聚合物乳液改性水泥砂漿基本性能研究

摘要；為開發(fā)高性能的表面修補(bǔ)材料，選用2種聚合物乳液對(duì)水泥砂漿進(jìn)行改性，并對(duì)聚合物乳液改性水泥砂漿進(jìn)行了室內(nèi)抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、黏結(jié)抗折強(qiáng)度、吸水率和孔結(jié)構(gòu)分析等試驗(yàn)。結(jié)果表明，聚合物乳液的使用明顯提高了砂漿與原混凝土的黏結(jié)抗折強(qiáng)度、降低了砂漿的吸水率，改善了砂漿的孔結(jié)構(gòu)分布形態(tài)。

關(guān)鍵詞：聚合物 強(qiáng)度 吸水率 孔尺寸

由于早期在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)過于注重利用其強(qiáng)度高、剛度大的特點(diǎn)，忽略了混凝土材料和結(jié)構(gòu)耐久性方面的問題，導(dǎo)致某些混凝土設(shè)施，尤其是橋梁、道路這類工作環(huán)境較為惡劣的混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過早劣化現(xiàn)象^[123]，極大地影響了混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用，目前，最有效的方法就是將原表面已老化的混凝土去除，再涂抹新拌砂漿。該方法的有效性受修補(bǔ)材料本身的內(nèi)在性能和與原結(jié)構(gòu)混凝土的匹配性2個(gè)方面的影響。為開發(fā)高性能的表面修補(bǔ)材料，本文選用2種聚合物乳液對(duì)水泥砂漿進(jìn)行改性，并針對(duì)聚合物乳液改性水泥砂漿的力學(xué)強(qiáng)度、滲透性、微觀特性及與原混凝土的黏結(jié)性能等方面進(jìn)行研究。

1試驗(yàn)材料及配合比

111材料選取

水泥采用北京興發(fā)水泥有限公司生產(chǎn)的4215#基準(zhǔn)水泥;砂為廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂;減水劑采用北京建筑工程研究院研制的萘系減水劑，減水率為18%;聚合物選擇安徽生產(chǎn)的二甲基羥基硅油乳液(簡(jiǎn)稱硅油乳液)和齊魯石化生產(chǎn)的丁苯乳液作為對(duì)比材料，前者固體含量為70%，pH值為6～8，后者固體含量為48%，pH值為7～9；丁苯乳液穩(wěn)定性良好，選用磷酸三丁酯為其消泡劑，選用非離子型的硅油為其穩(wěn)定劑，2種試劑均為無色透明油狀;硅油乳液穩(wěn)定性很好，不需要其他助劑。為進(jìn)一步提高聚合物乳液改性砂漿的性能，改善其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)中還使用了磨細(xì)高爐礦渣粉(GGBS)和硅灰2種摻合料，其中磨細(xì)高爐礦渣粉(GGBS)為由首鋼生產(chǎn)，密度為219g/cm³；硅灰密度為211g/cm³。

112配合比設(shè)計(jì)

以砂漿的流動(dòng)度Pk=150±10mm為控制指標(biāo)，固定水泥和砂的質(zhì)量比(簡(jiǎn)稱灰砂比)C/S=1/3，同時(shí)調(diào)整聚合物乳液與水泥的質(zhì)量比(簡(jiǎn)稱聚灰比，包含水的聚合物乳液與水泥的比，而非純聚合物與水泥的比)P/C分別為5%、10%、15%、20%、25%，名義水灰比(簡(jiǎn)稱水灰比)W/C=015，水包括實(shí)際加入的水和聚合物乳液所含有的水2部分，GGBS的比例為取代水泥用量的30%^[4-5]，硅灰的摻量為GGBS的5%。養(yǎng)護(hù)方式分為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(簡(jiǎn)稱標(biāo)養(yǎng))和干養(yǎng)2種，其中干養(yǎng)是指試件成型后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)間放置24h，脫模后在室溫為20℃～25℃的室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，相對(duì)濕度控制在30%。試驗(yàn)所采用的具體配合比和養(yǎng)護(hù)方式如表1所示。除普通砂漿和摻入摻和料的砂漿外，其他類型的砂漿均使用了減水劑為水泥質(zhì)量的1%。注:編號(hào)中S和B后的數(shù)字為聚合物乳液的百分比摻量；G和SG后的數(shù)字代表硅灰相對(duì)GGBS的摻量;編號(hào)末尾的X代表標(biāo)養(yǎng)，F(xiàn)代表干養(yǎng)。

