聚合物改性水泥砂浆

聚合物改性水泥砂浆（共7篇）

聚合物改性水泥砂浆 篇1

0 引言

随着对现代都市道路美观和功能性要求的不断提高, 彩色路面作为一种新兴的结构路面, 其选料、施工、铺装等研究日益增长[1,2,3,4,5,6]。与传统路面相比, 彩色路面具有三大优点: (1) 有效、直观地区分道路区间, 相较标识牌更具标识和警示作用, 从而提高道路交通安全性能; (2) 美化道路景观, 特别是应用于广场、游乐园等场所; (3) 减少路面对太阳光的能量吸收从而降低夏季路面温度, 在我国南方应用, 可增强路面的耐高温能力[1,2]。

目前普遍采用的彩色路面有沥青型和陶粒型, 彩色沥青型路面需热法施工, 存在强度低、保色性差、散热慢等问题[1,7];而彩色陶粒面需要胶黏剂来粘接骨料和待铺设基层, 目前市面产品多为溶剂型, 水性产品性能并不完善:环氧聚合物韧性低, 耐温变性、耐强碱性差[8], 因反应机理决定了固化时不能和水泥直接拌合使用;采用聚氨酯作为粘结材料虽然能够提高韧性, 但其粘结强度与耐候性较差[9], 在夏日高温暴晒后出现老化降解, 致使路面开裂, 严重影响其使用性能和美观程度。聚合物改性水泥砂浆是使用聚合物作为改性成分的水泥砂浆, 由于聚合物具有较高的韧性及对有机基层如沥青[10]等较强的粘结强度, 相较于普通水泥砂浆更适宜作为路面铺装或修补材料;同时聚合物的引入也改善了原有水泥砂浆的微观结构, 可使砂浆的密实度增强, 其抗渗、抗氯离子侵蚀能力提高[11,12]。近年来, 乙烯—醋酸乙烯共聚物 (VAE) 被广泛采用于聚合物改性水泥基防水材料, 但其同样存在耐候性差、易老化降解等问题[13], 可导致此类路面在两三年内性能下滑。故使用性价比高, 粘接力强, 耐候性好的聚合物胶乳用于路面砂浆的改性变成为亟需解决的问题。本文自制了苯乙烯—丙烯酸酯共聚物胶乳用于改性砂浆, 从聚灰比和纤维素醚用量等方面综合考虑, 探讨了聚合物对砂浆物理性能的影响, 并尝试使用冷颜料钛铬棕对其进行着色, 测试其对路面砂浆的抑温效果, 以期其能够满足工程运用需求。

1 实验及样品测试方法

1.1 主要实验材料

1.2 主要测试设备及测试方法

1.2.1 测试设备

电液式抗压抗折试验机, TZA-300型, 无锡新路达仪器设备有限公司;水泥稠度凝结时间测定仪, 天津建筑仪器材料机械厂;水泥胶砂搅拌机、水泥净浆搅拌机, 无锡建仪仪器机械有限公司;微机控制电子万能试验机, WDW-30型, 长春科新试验仪器有限公司。

1.2.2 路面用聚合物改性水泥砂浆测试方法

试件按福建省工程建设地方标准DBJ/T13-182-2013彩色路面应用技术规程, 对彩色砂浆面拌合物的技术要求及相应国标进行样件制备并养护。养护龄期后, 按照相关标准对样品的凝结时间、抗压强度、弯曲强度和粘结强度进行测试。

2 实验结果及讨论

2.1 苯丙聚合物胶乳用量对水泥净浆凝结时间的影响

水泥为砂浆的主要胶结物质, 对砂浆的强度有至关重要的影响, 而其水化时间往往受到诸多因素的影响。在拌合水泥净浆时加入适量的聚合物乳液测试其初凝时间, 结果如图1所示。可见水泥净浆初凝时间随聚合物胶乳的添加量增加而延长, 说明该聚合物胶乳对水泥的水化具有明显的缓凝作用。这是由于聚合物胶乳在其含有的乳化剂体系作用下, 在分散过程中覆盖在细微的水泥颗粒表面, 形成的溶剂化膜, 阻滞水化作用的进行;而丙烯酸中的羧基和水泥中的高价离子在失水成膜过程中也会产生反应, 形成不溶、非渗透性的沉淀层, 二者阻碍了水泥水化过程[9]。表1所示, 随着聚合物的用量增加, 水泥缓凝现象愈发严重, 不利于施工应用, 故用量不宜过高, 应控制在水泥用量的20wt%以内。

2.2 苯丙聚合物胶乳用量对砂浆抗压、弯曲强度的影响

使用砂浆总质量的0.1wt%的消泡剂, 水泥总质量的0.1wt%的减水剂作为外加剂, 设定水泥—砂质量比1∶2.5, 水—灰比0.45∶1, 改变聚合物胶乳加入量 (按聚合物胶乳和水泥的质量比计算) 进行实验。制备砂浆抗压、抗折强度经测试结果如表2及图1所示。

由表2数据可知, 聚合物胶乳的加入使砂浆的抗压强度呈骤降趋势, 加入量仅在水泥的4wt%时, 就可使砂浆的抗压强度降低30%;随着聚合物用量增加, 砂浆的抗压强度逐渐下降, 当掺量为 (4~10) wt%时, 强度下降趋势趋于缓和。抗压强度下降的主要原因:聚合物材料弹性模量较小, 不具有足够的抗压能力, 又以橡胶态分散于砂浆连续相间, 无法起到刚性支撑作用;再者, 胶乳中含有的聚合物和非离子表面活性剂, 能包覆阻隔水和水泥颗粒, 延缓水化过程中水合晶体的成长、桥接, 其所含的有机物与体系之间形成的氢键和离子键等结合方式要弱于体系内原本存在的离子键, 导致砂浆抗压强度降低。相比抗压强度, 砂浆的弯曲强度下降较小, 压折比明显降低, 可见虽然聚合物的加入会导致强度下降, 但由于聚合物在水泥空间网络中起到桥接作用, 填补水泥内部空隙, 使水泥的弯曲强度不像抗压强度下降的那样快, 而较低的压折比使水泥更具韧性[14]。

