聚合物乳液改性水泥砂浆基本性能研究

摘要；为开发高性能的表面修补材料，选用2种聚合物乳液对水泥砂浆进行改性，并对聚合物乳液改性水泥砂浆进行了室内抗压强度、抗折强度、黏结抗折强度、吸水率和孔结构分析等试验。结果表明，聚合物乳液的使用明显提高了砂浆与原混凝土的黏结抗折强度、降低了砂浆的吸水率，改善了砂浆的孔结构分布形态。

关键词：聚合物 强度 吸水率 孔尺寸

由于早期在进行混凝土结构设计时过于注重利用其强度高、刚度大的特点，忽略了混凝土材料和结构耐久性方面的问题，导致某些混凝土设施，尤其是桥梁、道路这类工作环境较为恶劣的混凝土结构出现过早劣化现象^[123]，极大地影响了混凝土结构的正常使用，目前，最有效的方法就是将原表面已老化的混凝土去除，再涂抹新拌砂浆。该方法的有效性受修补材料本身的内在性能和与原结构混凝土的匹配性2个方面的影响。为开发高性能的表面修补材料，本文选用2种聚合物乳液对水泥砂浆进行改性，并针对聚合物乳液改性水泥砂浆的力学强度、渗透性、微观特性及与原混凝土的黏结性能等方面进行研究。

1试验材料及配合比

111材料选取

水泥采用北京兴发水泥有限公司生产的4215#基准水泥;砂为厦门艾思欧标准砂有限公司生产的ISO标准砂;减水剂采用北京建筑工程研究院研制的萘系减水剂，减水率为18%;聚合物选择安徽生产的二甲基羟基硅油乳液(简称硅油乳液)和齐鲁石化生产的丁苯乳液作为对比材料，前者固体含量为70%，pH值为6～8，后者固体含量为48%，pH值为7～9；丁苯乳液稳定性良好，选用磷酸三丁酯为其消泡剂，选用非离子型的硅油为其稳定剂，2种试剂均为无色透明油状;硅油乳液稳定性很好，不需要其他助剂。为进一步提高聚合物乳液改性砂浆的性能，改善其内部结构，试验中还使用了磨细高炉矿渣粉(GGBS)和硅灰2种掺合料，其中磨细高炉矿渣粉(GGBS)为由首钢生产，密度为219g/cm³；硅灰密度为211g/cm³。

112配合比设计

以砂浆的流动度Pk=150±10mm为控制指标，固定水泥和砂的质量比(简称灰砂比)C/S=1/3，同时调整聚合物乳液与水泥的质量比(简称聚灰比，包含水的聚合物乳液与水泥的比，而非纯聚合物与水泥的比)P/C分别为5%、10%、15%、20%、25%，名义水灰比(简称水灰比)W/C=015，水包括实际加入的水和聚合物乳液所含有的水2部分，GGBS的比例为取代水泥用量的30%^[4-5]，硅灰的掺量为GGBS的5%。养护方式分为标准养护(简称标养)和干养2种，其中干养是指试件成型后在标准养护间放置24h，脱模后在室温为20℃～25℃的室内养护，相对湿度控制在30%。试验所采用的具体配合比和养护方式如表1所示。除普通砂浆和掺入掺和料的砂浆外，其他类型的砂浆均使用了减水剂为水泥质量的1%。注:编号中S和B后的数字为聚合物乳液的百分比掺量；G和SG后的数字代表硅灰相对GGBS的掺量;编号末尾的X代表标养，F代表干养。

2力学性能试验

211抗折强度试验和抗压强度试验

抗折和抗压强度试验按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程JTGE30—2005》中规定的方法进行。图1为抗折强度和抗压强度随聚灰比的变化关系图，与普通砂浆相比，经硅油乳液和丁苯乳液改性后的水泥砂浆，其抗折强度和抗压强度均略有下降。随着聚合物乳液掺量的增加，改性砂浆的抗折强度和抗压强度均先增大后减小，峰值对应的掺量均为15%左右。这表明聚合物乳液的成膜作用对水泥砂浆的改善还不是很理想，尤其在掺量很少或者掺量过高时。