2力學(xué)性能試驗(yàn)

211抗折強(qiáng)度試驗(yàn)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

抗折和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程JTGE30—2005》中規(guī)定的方法進(jìn)行。圖1為抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨聚灰比的變化關(guān)系圖，與普通砂漿相比，經(jīng)硅油乳液和丁苯乳液改性后的水泥砂漿，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均略有下降。隨著聚合物乳液摻量的增加，改性砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均先增大后減小，峰值對(duì)應(yīng)的摻量均為15%左右。這表明聚合物乳液的成膜作用對(duì)水泥砂漿的改善還不是很理想，尤其在摻量很少或者摻量過高時(shí)。

圖1抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度隨聚灰比的變化關(guān)系

圖2為摻入GGBS和硅灰的砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本相同。比較0-X、G-0-X和G-5-X三組數(shù)據(jù)可得，GGBS的摻入(G-0-X)使強(qiáng)度略有下降，當(dāng)摻入硅灰后(G-5-X)強(qiáng)度有所增加，可與普通砂漿強(qiáng)度持平。摻合料對(duì)于硅油乳液改性砂漿(SG-0-X和SG-5-X)也有同樣的作用效果，這說明硅灰有利于砂漿強(qiáng)度的提高。圖3所示為干養(yǎng)條件下各類砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。同為普通砂漿，干養(yǎng)條件下砂漿的強(qiáng)度(0-F)明顯低于標(biāo)養(yǎng)條件下的砂漿(0-X)；而同為干養(yǎng)條件，改性砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度普遍高于普通砂漿，且隨著齡期的增長(zhǎng)這種優(yōu)勢(shì)越趨明顯，與文獻(xiàn)[6]的試驗(yàn)結(jié)果吻合。其中以摻入摻合料的硅油乳液改性砂漿的強(qiáng)度最高，這表明聚合物乳液和摻合料的使用有助于改善不利養(yǎng)護(hù)條件下水泥砂漿的力學(xué)性能。

212黏結(jié)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)于承受彎拉應(yīng)力的混凝土結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)，在新老材料共同受力的過程中，其黏結(jié)界面的抗折強(qiáng)度起著重要的作用，而且新老材料黏結(jié)面的其他力學(xué)性能，如抗拉強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度也間接與抗折強(qiáng)度有關(guān)^[7]。本研究采用黏結(jié)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果來表征新老砂漿間的黏結(jié)性能。黏結(jié)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)聚合物乳液摻量取15%，硅灰的摻量取5%。即對(duì)表1中編號(hào)為0-X、S-15-X、B-15-X、G-5-X和SG-5-X的5組材料進(jìn)行黏結(jié)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。

21211試驗(yàn)方法及試件的制備

黏結(jié)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用文獻(xiàn)^[8]方法：將尺寸為4cm×4cm×16cm的普通砂漿試件標(biāo)養(yǎng)28d后，使用切割機(jī)從正中間(8cm處)將試件切成兩半，然后在斷面另一側(cè)澆注新拌的普通砂漿或改性砂漿，制成新老砂漿的黏結(jié)試件，如圖4所示。將試件養(yǎng)護(hù)7d和28d后測(cè)定其抗折強(qiáng)度，用于描述改性水泥砂漿與普通砂漿的黏結(jié)性能。

21212試驗(yàn)結(jié)果分析

黏結(jié)抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，聚合物乳液能有效提高改性砂漿的黏結(jié)抗折強(qiáng)度，提高幅度為20%～50%，且硅油乳液改性砂漿的黏結(jié)抗折強(qiáng)度顯著高于丁苯乳液改性砂漿;摻入GGBS和硅灰的砂漿的黏結(jié)抗折強(qiáng)度與普通砂漿的幾乎相同，這說明摻合料對(duì)砂漿的黏結(jié)抗折強(qiáng)度影響甚微;將修補(bǔ)材料的黏結(jié)抗折強(qiáng)度與其抗折強(qiáng)度作比，硅油乳液改性砂漿的黏結(jié)抗折強(qiáng)度能夠達(dá)到其自身抗折強(qiáng)度的47%～60%，丁苯乳液改性砂漿可達(dá)到39%～51%。

3吸水率試驗(yàn)