2.3 苯丙聚合物胶乳用量对砂浆拉伸粘结强度的影响

聚合物胶乳的使用改变了水泥砂浆的内部结构, 同时给水泥的稠度、和易性等施工性能带来影响, 势必改变试件的粘结强度, 故有必要对试样进行粘结强度的测试。改变聚合物胶乳用量的同时测试其制备样件对混凝土试块的粘结强度, 结果列于图2。

由图可见, 砂浆粘结强度随聚合物用量的变化总体呈现下降的结果:先在用量为水泥质量的4wt%达到峰值, 继续加入聚合物胶乳, 试样的粘结强度反倒呈现出明显的下降。这是因为聚合物少量加入时, 其链段上携有的酰胺官能团通过吸附作用使水泥颗粒更充分地与水接触, 加强吸附分散和化学分散效应, 加速C3A的水化反应并在C3A—Ca SO4体系中能加速钙矾石的生成, 对水泥凝固起催化作用[14], 酰胺官能团 (-NH-CO-) 具有质子供—受体, 可在两官能团间形成氢键缔合;同时, 聚合物链段上的羧基官能团可与水泥中钙、铝等高价离子络合, 进一步形成体型结构, 增加水泥的粘结强度。但酰胺具有较强的絮凝作用, 大量加入会使水泥絮凝, 稠度下降从而失去施工性能;粘结层和基层的不完全粘接, 会使粘结面不能完全贴合, 从而使粘结强度急剧下降;而聚合物胶乳的过量加入如前文所述, 会导致缓凝作用的进一步加强, 使水泥的水化受到影响, 影响砂浆试样的早期强度, 从而使砂浆的粘接强度降低。结合考虑聚合物胶乳加入对压折比的影响, (4~6) wt%为聚合物胶乳加入水泥的较适宜用量。

2.4 纤维素醚对砂浆拉伸粘结强度的影响

在路面的实际铺设中, 砂浆和路面基材的粘结影响路面的耐久性, 同时, 高粘结强度能避免砂浆与基材间开裂、脱落等质量问题。为进一步提高产品粘结性能, 本文在优化基础上将羟甲基丙基纤维素分散入砂浆体系, 改变其在砂浆中的用量并测试砂浆的粘结强度, 结果列于图2。可见, 少量加入纤维素醚可显著提高砂浆的粘结能力, 这归因于羟甲基丙基纤维素的保水性:链段上羟基的氢键作用使得砂浆内部能长期保持足够水分, 从而确保水泥的充分水化, 同时可以使柔韧性和可塑性能得到提高, 是砂浆能够适应因基材收缩所产生的内应力, 使样品的粘结强度得到较大提高[15,16], 在单因素实验组中, 添加0.4wt%的纤维素醚, 可使样品的粘结强度较空白组提高20.7%;但进一步增加其用量, 试样的粘结强度反而呈现出较大的下降趋势, 是因为纤维素其链段上荷有的大量羟基使其具有水合增稠效果, 大量添加会使砂浆体系的粘度过高, 施工性能严重下降, 与基材的贴合程度变差, 故0.4wt%为羟甲基丙基纤维素在聚合物改性砂浆中较适宜掺量。

2.5 彩色水泥砂浆面辐照温度实验情况

对比于一般水泥砂浆路面, 彩色路面除了美观、易于交通标识之外, 对降低城市热岛效应也有十分重要的意义。本研究使用白水泥作为粘结材料, 1wt%钛铬棕作为着色颜料及以上优化参数调配聚合物改性砂浆, 同时制备普通混凝土砂浆, 分别以厚度5mm, 面积1m2涂布于试件台上, 将试件置于太阳光下辐照, 20min后开始测试其表面温度, 同时记录草坪温度作为对比, 得到3条温度—时间曲线, 列于图3所示。可见, 黄色砂浆路面的温度要比一般沥青路面的表面温度低4~6℃, 正午期间, 二者温度差最多可达6℃。彩色路面采用的颜料能够有效地反射太阳光, 以达到降低路面温度, 减缓热岛效应的作用。

3 结论

通过使用苯乙烯—丙烯酸酯共聚物胶乳及羟甲基丙基纤维素对水泥砂浆进行改性, 优化其用量, 可提高聚合物改性水泥砂浆的抗压、抗折强度和粘结强度等一系列物理性能, 使其能够满足彩色路面的技术规程要求, 拓展了其运用范围;新型“冷颜料”的加入, 在赋予砂浆路面色彩的同时, 具有一定的反射抑热效果, 为新型路面用砂浆材料的功能化、装饰化提供了新的发展方向。

摘要：将聚合物改性水泥砂浆作为彩色路面铺设材料, 研究了苯丙聚合物胶乳用量对砂浆凝结时间、抗压/抗折强度及对基材粘结强度的影响。经优选, 性能可达到抗压强度18.8 MPa (7d) 和28.92 MPa (28d) , 弯曲强度7.16 MPa (7d) , 粘结强度2.08 MPa (7d) ;在此基础上加入0.4 wt%羟甲基丙基纤维素醚进行改性, 试样粘结强度可提高至2.59MPa (7d) , 达到DBJ/T 13-182-2013关于彩色砂浆面的规范要求。使用"冷颜料"调色的聚合物改性彩色砂浆作为路面铺设材料, 可反射部分太阳光线降低地表温度。经实测, 使用"冷颜料"调色的路面表面温度较传统混凝土路面可降低46℃。