图1抗折强度、抗压强度随聚灰比的变化关系

图2为掺入GGBS和硅灰的砂浆的抗折强度和抗压强度。抗折强度和抗压强度的变化趋势基本相同。比较0-X、G-0-X和G-5-X三组数据可得，GGBS的掺入(G-0-X)使强度略有下降，当掺入硅灰后(G-5-X)强度有所增加，可与普通砂浆强度持平。掺合料对于硅油乳液改性砂浆(SG-0-X和SG-5-X)也有同样的作用效果，这说明硅灰有利于砂浆强度的提高。图3所示为干养条件下各类砂浆的抗折强度和抗压强度。同为普通砂浆，干养条件下砂浆的强度(0-F)明显低于标养条件下的砂浆(0-X)；而同为干养条件，改性砂浆的抗折强度和抗压强度普遍高于普通砂浆，且随着龄期的增长这种优势越趋明显，与文献[6]的试验结果吻合。其中以掺入掺合料的硅油乳液改性砂浆的强度最高，这表明聚合物乳液和掺合料的使用有助于改善不利养护条件下水泥砂浆的力学性能。

212黏结抗折强度试验

对于承受弯拉应力的混凝土结构的修补，在新老材料共同受力的过程中，其黏结界面的抗折强度起着重要的作用，而且新老材料黏结面的其他力学性能，如抗拉强度，抗剪强度也间接与抗折强度有关^[7]。本研究采用黏结抗折强度试验结果来表征新老砂浆间的黏结性能。黏结抗折强度试验聚合物乳液掺量取15%，硅灰的掺量取5%。即对表1中编号为0-X、S-15-X、B-15-X、G-5-X和SG-5-X的5组材料进行黏结抗折强度试验。

21211试验方法及试件的制备

黏结抗折强度试验采用文献^[8]方法：将尺寸为4cm×4cm×16cm的普通砂浆试件标养28d后，使用切割机从正中间(8cm处)将试件切成两半，然后在断面另一侧浇注新拌的普通砂浆或改性砂浆，制成新老砂浆的黏结试件，如图4所示。将试件养护7d和28d后测定其抗折强度，用于描述改性水泥砂浆与普通砂浆的黏结性能。

21212试验结果分析

黏结抗折强度的试验结果如图5所示，聚合物乳液能有效提高改性砂浆的黏结抗折强度，提高幅度为20%～50%，且硅油乳液改性砂浆的黏结抗折强度显著高于丁苯乳液改性砂浆;掺入GGBS和硅灰的砂浆的黏结抗折强度与普通砂浆的几乎相同，这说明掺合料对砂浆的黏结抗折强度影响甚微;将修补材料的黏结抗折强度与其抗折强度作比，硅油乳液改性砂浆的黏结抗折强度能够达到其自身抗折强度的47%～60%，丁苯乳液改性砂浆可达到39%～51%。

3吸水率试验

吸水率试验聚合物乳液的掺量取15%，硅灰的掺量取5%，即对表1中编号为0-X、S-15-X、B-15-X、G-5-X和SG-5-X的5组材料进行吸水率试验。

311试验方法及试件的制备

本文采用文献[9]中的试验方法，选用尺寸为4cm×4cm×16cm的水泥砂浆试件的吸水率试验为代用试验评价聚合物改性水泥砂浆的抗渗性能。

首先，将试件标养28d后放入烘箱中，35℃烘干24h，75℃烘干24h，105℃烘干48h，接着将试件继续放在烘箱内降温干燥至常温，然后用保鲜膜和胶带将试件严格密封，在试件一端刻出315cm×315cm的正方形作为渗水口，用玻璃胶密封渗水口边缘。待玻璃胶硬化后将渗水口朝下直立放入水槽内，水槽内液面保持1cm深度。浸水时间到期以后，取出试件，拆去密封层，擦干表面。把试件从浸水面开始按长度方向分为16等份，每份1cm。用利器把每份敲下，称重并记数。然后把试样在105℃下烘3d，再次称重并记数。最后计算试件各个高度处的含水量。吸水率试验方法如图6所示。

312试验结果分析

图7所示为28d时各类砂浆的吸水率试验结果。

普通砂浆、丁苯乳液改性砂浆及掺入GGBS和硅灰的砂浆的含水量从浸水面至某一高度范围内较高且基本保持不变，这说明此高度内含水量已经达到饱和，3类砂浆的饱和含水量为7%～9%。然而，3类砂浆的饱水高度不同，高度越高说明吸水速率越快。吸水速率由快至慢依次为普通砂浆、丁基乳液改性砂浆和掺入掺合料的砂浆。

与上述3类砂浆不同，硅油乳液改性砂浆和掺入掺合料的硅油乳液改性砂浆并未饱和，这说明硅油乳液能够延缓水在砂浆中的渗透作用，可有效提高水泥砂浆的耐久性。

掺入掺合料的硅油乳液改性砂浆比较特殊，虽然含水量不高，但水能够在短期渗透至试件内较高的位置(10～12cm)，且在此范围内基本保持不变。产生这种现象的原因可能是由于其内部存在一定数量的连通孔隙通道，但是总可用孔隙的数量并不高。

