功能水泥砂漿的研究進展

紀森，龐來學

(1.濟南市建設監理有限公司，山東 濟南 250014；2.山東交通學院 材料科學與工程學院，山東 濟南 250352)

1 水泥乳化瀝青砂漿

水泥乳化瀝青砂漿（CA）是我國高速鐵路板式無砟軌道結構中的充填層材料，由乳化瀝青、水泥、細骨料、水、消泡劑、減水劑、鋁粉等材料采用特定設備及工藝拌制制成，具有良好的自流平性。在稍小的壓力下，可完全填滿支撐結構間的間隙（2～5 cm），并可對一些混凝土結構變形損傷在某一限度內進行修補[1]。

隨著我國高速、快速鐵路板式軌道的快速發展，水泥乳化瀝青砂漿研究成為熱點。水泥乳化瀝青砂漿作為板式無砟軌道結構的關鍵組成部分，對保證軌道平順性起到了填充、承力、傳力、緩沖的作用，是保證列車在高速運行下平穩、舒適的關鍵材料，也是實現板式無砟軌道少維修、免維修的關鍵。CA砂漿所用配合比為：m（干料）：m（乳化瀝青）：m（水）=（900～1 150）：（500～600）：（40-100），獲得強度為3.20 MPa，彈性模量為288 MPa的砂漿，與C30、C40和C50混凝土相比，水泥乳化瀝青砂漿的抗沖擊韌性遠大于混凝土并具有一定的隔震能力[2]。

2 光催化砂漿

污染物減排與控制成為目前迫切需要解決的重要課題之一。光催化砂漿在氮氧化物（NOx）的降解方面顯示獨特優勢。以氮改性納米TiO2粉體為光催化材料，摻入水泥基材料中制備的水泥砂漿、聚合物水泥砂漿應用余降解汽車尾氣NOx的場合，比如城市建筑物的立面、圍墻和城市道路周圍的地面抹面。研究表明[3]，氮改性納米TiO2粉體的摻量為10%時，光催化效率已達到60%以上。其原理為：

反應產物硝酸在降水過程中除去，達到降低大氣污染的目的。

二氧化鈦光催化砂漿降解NOx的能力受紫外光強度、NOx的流速、環境濕度等因素影響。紫外光強度高誘發TiO2更多的活性位點，能夠顯著提高光催化砂漿降解NOx的能力。較高的NOx流速和濕度會使光催化砂漿降解NOx能力下降[4-5]。

3 吸波砂漿

電磁輻射已成為一種新的社會公害，它不僅影響電子設備的正常運行，而且會通過熱效應、非熱效應、累積效應對人體造成直接或間接的傷害。對構筑物表面涂覆電磁屏蔽砂漿，減弱構筑物對電磁輻射所造成的反射污染具有廣闊的應用前景。目前研究較多的有鐵氧體、石墨、炭黑、碳纖維和鋼纖維等電磁波吸收材料在水泥砂漿上的應用。

水泥材料中的金屬氧化物本身具有一定的吸波性能，但是吸波性能差。用石墨粉、閉孔膨脹珍珠巖與硅酸鹽水泥等材料制成具有電磁波吸收功能的砂漿層，當粒徑為200目的石墨粉含量為20%wt時[6]，厚度由1 cm變為3 cm時，吸收峰增多由2個變為6個，吸收頻帶增寬且向低頻移動，在2～3 GHz間吸波效果較差，在3～18 GHz間，最大反射率為-3 dB，最小吸收峰反射率達-27 dB。吸波砂漿層的抗壓強度、軟化系數均符合 《建筑保溫砂漿》（GB/T20473-2006）標準。

以石墨和碳纖維為電磁屏蔽功能基元材料[7]，添加到砂漿中，部分取代砂漿中的砂，調整石墨和碳纖維電磁屏蔽功能基元材料的含量，發現在30～200 MHz頻率范圍內，電磁屏蔽效能SE較大，隨著頻率增加，屏蔽效能SE迅速降低。碳纖維的導電性和二維性使其在30 MHz～1.8 GHz范圍內，其屏蔽效能大于石墨電磁屏蔽砂漿SEmin。

4 相變儲能砂漿

相變儲能材料，可以利用其物相的變化，從環境中吸收熱（冷）量或向環境中釋放熱（冷）量來進行能量的儲存和釋放。將相變材料加入砂漿中制備成相變儲能砂漿，將其作為環保節能型的建筑功能材料用于建筑墻體中，提高建筑物的舒適性和能源利用率。

以膨脹珍珠巖和陶砂為相變材料，系統研究了單獨摻和復合摻對水泥砂漿儲能研究[8]，結果表明：膨脹珍珠巖基相變材料摻、陶砂基相變材料摻以及二者復摻來說，導熱系數分別降低到0.254 W/m· K、0.275 W/m·K和0.188 W/m·K。相變儲能砂漿的蓄熱系數較大，數值在11.38 W/m2·K～23.48 W/ m2·K之間。

以癸酸-月桂酸與膨脹珍珠巖復合儲能顆粒為輕骨料，配制相變儲能保溫砂漿[9～10]，其相變溫度為23.12℃，相變潛熱為73.77 J·g-1。該砂漿可應用到建筑圍護結構中，可以降低建筑能耗，在發展生態建筑領域具有廣闊的應用前景。

5 防核輻射砂漿

科技的發展使核能作為一種新型能源被廣泛應用于各個領域。同時核技術的發展使各種射線頻繁出現在人們的日常生活中，已對人類身體健康造成嚴重危害。為此，學者們對輻射防護進行大量研究，開發一系列防護材料。水泥基防輻射材料是目前使用最為廣泛的射線防護材料[11-12]。

防輻射基元材料一般為重晶石、沸石、硫酸渣型氧化鐵粉等。依次以重晶石粉、沸石、硫酸渣氧化鐵粉、高鋁水泥、石膏的摻比試驗取代標準砂的含量，根據國標GBJ203-83水泥砂漿用料參考，配制50號強度的水泥砂漿。研究砂漿對氡氣輻射的屏蔽效果[13]，結果發現：隨著功能基元材料的含量增加，防輻射水泥砂漿的屏蔽氡效果增大；氧化鐵也可以作為建材防氡防輻射的基元材料。

在以重晶石為功能基元的防輻射砂漿中加入鉛粉，利用鉛自身對伽馬射線的屏蔽性能，可以增強砂漿的防輻射性能。實驗結果表明[14]，當鉛粉摻量較低時，粒度較小的鉛粉在砂漿體系中起細集料填充效應，能夠改善孔結構，增強砂漿的力學性能；但是過量摻入，則會破壞水泥的水化過程，影響砂漿的耐久性。利用重晶石具有吸收X射線的性能，可以代替金屬鉛板屏蔽科研所、實驗室及醫院防X射線的建筑物。主要功能基元優選粒徑為0.6～1.2 mm、無雜質的鋇砂和細度為0.3 mm篩下的鋇粉[15]。該建筑材料是使用代替鉛板應用于探傷室，節約了工程造價，達到了屏蔽X射線的目的。

6 結語

隨著城鎮化建設的推進以及社會科技的發展，傳統砂漿會逐漸向結構-功能復合轉型，功能砂漿在工程建設領域將展現更加廣泛的應用前景。功能砂漿的功能基元材料已引起更多關注，基元材料的活性、來源、選擇等還需要有更多的突破，這將是功能砂漿研究的一個重要方向。

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