关键词：聚合物改性水泥基复合材料,苯丙聚合物乳液,纤维素醚,彩色砂浆路面

聚合物改性水泥砂浆 篇2

关键词：玻璃纤维,聚乙烯醇乳液,水泥砂浆,耐碱性能

0 前言

在普通水泥砂浆中掺入纤维能有效改善其断裂韧性,提高抗冲击性和抗折强度等,这使得纤维作为增强材料在水泥基材料中得到广泛应用[1,2,3,4,5]。 但研究表明,由于纤维表面比较光滑,致使其与水泥基体之间的黏结性能较差;同时,纤维的掺入还会导致水泥砂浆内部空隙率增大,降低耐久性能[6,7],因此,许多学者[8,9,10,11]研究了有机纤维和聚合物复掺改性水泥基材料的性能,结果发现,通过复掺可以明显改善其抗折强度、折压比、弯曲韧性和抗冲击性能等。

本研究主要通过将玻璃纤维和聚乙烯醇(PVA)共同掺入水泥砂浆中,试图通过聚乙烯醇包裹玻璃纤维来增加纤维表面的黏结力,同时改善玻璃纤维的耐碱性能,从而提高砂浆的耐久性。

1原材料、仪器设备及试验方法

1.1主要原材料

水泥:选用42.5 级普通硅酸盐水泥,其各项性能指标符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的规定,见表1。

玻璃纤维:所用玻璃纤维的形貌见图1,其主要化学成分及物理性能见表2。

细骨料:中粗河砂,粒径1.18~2.00mm,含泥量<0.18%。

减水剂:选用萘系高效减水剂,其质量符合GB8076—2008《混凝土外加剂》的要求。

水:普通自来水。

1.2试验用仪器设备

本试验所用仪器设备有:HC.PT12B.1 型架盘药物天平;JJ-5 型行星式水泥胶砂搅拌机;NYL-300A型压力试验机;DKZ-500 型电动抗折试验机;D8A25-X1 型X射线衍射仪;JSM-5800 型扫描电镜。1.3 试验过程

(1)水泥胶砂试件的制作

试验选用的水灰比为0.4,按照水泥∶水∶砂石=1∶0.4∶2.5 的比例配置砂浆;萘系高效减水剂按水泥质量的1%掺入;玻璃纤维长度为1cm,掺量分别为水泥质量的0.5%、1.0%、1.5%和2.0%; 聚合物乳胶粉为聚乙烯醇(PVA),掺量分别为水泥质量的5.0%、7.5%、10.0%和12.5%。

(2)试验步骤

按比例称取聚合物和等量的水,将其制成聚合物乳液;再称取水200g(包括聚合物胶粉中所加的水)、水泥500g、砂1250g、减水剂5g,将减水剂加入水中,再将玻璃纤维放入减水剂溶液中,待纤维分散开来后, 将纤维溶液加入聚合物乳液中搅拌2~3min;将水泥加入搅拌均匀的聚合物乳液中, 采用水泥胶砂搅拌机拌和,搅拌过程中自动加砂。

搅拌结束后将砂浆分二次装入尺寸为40mm×40mm ×160mm的试模中, 分别在振动台上振动2min,试件成型1~2d后脱模,将试件置于温度(20±2)℃,相对湿度(60±5)%的空气中养护7~28d。

2试验结果与分析

2.1单掺玻璃纤维

玻璃纤维以水泥质量的0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%分别单掺于水泥砂浆中,测定水泥砂浆7d、28d的抗折和抗压强度,试验结果见图2。

由图2 可以发现, 纤维掺量为水泥质量的1%时,砂浆7d和28d的抗折、抗压强度都较高。 随着纤维掺量的进一步增加,砂浆7d和28d的抗折、抗压强度有所降低。

2.2 单掺聚乙烯醇聚合物

聚乙烯醇(PVA)乳胶粉的掺量分别为水泥质量的0、5.0%、7.5%、10.0%、12.5%。通过观察发现,聚合物乳液的掺入使得水泥砂浆的凝结时间、密度及抗折和抗压强度都发生了改变,试验结果分别见图3 和图4。

若以水泥加入水中开始计时,直到水泥砂浆凝固可以脱模为止为水泥砂浆的凝结时间,由图3 可以发现,水泥砂浆的凝结时间随聚合物掺量的增加而延长。 当聚合物的掺量达到12.5%时,水泥砂浆的凝结时间达到3d左右,说明聚合物的加入明显起到了缓凝作用。随着聚合物掺量的增加,水泥砂浆的密度明显降低。同时在试验过程中也发现,当高速搅拌时,聚合物的加入可以起到一定的发泡作用,从而使水泥砂浆的微孔增大,密度降低。

由图4 可见,不掺聚合物的水泥砂浆抗折与抗压强度均最大,而在掺加了聚合物胶粉的水泥砂浆中,随着聚合物掺量的增加,砂浆的抗折强度先降低后增加,之后又降低,聚合物掺量为7.5%时,抗折强度达到最大值;而抗压强度则随着聚合物掺量的增加而不断降低。 引起这种变化的主要原因是聚合物作为一种柔性材料加入到水泥砂浆后,由于其弹性模量远低于水泥基材料的弹性模量,故能承受拉应力而无法承受较大的压应力,同时,聚合物的加入改善了水泥砂浆内部的紧密程度,减小了浆体与骨料间的裂缝尺寸,有利于保持砂浆的抗折强度。