4孔结构分析试验

孔结构按照孔径的大小混凝土中的孔可分为4类:凝胶孔(<10nm)、过渡孔(10～100nm)、毛细孔(100～1000nm)和大孔(>1000nm)[10211]，其中大孔主要影响混凝土的强度，毛细孔和过渡孔主要影响混凝土的渗透性，对强度也有一定影响，凝胶孔则主要影响混凝土的收缩和蠕变性能。

本试验聚合物乳液掺量取15%，硅灰的掺量取5%，对表1中编号为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组材料进行孔结构分析试验。

411试验方法

本研究采用美国麦克公司生产的MicromeriticAutoPoreⅣ9510型全自动压汞测孔仪测定砂浆的孔结构，测定孔直径范围为3～360000nm，主要包括过渡孔、毛细孔和大孔，这是能影响砂浆和混凝土强度与渗透性的主要孔结构。

412试验结果分析

1)将标养条件下各组砂浆龄期为28d时的孔级配曲线绘制如图8所示。比较其中0-X、S-15-X和B-15-X3组砂浆的孔级配曲线可见，均存在一个级配峰值，该峰值出现在10～100nm，与普通砂浆相比，聚合物改性砂浆的孔级配峰值向孔径减小的方向移动，说明聚合物乳液的掺入细化了水泥砂浆的孔隙。从孔级配曲线的总体形态来看，聚合物乳液的掺入主要改变了10～1000nm的孔结构，又根据Ollitrault2Fichet[12]等通过实验研究得出的聚合物对水泥浆体中5nm以下的孔几乎没有影响，以上综合说明聚合物乳液作用于水泥浆体时影响的主要是过渡孔与毛细孔，即主要对强度和渗透性起影响作用。力学试验和吸水率试验的结果在这里得到了验证。

2)比较图8(a)中0-X和G-5-X两组砂浆的孔级配曲线可见，曲线峰值位置虽几乎相同，但掺加掺合料的砂浆的孔级配峰值明显小于普通砂浆，从曲线整体形态来看，掺合料的掺入主要改变了1000nm以下的孔结构，减少了毛细孔的数量，增加了凝胶孔的数量，这是因为掺合料的掺入促进了水泥水化反应的发生，使水化产物含量增加，填充了毛细孔隙，从而凝胶孔数量增多。SG-5-X在硅油乳液和掺合料的共同作用下，孔结构得到进一步改善，表现为总孔隙量较小，毛细孔数量少，砂浆中的孔隙主要为过渡孔和凝胶孔。

3)图8(b)为干养条件下各类砂浆的孔级配曲线。比较0-X和0-F两组砂浆的孔级配曲线可知，0-F的峰值位置明显向孔径增大的方向移动，毛细孔和大孔在砂浆内占较大比例，由此可见不利的养护条件将导致普通砂浆内部孔结构劣化，强度因此降低，这与力学试验得出的结论吻合。掺入聚合物乳液和掺合料的砂浆的孔级配并未出现类似的情况，与标养条件下砂浆的孔级配曲线相比，曲线形态相同，峰值仍保持在10～100nm，这说明改性砂浆在不利的养护条件下仍能得到较好的内部孔结构。

5 结论

1)与普通砂浆相比，聚合物改性砂浆的抗折强度和抗压强度均略有下降，随着聚合物乳液掺量的增加强度先增大后减小，最佳掺量为15%左右；

2)聚合物乳液和掺合料的掺入使砂浆在不利的养护条件下亦能获得较好的内部孔结构和较高的力学强度，这表明改性砂浆比普通砂浆更适合于条件复杂的现场施工；

3)聚合物乳液的掺入能有效地提高改性砂浆的黏结抗折强度，提高幅度为20%～50%，且硅油乳液改性砂浆的黏结抗折强度显著高于丁苯乳液改性砂浆;而掺合料对砂浆的黏结抗折强度影响甚微；

4)硅油乳液改性砂浆和掺入掺合料的硅油乳液改性砂浆的吸水率最低，在试验期内未出现饱水现象，而其他3种砂浆均不同程度的饱水，吸水率由低至高的排列顺序为:掺入掺合料的砂浆、丁苯乳液改性砂浆和普通砂浆；

5)聚合物乳液和掺合料均具有细化水泥砂浆孔隙的作用，但二者对孔隙的影响范围不同，聚合物乳液主要改变10～1000nm范围内的孔结构，表现为减少毛细孔数量，增加过渡孔数量；而掺合料主要改变1000nm以下的孔结构，表现为毛细孔数量减少，凝胶孔数量显著增加。

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