聚合物乳液改性水泥砂漿基本性能研究

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

關鍵詞：聚合物 強度 吸水率 孔尺寸

由于早期在進行混凝土結構設計時過于注重利用其強度高、剛度大的特點，忽略了混凝土材料和結構耐久性方面的問題，導致某些混凝土設施，尤其是橋梁、道路這類工作環(huán)境較為惡劣的混凝土結構出現(xiàn)過早劣化現(xiàn)象^[123]，極大地影響了混凝土結構的正常使用，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材料本身的內(nèi)在性能和與原結構混凝土的匹配性2個方面的影響。為開發(fā)高性能的表面修補材料，本文選用2種聚合物乳液對水泥砂漿進行改性，并針對聚合物乳液改性水泥砂漿的力學強度、滲透性、微觀特性及與原混凝土的黏結性能等方面進行研究。

1試驗材料及配合比

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#基準水泥;砂為廈門艾思歐標準砂有限公司生產(chǎn)的ISO標準砂;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(簡稱硅油乳液)和齊魯石化生產(chǎn)的丁苯乳液作為對比材料，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。為進一步提高聚合物乳液改性砂漿的性能，改善其內(nèi)部結構，試驗中還使用了磨細高爐礦渣粉(GGBS)和硅灰2種摻合料，其中磨細高爐礦渣粉(GGBS)為由首鋼生產(chǎn)，密度為219g/cm³；硅灰密度為211g/cm³。

112配合比設計

以砂漿的流動度Pk=150±10mm為控制指標，固定水泥和砂的質(zhì)量比(簡稱灰砂比)C/S=1/3，同時調(diào)整聚合物乳液與水泥的質(zhì)量比(簡稱聚灰比，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(簡稱水灰比)W/C=015，水包括實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)護方式分為標準養(yǎng)護(簡稱標養(yǎng))和干養(yǎng)2種，其中干養(yǎng)是指試件成型后在標準養(yǎng)護間放置24h，脫模后在室溫為20℃～25℃的室內(nèi)養(yǎng)護，相對濕度控制在30%。試驗所采用的具體配合比和養(yǎng)護方式如表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GGBS的摻量;編號末尾的X代表標養(yǎng)，F(xiàn)代表干養(yǎng)。

2力學性能試驗

211抗折強度試驗和抗壓強度試驗

抗折和抗壓強度試驗按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程JTGE30—2005》中規(guī)定的方法進行。圖1為抗折強度和抗壓強度隨聚灰比的變化關系圖，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，其抗折強度和抗壓強度均略有下降。隨著聚合物乳液摻量的增加，改性砂漿的抗折強度和抗壓強度均先增大后減小，峰值對應的摻量均為15%左右。這表明聚合物乳液的成膜作用對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。

圖1抗折強度、抗壓強度隨聚灰比的變化關系

圖2為摻入GGBS和硅灰的砂漿的抗折強度和抗壓強度。抗折強度和抗壓強度的變化趨勢基本相同。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)使強度略有下降，當摻入硅灰后(G-5-X)強度有所增加，可與普通砂漿強度持平。摻合料對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度的提高。圖3所示為干養(yǎng)條件下各類砂漿的抗折強度和抗壓強度。同為普通砂漿，干養(yǎng)條件下砂漿的強度(0-F)明顯低于標養(yǎng)條件下的砂漿(0-X)；而同為干養(yǎng)條件，改性砂漿的抗折強度和抗壓強度普遍高于普通砂漿，且隨著齡期的增長這種優(yōu)勢越趨明顯，與文獻[6]的試驗結果吻合。其中以摻入摻合料的硅油乳液改性砂漿的強度最高，這表明聚合物乳液和摻合料的使用有助于改善不利養(yǎng)護條件下水泥砂漿的力學性能。

212黏結抗折強度試驗

對于承受彎拉應力的混凝土結構的修補，在新老材料共同受力的過程中，其黏結界面的抗折強度起著重要的作用，而且新老材料黏結面的其他力學性能，如抗拉強度，抗剪強度也間接與抗折強度有關^[7]。本研究采用黏結抗折強度試驗結果來表征新老砂漿間的黏結性能。黏結抗折強度試驗聚合物乳液摻量取15%，硅灰的摻量取5%。即對表1中編號為0-X、S-15-X、B-15-X、G-5-X和SG-5-X的5組材料進行黏結抗折強度試驗。