2.3复掺玻璃纤维和聚乙烯醇聚合物

(1)复掺对砂浆强度的影响

通过单掺试验发现,聚合物掺量过大时,砂浆的凝结时间明显延迟,而纤维掺量过高时,因分散状况不好,不利于砂浆强度的提高。 所以,在复掺试验中,聚合物胶粉的掺量取5%、7.5%和10%,纤维的掺量取0.5%、1.0%和1.5%,分别测试各种情况下水泥砂浆的强度,试验结果见图5。

注:每组柱状图从左至右分别为7d抗折强度、28d抗折强度、7d抗压强度、28d抗压强度

由图5 可以看出,聚合物与玻璃纤维复掺能够明显改善聚合物单掺引起的抗压强度降低问题。 当玻璃纤维掺量一定时,聚合物水泥砂浆的抗压强度先降低后增加,之后又降低,基本上在聚合物掺量为7.5%时达到最大值。 同时由图5 还可以看出,当聚合物掺量和玻璃纤维掺量都增加时,水泥砂浆的抗压强度也有所增加。 为研究产生这种现象的原因,对玻璃纤维掺量为1.0%的单掺水泥砂浆和玻璃纤维掺量为1.0%、 聚合物胶粉掺量为7.5%的复掺水泥砂浆断面进行了扫描电镜分析,其扫描电镜照片见图6 和图7。

通过图6 和图7 可以发现,聚合物的加入不仅有利于纤维的分散,同时也降低了水泥砂浆中的空隙率,改善了水泥砂浆的内部结构。 综合考虑复掺水泥砂浆试件的抗折强度、 抗压强度以及柔韧性,得出复掺水泥砂浆最优掺量是掺1.0%的玻璃纤维和7.5%的聚合物胶粉。

(2)复掺对玻璃纤维耐碱性的影响

为研究聚乙烯醇是否包裹玻璃纤维,能否改善玻璃纤维的耐碱性能, 从而提高砂浆的耐久性,按照前述工艺,制备单掺1.0%玻璃纤维的水泥砂浆试件和1.0%玻璃纤维与7.5%聚合物胶粉复掺的水泥胶砂试件。 并将两组试件养护28d后进行压碎试验,取出水泥砂浆中的玻璃纤维,进行红外分析,结果见图8。

通过红外光谱分析可以发现,复掺玻璃纤维的砂浆,其表面官能团和单掺玻璃纤维表面的官能团有所不同,说明在复掺的过程中,有部分聚合物乳液黏附在了玻璃纤维的表面。

为了进一步研究复掺对玻璃纤维耐碱性能的影响,对从水泥砂浆中取出的玻璃纤维进行了碱失量的测试,碱腐蚀后玻璃纤维的表面状况如图9 和图10 所示。

a———玻璃纤维与聚合物复掺;b———单掺玻璃纤维

通过图9 可以看出,单掺玻璃纤维表面出现裂痕,表面结构已遭破坏,而图10 中复掺玻璃纤维表面有一层涂层, 纤维的表面结构基本没有发生变化,呈现规整排列,所以说聚乙烯醇聚合物的加入起到了保护纤维表面结构的作用。

为进一步判断碱腐蚀后纤维表面的官能团特征,对腐蚀后的单掺和复掺玻璃纤维进行了表面成分分析,分析结果列于表3。

根据碱侵蚀后玻璃纤维的表面成分对比可以得出:两者之间的元素含量差别主要在C元素和O元素中;复掺中,O元素所占的比例比较高,而单掺玻璃纤维表面主要为Si-O;由此可推断:复掺聚乙烯醇玻璃纤维表面可能含-OH和Si-O,所以说聚合物在强碱腐蚀的情况下,仍然能够黏附在纤维的表面,这说明聚合物的加入对纤维可以起到耐碱腐蚀的作用。

3 结论

(1) 玻璃纤维与聚合物乳液复掺时, 水泥砂浆的抗折强度及柔韧性能有一定程度的提升,且复掺时最优掺量为1.0%的玻璃纤维和7.5%的聚合物胶粉。 水灰比为0.4(包括聚合物乳液中的水),纤维长度大于1cm。

(2)玻璃纤维水泥砂浆中掺入聚乙烯醇乳液能改善纤维与水泥基的界面结构,增强两者之间的黏结性能。 同时聚合物可以黏附在纤维表面,起到一定的保护作用,使玻璃纤维的耐碱性能有所增强。

(3) 加入聚合物会引起水泥砂浆的体积膨胀,从而使水泥砂浆试件的强度降低,特别是水灰比过大时,体积膨胀更加明显,这就要求一方面要严格控制水灰比,另一方面要加入合适的消泡剂以减小体积膨胀带来的强度问题。

参考文献

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聚合物改性水泥砂浆 篇3

关键词：可再分散乳胶粉,减水剂,修补砂浆,混凝土

0前言

水泥混凝土路面适应载重大、速度高、密度大的车辆运输,具有强度高,稳定性好,使用寿命长,维修养护费用少等优点。从20世纪80年代开始在我国公路及城市道路工程中得到广泛应用。近年来公路的交通荷载急剧增长,然而由于设计施工、养护、环境污染及长期超负荷使用等因素,致使道路路面产生各种破损,成为影响混凝土路面发展的一个关键性技术问题。对交通繁忙的路面进行快速修补,缩短施工时间对交通的影响显得尤为重要,快速修补砂浆具有快速硬化,早期强度高,是解决道路快速修补技术的重要材料。化学添加剂是快速修补砂浆达到预期性能的重要保障,文章测试了可再分散乳胶粉、减水剂对快速修补砂浆力学性能、微观结果的影响。