吸水率試驗(yàn)聚合物乳液的摻量取15%，硅灰的摻量取5%，即對(duì)表1中編號(hào)為0-X、S-15-X、B-15-X、G-5-X和SG-5-X的5組材料進(jìn)行吸水率試驗(yàn)。

311試驗(yàn)方法及試件的制備

本文采用文獻(xiàn)[9]中的試驗(yàn)方法，選用尺寸為4cm×4cm×16cm的水泥砂漿試件的吸水率試驗(yàn)為代用試驗(yàn)評(píng)價(jià)聚合物改性水泥砂漿的抗?jié)B性能。

首先，將試件標(biāo)養(yǎng)28d后放入烘箱中，35℃烘干24h，75℃烘干24h，105℃烘干48h，接著將試件繼續(xù)放在烘箱內(nèi)降溫干燥至常溫，然后用保鮮膜和膠帶將試件嚴(yán)格密封，在試件一端刻出315cm×315cm的正方形作為滲水口，用玻璃膠密封滲水口邊緣。待玻璃膠硬化后將滲水口朝下直立放入水槽內(nèi)，水槽內(nèi)液面保持1cm深度。浸水時(shí)間到期以后，取出試件，拆去密封層，擦干表面。把試件從浸水面開始按長(zhǎng)度方向分為16等份，每份1cm。用利器把每份敲下，稱重并記數(shù)。然后把試樣在105℃下烘3d，再次稱重并記數(shù)。最后計(jì)算試件各個(gè)高度處的含水量。吸水率試驗(yàn)方法如圖6所示。

312試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7所示為28d時(shí)各類砂漿的吸水率試驗(yàn)結(jié)果。

普通砂漿、丁苯乳液改性砂漿及摻入GGBS和硅灰的砂漿的含水量從浸水面至某一高度范圍內(nèi)較高且基本保持不變，這說明此高度內(nèi)含水量已經(jīng)達(dá)到飽和，3類砂漿的飽和含水量為7%～9%。然而，3類砂漿的飽水高度不同，高度越高說明吸水速率越快。吸水速率由快至慢依次為普通砂漿、丁基乳液改性砂漿和摻入摻合料的砂漿。

與上述3類砂漿不同，硅油乳液改性砂漿和摻入摻合料的硅油乳液改性砂漿并未飽和，這說明硅油乳液能夠延緩水在砂漿中的滲透作用，可有效提高水泥砂漿的耐久性。

摻入摻合料的硅油乳液改性砂漿比較特殊，雖然含水量不高，但水能夠在短期滲透至試件內(nèi)較高的位置(10～12cm)，且在此范圍內(nèi)基本保持不變。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于其內(nèi)部存在一定數(shù)量的連通孔隙通道，但是總可用孔隙的數(shù)量并不高。

4孔結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)

孔結(jié)構(gòu)按照孔徑的大小混凝土中的孔可分為4類:凝膠孔(<10nm)、過渡孔(10～100nm)、毛細(xì)孔(100～1000nm)和大孔(>1000nm)[10211]，其中大孔主要影響混凝土的強(qiáng)度，毛細(xì)孔和過渡孔主要影響混凝土的滲透性，對(duì)強(qiáng)度也有一定影響，凝膠孔則主要影響混凝土的收縮和蠕變性能。

本試驗(yàn)聚合物乳液摻量取15%，硅灰的摻量取5%，對(duì)表1中編號(hào)為0-X、S-15-X、B-15-X、G-5-X、SG-5-X、0-F、S-15-F、B-15-F、G-5-F和SG-5-F的10組材料進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)。

411試驗(yàn)方法

本研究采用美國(guó)麥克公司生產(chǎn)的MicromeriticAutoPoreⅣ9510型全自動(dòng)壓汞測(cè)孔儀測(cè)定砂漿的孔結(jié)構(gòu)，測(cè)定孔直徑范圍為3～360000nm，主要包括過渡孔、毛細(xì)孔和大孔，這是能影響砂漿和混凝土強(qiáng)度與滲透性的主要孔結(jié)構(gòu)。

