养护条件下分别减少了 7． 26% 和 8． 44% 。可以看出，适量SAP 的掺入对水泥砂浆抗折强度的增加也是有利的，但 SAP 掺入过多则会抑制水泥砂浆强度的发展。分析原因可能是 SAP 起到了内养护效果，促使了水化反应的进行水泥砂浆和混合砂浆的区别，提高了砂浆的密实度，增强了其抗折能力，但是当 SAP 掺入量较多时，释水后留下了较多的孔隙，造成了抗折强度的下降。
3.3冻融循环试验
由图 5 可以看出，在自然养护下水泥砂浆的强度损失率是最大的，说明自然养护下的抗冻性是较差的，可能是因为砂浆内部水化得不彻底、产生了孔隙等，以及各种收缩致使砂浆表面产生了裂缝，水以及一些有害物质从这些孔隙进入到了砂浆内部，低温时进入到内部的水出现结冰膨胀，然后升温时体积又变小，因此循环往复对砂浆内部造成了破坏，使之强度降低。而水养护、标准养护和覆膜养护则对上述缺陷进行了改善，降低了孔隙率和缝隙的产生，避免了砂浆内部受到外来物质的入侵，提高了抗冻融性。对于 SAP 养护来说，水泥砂浆的强度损失率随着 SAP 掺量的增多而降低，这表明 SAP 对水泥砂浆抗冻性的提高产生了有利影响。虽然在前文中分析了 SAP 释水后会在砂浆内部产生孔隙，但在冻融状态下，砂浆内部的 SAP 会再次吸水充满内部孔隙，也对因收缩产生的裂缝进行了堵塞，阻止了外部的水通过裂缝进入到砂浆的内部孔隙，避免了在孔隙内的结冰膨胀，提高了抗冻性。另外，由于 SAP吸水后溶胀，以一种凝胶状态存在于砂浆内部，这可以有效缓解因试块体积不断变化产生的相关应力。另外，这些由 SAP 生成的孔洞阻碍了内部热量的传播，起到了保温的效果［13］，避免了因热胀冷缩产生的应力对砂浆造成的损害。
3.4孔隙率试验
图 6 显示了在龄期为 28 d 的情况下，不同养护方式对水泥砂浆孔隙率的影响。采用水养、覆膜养护和标准养护下的水泥砂浆孔隙率较低，可能是因为外部环境能够为水化反应提供水分或保证水分不会过多散失，水化反应较为彻底，砂浆内部较为密实，因此内部孔隙少、孔隙率低。自然养护因水分散失，水化不能够彻底地进行，因此产生了较多孔隙。而对于 SAP 养护来说，孔隙随着掺量的增多而增多，是因为在水化过程中自由水被消耗，导致砂浆内部干燥，SAP 受到渗透压力的影响开始向砂浆内部释水，SAP 体积变小，在砂浆内部留下了孔隙。说明SAP 会增大孔隙率，并且孔隙随 SAP 的增多而增多。孔隙率的变化也在一定程度上印证了前文抗压抗折试验中有关强度的变化规律。
4结论
通过对比不同养护方式下水泥砂浆的抗压强度、抗折强度、孔隙率以及冻融循环状态下水泥砂浆的强度损失测试结果，得出了如下结论。
( 1) 不同的养护方式对水泥砂浆的强度产生了不同的影响，并且养护方式之间差异较大。标准养护、水养护以及覆膜养护这 3 种外养护方式有效地促进了水泥砂浆抗压强度和抗折强度的增长，而自然养护则对水泥砂浆强度的增长产生了抑制作用。对于添加了 SAP 的内养护来说，当 SAP 有一个合适的掺量时，对水泥砂浆抗压和抗折强度的增长也起到了一定的有利效果。
( 2) 从 5 种养护方式来看，覆膜养护时的砂浆在冻融循环状态下的强度损失是最小的，自然养护的强度损失是最大的，并且远大于其他养护方式，说明除自然养护外，其他养护方式均能够有效抵抗砂浆在冻融循环状态下的强度损失。
( 3) 4 种传统的外养护方式中，标准养护条件下的水泥砂浆孔隙率最小，而自然养护条件下水泥砂浆的孔隙率最大。对于 SAP 养护来说，当 SAP 掺量为 0． 1% 时，其孔隙率最小，并且小于自然养护，但随着 SAP 掺量的增多，水泥砂浆的孔隙率增大，强度也随之降低。因此，不同养护方式下孔隙率的变化规律也为水泥砂浆的强度变化提供了解释。
( 4) SAP 养护在一定程度上能够促进水泥砂浆强度的增长，虽然效果不如水养护、覆膜养护和标准养护三种外养护方式，但因其具有节省人力、物力、降低能耗、养护全面等优点，应用前景十分可观。
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