1实验原材料及方法

1.1 原材料

石膏:二水石膏,重庆珞璜电厂;水泥:P.O42.5R,重庆拉法基;快硬硫铝酸盐水泥:42.5,四川嘉华集团;可再分散乳胶粉:VINNAPAS®5010N,醋酸乙烯/乙烯聚合物,瓦克化学贸易(上海)有限公司;减水剂:MELMENT® F10(密胺型),MELFLUX®2651F(改性聚羧酸醚),巴斯夫(中国)有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 物理性能测试

(1)抗折、抗压强度测试。

将不同聚合物掺量的快速修补砂浆混合均匀,分别称取等量自来水在水泥砂浆搅拌机中搅拌均匀,倒入尺寸为40×40×160 mm的三联试模中,插捣20次,刮去多余的砂浆,分别测试试件2 h,1 d,3 d,28 d抗折、抗压强度。

(2)粘结强度测试。

将50×50×5 mm的硅橡胶模具放置在混凝土板上,倒入快速修补砂浆浆料,待其固化后去除模具,粘结拉拔头,测试1 d拉伸粘结强度。

(3)流动度的测试。

将拌和均匀的快速修补砂浆浆料倒入上口径70 mm,下口径100 mm,高度60 mm的锥形圆模中,刮去多余的浆料,提起锥形圆模,测试浆料两垂直方向的扩展度,其平均值即为修补砂浆的流动度。

1.2.2 X射线衍射(XRD)

将不同聚合物掺量的快速修补砂浆净浆,水化一定时间后,立即放入无水乙醇溶液中浸泡3 d后在玛瑙研磨中研磨,放入70 ℃烘箱内烘干,制成粉末。

用D/Max2 Ⅲ型X射线衍射仪分别对2h,28 d的水化产物进行分析,测试条件:35kV/60mA, 扫描速度8°/min ,步宽0.02°。

2实验结果及讨论

2.1 可再分散乳胶粉对快速修补砂浆性能影响

快速修补砂浆各龄期抗压强度如图2,随着养护龄期的增加,快速修补砂浆抗压强度持续增长,2h龄期强度和1 d龄期强度分别达到其28天龄期强度的40%和70%左右。相同龄期不同聚合物掺量的修补砂浆抗压强度比较发现,随着聚合物掺量增加,快速修补砂浆2 h,1 d,3 d,28 d抗压强度均呈下降趋势,且下降幅度基本保持一致,可再分散乳胶粉掺量越大对快速修补砂浆不同龄期强度降低越明显。

混凝土路面长时间受到汽车的碾压,对修补砂浆抗折强度要求较高,同时需要一定的柔韧性防止路面开裂。抗压强度与抗折强度的比值直接反应了修补砂浆的柔韧性,测试发现可再分散乳胶粉掺量增加,各龄期修补砂浆的压折比显著降低。相同掺量可再分散乳胶粉不同龄期的修补砂浆压折比比较发现,随着可再分散乳胶粉掺量增加,2 h,1 d,28 d压折比的差异显著降低,表明可再分散乳胶粉不但在早期提高修补砂浆的柔韧性,而且提高修补砂浆后期的柔韧性。

快速修补砂浆与旧混凝土的抗折强度和粘结力是评价修补体系相容性的重要手段[1,2],本实验采用在旧混凝土板上成型修补砂浆,测试修补砂浆与旧混凝土板的粘结强度评价其相容性。测试表明可再分散乳胶粉掺入大幅提高了快速修补砂浆与旧混凝土板的粘结强度,可再分散乳胶粉掺量2.5%时修补砂浆与混凝土基面的粘结强度提高50%,掺量为5%时粘结强度提高100%。

可再分散乳胶粉是一种有机聚合物胶粘剂,与水接触时会重新分散成有机聚合物乳液,在水泥砂浆干燥过程中随着水分的蒸发、减少形成连续的聚合物膜,形成有机架桥,改善了新旧界面的结合力、提高了修补砂浆的内聚力和粘结强度。

分别在快速修补砂浆净浆掺入胶凝材料质量0%、1%、2%、3%、4%的可再分散乳胶粉,养护至2 h、28天龄期采用XRD进行分析。快速修补砂浆净浆XRD图谱显示,在水化2h后形成了大量的钙矾石、同时存在一定量的未水化完全的二水石膏、硫铝酸钙、硅酸二钙、硅酸三钙。28d龄期的快速修补砂浆净浆的XRD分析发现仍然含有大量钙矾石和未完全水化的二水石膏、硫铝酸钙、硅酸二钙、硅酸三钙。

28 d水化产物XRD图谱与2h基本类似,但快速修补砂浆净浆的水化产物钙矾石的特征峰更尖锐,晶体形体相对完整,水化相对更充分。二水石膏的特征峰明显缩小,这是因为CaSO4是促进钙矾石形成的主要矿物成分[3],二水石膏的消耗加速了钙矾石的形成,提高了修补砂浆的致密性、表现为强大增加。不同聚合物掺量的修补砂浆净浆XRD图谱基本相同,表明可再分散乳胶粉的掺入并不改变快速修补砂浆胶凝材料的水化进程及水化产物形态。