21211試驗方法及試件的制備

黏結抗折強度試驗采用文獻^[8]方法：將尺寸為4cm×4cm×16cm的普通砂漿試件標養(yǎng)28d后，使用切割機從正中間(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試件，如圖4所示。將試件養(yǎng)護7d和28d后測定其抗折強度，用于描述改性水泥砂漿與普通砂漿的黏結性能。

21212試驗結果分析

黏結抗折強度的試驗結果如圖5所示，聚合物乳液能有效提高改性砂漿的黏結抗折強度，提高幅度為20%～50%，且硅油乳液改性砂漿的黏結抗折強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抗折強度與普通砂漿的幾乎相同，這說明摻合料對砂漿的黏結抗折強度影響甚微;將修補材料的黏結抗折強度與其抗折強度作比，硅油乳液改性砂漿的黏結抗折強度能夠達到其自身抗折強度的47%～60%，丁苯乳液改性砂漿可達到39%～51%。

3吸水率試驗

吸水率試驗聚合物乳液的摻量取15%，硅灰的摻量取5%，即對表1中編號為0-X、S-15-X、B-15-X、G-5-X和SG-5-X的5組材料進行吸水率試驗。

311試驗方法及試件的制備

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

首先，將試件標養(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)。最后計算試件各個高度處的含水量。吸水率試驗方法如圖6所示。

312試驗結果分析

圖7所示為28d時各類砂漿的吸水率試驗結果。

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孔結構分析試驗

孔結構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)、毛細孔(100～1000nm)和大孔(>1000nm)[10211]，其中大孔主要影響混凝土的強度，毛細孔和過渡孔主要影響混凝土的滲透性，對強度也有一定影響，凝膠孔則主要影響混凝土的收縮和蠕變性能。

本試驗聚合物乳液摻量取15%，硅灰的摻量取5%，對表1中編號為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組材料進行孔結構分析試驗。

411試驗方法

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

412試驗結果分析

1)將標養(yǎng)條件下各組砂漿齡期為28d時的孔級配曲線繪制如圖8所示。比較其中0-X、S-15-X和B-15-X3組砂漿的孔級配曲線可見，均存在一個級配峰值，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配峰值向孔徑減小的方向移動，說明聚合物乳液的摻入細化了水泥砂漿的孔隙。從孔級配曲線的總體形態(tài)來看，聚合物乳液的摻入主要改變了10～1000nm的孔結構，又根據(jù)Ollitrault2Fichet[12]等通過實驗研究得出的聚合物對水泥漿體中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影響的主要是過渡孔與毛細孔，即主要對強度和滲透性起影響作用。力學試驗和吸水率試驗的結果在這里得到了驗證。

2)比較圖8(a)中0-X和G-5-X兩組砂漿的孔級配曲線可見，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以下的孔結構，減少了毛細孔的數(shù)量，增加了凝膠孔的數(shù)量，這是因為摻合料的摻入促進了水泥水化反應的發(fā)生，使水化產(chǎn)物含量增加，填充了毛細孔隙，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，孔結構得到進一步改善，表現(xiàn)為總孔隙量較小，毛細孔數(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配曲線。比較0-X和0-F兩組砂漿的孔級配曲線可知，0-F的峰值位置明顯向孔徑增大的方向移動，毛細孔和大孔在砂漿內(nèi)占較大比例，由此可見不利的養(yǎng)護條件將導致普通砂漿內(nèi)部孔結構劣化，強度因此降低，這與力學試驗得出的結論吻合。摻入聚合物乳液和摻合料的砂漿的孔級配并未出現(xiàn)類似的情況，與標養(yǎng)條件下砂漿的孔級配曲線相比，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)護條件下仍能得到較好的內(nèi)部孔結構。

5 結論

1)與普通砂漿相比，聚合物改性砂漿的抗折強度和抗壓強度均略有下降，隨著聚合物乳液摻量的增加強度先增大后減小，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)護條件下亦能獲得較好的內(nèi)部孔結構和較高的力學強度，這表明改性砂漿比普通砂漿更適合于條件復雜的現(xiàn)場施工；

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

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為: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化水泥砂漿孔隙的作用，但二者對孔隙的影響范圍不同，聚合物乳液主要改變10～1000nm范圍內(nèi)的孔結構，表現(xiàn)為減少毛細孔數(shù)量，增加過渡孔數(shù)量；而摻合料主要改變1000nm以下的孔結構，表現(xiàn)為毛細孔數(shù)量減少，凝膠孔數(shù)量顯著增加。

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