412試驗(yàn)結(jié)果分析

1)將標(biāo)養(yǎng)條件下各組砂漿齡期為28d時(shí)的孔級(jí)配曲線繪制如圖8所示。比較其中0-X、S-15-X和B-15-X3組砂漿的孔級(jí)配曲線可見，均存在一個(gè)級(jí)配峰值，該峰值出現(xiàn)在10～100nm，與普通砂漿相比，聚合物改性砂漿的孔級(jí)配峰值向孔徑減小的方向移動(dòng)，說明聚合物乳液的摻入細(xì)化了水泥砂漿的孔隙。從孔級(jí)配曲線的總體形態(tài)來看，聚合物乳液的摻入主要改變了10～1000nm的孔結(jié)構(gòu)，又根據(jù)Ollitrault2Fichet[12]等通過實(shí)驗(yàn)研究得出的聚合物對(duì)水泥漿體中5nm以下的孔幾乎沒有影響，以上綜合說明聚合物乳液作用于水泥漿體時(shí)影響的主要是過渡孔與毛細(xì)孔，即主要對(duì)強(qiáng)度和滲透性起影響作用。力學(xué)試驗(yàn)和吸水率試驗(yàn)的結(jié)果在這里得到了驗(yàn)證。

2)比較圖8(a)中0-X和G-5-X兩組砂漿的孔級(jí)配曲線可見，曲線峰值位置雖幾乎相同，但摻加摻合料的砂漿的孔級(jí)配峰值明顯小于普通砂漿，從曲線整體形態(tài)來看，摻合料的摻入主要改變了1000nm以下的孔結(jié)構(gòu)，減少了毛細(xì)孔的數(shù)量，增加了凝膠孔的數(shù)量，這是因?yàn)閾胶狭系膿饺氪龠M(jìn)了水泥水化反應(yīng)的發(fā)生，使水化產(chǎn)物含量增加，填充了毛細(xì)孔隙，從而凝膠孔數(shù)量增多。SG-5-X在硅油乳液和摻合料的共同作用下，孔結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步改善，表現(xiàn)為總孔隙量較小，毛細(xì)孔數(shù)量少，砂漿中的孔隙主要為過渡孔和凝膠孔。

3)圖8(b)為干養(yǎng)條件下各類砂漿的孔級(jí)配曲線。比較0-X和0-F兩組砂漿的孔級(jí)配曲線可知，0-F的峰值位置明顯向孔徑增大的方向移動(dòng)，毛細(xì)孔和大孔在砂漿內(nèi)占較大比例，由此可見不利的養(yǎng)護(hù)條件將導(dǎo)致普通砂漿內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)劣化，強(qiáng)度因此降低，這與力學(xué)試驗(yàn)得出的結(jié)論吻合。摻入聚合物乳液和摻合料的砂漿的孔級(jí)配并未出現(xiàn)類似的情況，與標(biāo)養(yǎng)條件下砂漿的孔級(jí)配曲線相比，曲線形態(tài)相同，峰值仍保持在10～100nm，這說明改性砂漿在不利的養(yǎng)護(hù)條件下仍能得到較好的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

1)與普通砂漿相比，聚合物改性砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均略有下降，隨著聚合物乳液摻量的增加強(qiáng)度先增大后減小，最佳摻量為15%左右；

2)聚合物乳液和摻合料的摻入使砂漿在不利的養(yǎng)護(hù)條件下亦能獲得較好的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)和較高的力學(xué)強(qiáng)度，這表明改性砂漿比普通砂漿更適合于條件復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)施工；

3)聚合物乳液的摻入能有效地提高改性砂漿的黏結(jié)抗折強(qiáng)度，提高幅度為20%～50%，且硅油乳液改性砂漿的黏結(jié)抗折強(qiáng)度顯著高于丁苯乳液改性砂漿;而摻合料對(duì)砂漿的黏結(jié)抗折強(qiáng)度影響甚微；

4)硅油乳液改性砂漿和摻入摻合料的硅油乳液改性砂漿的吸水率最低，在試驗(yàn)期內(nèi)未出現(xiàn)飽水現(xiàn)象，而其他3種砂漿均不同程度的飽水，吸水率由低至高的排列順序?yàn)?摻入摻合料的砂漿、丁苯乳液改性砂漿和普通砂漿；

5)聚合物乳液和摻合料均具有細(xì)化水泥砂漿孔隙的作用，但二者對(duì)孔隙的影響范圍不同，聚合物乳液主要改變10～1000nm范圍內(nèi)的孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為減少毛細(xì)孔數(shù)量，增加過渡孔數(shù)量；而摻合料主要改變1000nm以下的孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為毛細(xì)孔數(shù)量減少，凝膠孔數(shù)量顯著增加。

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