2.2 减水剂对快速修补砂浆性能影响

拌和水的用量是影响快速修补砂浆强度的重要因素,本文采用流动度评价减水剂在快速修补砂浆中的作用效果,保持修补砂浆流动度在200±2 mm,改变减水剂的掺量(以总重的百分数计),测试其对快速修补砂浆各龄期抗压强度的影响。快速修补砂浆流动度保持一致时,结果如图7所示,减水剂提高了修补砂浆的可塑性和流动度,用水量明显降低。密胺型减水剂的掺量小于0.6%时用水量随掺量增长呈显著下降,但高于0.6%时用水量的下降幅度降低,密胺型减水剂的最佳掺量为0.6%。聚羧酸醚型减水剂随掺量增大用水量持续降低,修补砂浆用水量相同时掺量越位密胺型减水剂的1/3。

达到相同流动度时,减水剂掺量增加快速修补砂浆拌和水用量显著降低,快速修补砂浆各龄期抗压强度均呈上升趋势,掺量与抗压强度呈正比关系;2h抗压强度随减水剂掺量的增大而提高,1 d、7 d、28 d抗压强度方面,掺量小于0.6%时,掺量增加,修补砂浆抗压强度提高,但掺量大于0.6%时,抗压强度反而降低,且龄期越长,降低幅度越明显。密胺型减水剂在快速修补砂浆中的掺量相对较高,存在最佳掺量。

快速修补砂浆流动度相同时,随着聚羧酸醚型减水剂掺量的增大,抗压强度显著提高,且掺量与修补砂浆各龄期抗压强度呈正比关系。掺量分别为0.05%、0.1%、0.15%、0.2%时对2 h抗压强度的提升分别为127.6%、289.6%、582.8%和793.1%,对28d抗压强度的提升分别为44.2%、112.5%、184.4%和238.4%。减水剂对快速修补砂浆早期强度的提升明显,随着龄期的增长,对强度的提升幅度降低。

3结论

(1)可再分散乳胶粉应用于路面快速修补砂浆中显著提高砂浆的柔韧性,同时提高其与修补面的粘结强度。可再分散乳胶粉在修补砂浆中形成有机架桥,改善了新旧界面的结合力、并不改变快速修补砂浆胶凝材料的水化进程及水化产物形态。

(2)减水剂是快速修补砂浆获得优良工作性和强度的保证,合适的减水剂类型和掺量显著提高快速修补砂浆各龄期的抗压强度,聚羧酸醚型减水剂比密胺型的减水率高,不仅掺量低,而且对早期强度的提升尤为明显,适合应用于路面快速修补砂浆。 [ID:7794]

参考文献

[1]Ohama Y.Adhesion durability of polymer-modified mortars through ten-year outdoor exposure.ACI Special Technical Pub-lication;1995.

[2]M.H.F.Medeiros,P.Helene,S.Selmo.Influence of EVA and acry-late polymers on some mechanical properties of cementitious repair mortars.Construction and Building Materials.

聚合物改性水泥砂浆 篇4

我国山区面积占国土面积的69%,弹石路面作为山区农村公路交通的一个主要组成部分,发挥着重要的社会经济作用。弹石路面具有投资低、易养护、技术简单、材料来源丰富等特点。过去弹石路面嵌缝的主要材料是砂浆。由于砂浆成分比较单一,在施工现场受到外界因素干扰较大,砂浆质量难以得到保证;另外,由于砂浆养护时间较长,会延迟道路交通开放时间。目前,云南地区采用较多的是沥青砂和细砂嵌缝,前者施工不便,后者受荷载作用和雨水冲刷容易带出,且防水性能差。本文旨在通过以山砂(就地取材)、矿渣水泥为原材料,采用粉煤灰内掺法,达到减少水泥用量、减水的目的,同时得到性能最优的粉煤灰掺量;在此基础上掺加水溶性环氧树脂进行改性[1],并通过一系列试验观察改性效果,得到一种用于山区弹石路面的新型嵌缝材料[2~4]。

1 试验材料与方法

1.1 材料

水泥:青岛某公司生产的32.5级矿渣硅酸盐水泥(P·S·A),技术参数见表1。

由表1可知,其符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》的技术要求。

粉煤灰:云南某公司生产的Ⅱ级粉煤灰,技术参数见表2。

山砂:昆明某建筑材料厂生产的山砂,细度模数为2.74(中砂),平均粒径0.35~0.5mm。含泥量符合GB/T14684-2001《建筑用砂》Ⅱ类砂标准。经酒精燃烧法试验,含水率为0.8%。

环氧树脂:中国石化集团巴陵石化分公司生产的溶剂型环氧树脂EPE-44T97,配有YF-350腰果酚改性脂肪胺环氧树脂固化剂,技术指标见表3。

消泡剂:广州某公司生产的溶剂型环氧树脂消泡剂,主要成分为破泡聚合物,不含硅酮的透明液体,密度0.88g/mm3,添加质量比为(0.1~1)%。

拌合水:试验室自来水。

1.2 试验方法

1.2.1 稠度试验

根据JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》,采用砂浆稠度测定仪进行试验。

1.2.2 分层度试验

根据JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》,采用砂浆分层度测定仪。

1.2.3 砂浆拌合方法

采用机械搅拌,搅拌机符合JG/T3033《试验用砂浆搅拌机》的要求,搅拌用量为其容量的30%~70%。搅拌前,先人工将细骨料、胶凝材料拌合均匀,在此基础上需要添加聚合物时加入聚合物,最后加入拌合水。搅拌时先慢拌120s,停留15s后,再快拌120s。

1.2.4 密度、含气量试验

根据DL/T5126-2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》,采用内径108mm、高109mm、壁厚5mm,容积在20℃时为(1000±1)cm3的砂浆容量筒以及相应公式分别计算密度和含气量。

1.2.5 凝结时间试验

根据DL/T5126-2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》,进行人工测定。

1.2.6 抗折、抗压试验

根据DL/T5126-2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》,分别用电动抗折机和压力试验机进行试验,采用40mm×40mm×160mm三联试模成型试件。

2 试验结果与分析

2.1 基准配合比设计与粉煤灰内掺

目前,工程砌筑砂浆嵌缝强度普遍为M7.5,考虑到弹石路面嵌缝砂浆工作期间经常受到车辆冲击、雨水冲刷等荷载作用,根据JGJ/T98-2010《砌筑砂浆配合比设计规程》,选择一般施工水平,控制稠度为(80±5)mm,保水率≥80%,拟配强度M10的基准砂浆。得到基准配合比水泥:砂:水=275:1410:283。基准组采用不同百分比等量粉煤灰内掺法,见表4所示。

由表4可知,随着粉煤灰掺量增加,用水量有减少的趋势,说明粉煤灰具有一定的减水作用。这是因为粉煤灰主要为球形微珠颗粒,在拌合砂浆中具有优异的流动性,对拌合砂浆起着滚珠润滑作用,同时它可以填充在砂浆絮凝结构的缝隙中,占据部分水的体积,将水释放一部分出来用于拌合。分层度值总体维持在(15~20)mm,说明该砂浆保水性良好,便于施工。在各水平粉煤灰掺量中,掺量0%时的7d和28d抗压、抗折强度均为最大值,说明粉煤灰等量取代水泥时,对砂浆的强度有显著影响。GBJ146-90《粉煤灰混凝土应用技术规范》中,对粉煤灰混凝土配合比设计中的粉煤灰掺量采取超量系数,这与本试验结果分析也是一致的。从7d的抗压、抗折强度变化可以看出,掺加粉煤灰后的砂浆早期强度明显降低,这是由于粉煤灰的胶凝性能不如水泥好,其等量取代水泥后造成的。同时,粉煤灰对砂浆的后期强度也有一定的影响。随着粉煤灰掺量的增加,砂浆的抗压、抗折强度都呈现出先降低后增高,再降低的规律,并且在粉煤灰掺量20%左右产生较大值。砂浆7d和28d的压折比变化如图1、图2所示。

由图1、图2比较可知,7d和28d压折比变化呈相反趋势。7d压折比在3.45~3.8范围内波动,28d压折比在4.5~5.0范围内波动,说明随着养护时间的延长,压折比总体上有所升高,砂浆有偏向脆性破坏的趋势。随着粉煤灰掺量的增加,压折比在掺量15%左右出现一个拐点。综合以上考虑,选用粉煤灰单掺20%作为配制环氧树脂聚合物砂浆的基准组,保持用水量不变。配合比为水泥:粉煤灰:砂:水=220:55:1410:283。

2.2 聚合物改性砂浆试验分析

试验控制稠度为(80±5)mm,以便施工和观察减水效果,试验结果见表5。

由表5可知,环氧树脂EPE-44T97聚合物具有显著的减水作用。当聚灰比为12%时,减水率可达13.8%,并且随着聚灰比增加,减水率会进一步增加,减水速率由急变缓。利用SPSS软件对聚灰比、减水率的关系进行回归分析,采用的模型包括线性、二次项、复合、增长、对数、立方、S、指数分布、逆模型、幂模型、Logistic等,结果如表6所示。

注:a.无法计算复合模型、幂模型、S模型、增长模型、指数或Logistic模型;b.无法计算倒数模型或S模型;c.无法计算对数模型或幂模型。

由表6可知,数据无法用复合模型、幂模型、S模型等进行回归分析,仅可用线性、二次、三次模型进行回归,而三者中线性模型回归最为显著。表7采用线性模型时,可决系数为0.885,校正可决系数为0.875,接近1,说明因变量的方差中,自变量能解释88.5%,拟合效果要求不严格的情况下,是可以接受的。表8中,F统计量值为84.634,显著水平P值接近0,方程显著。表9中“聚灰比”和常数的t统计量观测值分别为9.200和3.178,且检验概率P值接近0,显然该线性模型系数和常数显著非0。同理可得,二次项回归结果见表10,常数检验P值显著大于0,说明常数项回归系数不显著。表11表明三次模型的常数项回归系数不显著。拟合曲线见图3,回归方程依次列出如下:

线性模型:f(x)=1.082x+2.644(0≤x≤12)(自变量能解释88.5%)

二次模型:f(x)=0.246+2.390x-0.109x2(0≤x≤12)(自变量能解释98.4%)

立方模型:f(x)=-0.406+3.210x-0.287x2+0.010x3(0≤x≤12)(自变量能解释99.2%)

观察表5可知,随着聚灰比的增加,7d抗折、抗压强度不断降低,并且降低速率由急到缓。图4和图5分别为聚灰比为0%和7%时,砂浆的7d表观照片。图4可以明显观察到,粉煤灰砂浆表面相对致密,气孔稀少,这是由于掺加粉煤灰后,粉煤灰圆珠颗粒有效填塞微细孔隙所致。砂浆试块相对光泽和干燥,说明水化反应相对比较完全。图5中聚合物改性砂浆试块表面布满孔洞,有空壳现象出现,可能是环氧树脂聚合物在砂浆中引气、消泡剂用量偏少、砂浆搅拌不均和振捣不密实综合作用的结果。同时还可能是填料粒径的影响。祝君[5]通过室内弹性环氧树脂改性砂浆试验及现场取样,得到表12的结果。此外,砂浆颜色偏暗,说明聚合物对水化反应有滞后作用,在试块中仍能清晰地看到聚合物絮凝结构物。这可能是由于聚合物乳液颗粒对胶凝材料的包裹以及隔离水分子的作用,也是聚合物改性砂浆早期强度较低的一个主要原因[6]。聚灰比和抗折、抗压强度之间的关系,沿用上述方法进行回归分析,从中选取较优的拟合曲线方程。拟合曲线见图6和图7,由图可以清晰地看出,两者拟合曲线线形非常相似,回归方程依次列出如下。

注:自变量为聚灰比。

注:自变量为聚灰比。

7d抗折强度:

二次模型:f(x)=1.452-0.151x+0.008x2(0≤x≤12)(自变量能解释88.0%)

立方模型:f(x)=1.567-0.296x+0.040x2-0.002x3(0≤x≤12)(自变量能解释97.2%)

7d抗压强度:

二次模型:f(x)=6.377-0.502x+0.026x2(0≤x≤12)(自变量能解释92.9%)

立方模型:f(x)=6.685-0.889x+0.110x2-0.005x3(0≤x≤12)(自变量能解释98.2%)

溶剂型环氧树脂EPE-44T97改性聚合物砂浆的凝结时间[7]见图8。

由图8可见,各个掺量水平下聚合物改性砂浆初凝、终凝时间变化不大。初凝时间随聚合物掺量增加,缓慢延长,变化范围为305~330min;终凝时间变化趋势同样如此,在520~560min范围内。说明环氧树脂聚合物乳液对砂浆凝结时间具有延长作用,但影响较小。初凝、终凝时间变化范围都在GB175-2007《通用硅酸盐水泥》的允许范围内。

溶剂型环氧树脂EPE-44T97改性聚合物砂浆的密度、含气量变化见图9、图10。

图9显示砂浆的密度基本呈线性降低变化,变化过程中略微起伏。图10中含气量变化总体呈现上升趋势,但出现一个凹点,对应聚灰比为7%,含气量5.8%。利用SPSS软件进行曲线拟合,曲线拟合结果见图11、图12,筛选得到最优回归方程如下:

密度:

立方模型:f(x)=1874.580-83.728x+11.851x2-0.604x3(0≤x≤12)(自变量能解释96.6%)

含气量:

立方模型:f(x)=1.329+2.717x-0.412x2+0.021x3(0≤x≤12)(自变量能解释93.6%)

3结论

(1)砂浆等量单掺粉煤灰后,具有一定的减水功效,施工和易性较好;但抗折、抗压强度有所降低,且7d和28d的压折比呈现相反的变化趋势。在7d、28d抗折、抗压强度中存在一个较大值,即粉煤灰掺量20%时对应的强度较高,由此得到粉煤灰砂浆最优配合比为水泥∶粉煤灰∶砂∶水=220∶55∶1410275。

(2)环氧树脂聚合物改性砂浆通过内掺20%粉煤灰,可节约水泥用量。随着聚灰比的增加,减水效果显著,早期抗压、抗折强度虽有降低,但仍能满足嵌缝砂浆的基本力学性能要求。由于在试验中控制稠度、分层度,无泌水、脱裂等有害现象发生,就地取材使用山砂,施工性较好[8]。

(3)由于胶凝材料颗粒受到聚合物乳液的包裹和隔水作用,早期水化效果较差,同时砂浆含气量较大,孔洞较多,导致强度降低。初凝、终凝时间随聚灰比增加而延长,但增长幅度较小,胶凝材料水化效果不理想是一个重要原因。

(4)聚合物改性砂浆密度随聚灰比增加而呈近似于线性降低的变化,同时含气量整体呈上升趋势,但曲线中有凹凸现象。通过拟合得到以7d抗折强度、7d抗压强度、密度、含气量为因变量,聚灰比为自变量的回归方程和拟合曲线,且具有较大可信度。

参考文献

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[5]祝君.材料配比及施工因素对弹性环氧砂浆性能的影响分析[J].企业科技与发展,2008(10):134-136.

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[7]黄政宇,田甜.水性环氧树脂乳液改性水泥砂浆性能的研究[J].国外建材科技,2007,28(1):20-23.

聚合物改性水泥砂浆 篇5

工程经验表明, 在水泥基材料的硬化过程中, 产生适度膨胀是减少甚至消除干缩和冷缩裂缝最有效的途径[5], 而偏高岭土 (metakaolin, 简称MK, 主要成分为二氧化硅和氧化铝) 与水泥水化产物Ca (OH) 2等反应生成大量钙矾石, 能够产生微膨胀[6], 并能有效改善水泥混凝土的力学性能。因此, 本文针对偏高岭土MK和偏高岭土基复合添加剂MS对聚合物改性修补砂浆力学和收缩性能的影响进行了试验研究。

1 试验

1.1 试验原料

水泥:华新P·O42.5 水泥。

石英砂:粒径100~200目, 市售。

粉煤灰:Ⅱ级干灰。

聚合物:可再分散乳胶粉。

偏高岭土MK:茂名高岭科技有限公司MO1 型偏高岭土 (活性二氧化硅和活性氧化铝含量大于90%) , 比表面积为2600 m2/kg, 化学成分见表1, 粒度分布见表2。

%

偏高岭土基复合添加剂MS:由偏高岭土和硫酸盐按一定比例复配制得。

拌合水:饮用水。

1.2 试验基准样配合比

不同强度等级聚合物改性修补砂浆的配合比见表3。

1.3 试验方法

胶砂的抗折、抗压强度按GB/T 1761—1999《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》进行测试;收缩性能按JC/T 603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》进行测试;抗渗性按GB 23440—2009《无机防水堵漏材料》进行测试;孔结构测试采用压汞法极性测试;SEM分析采用JSM-5610LV扫描电镜。

2 试验结果与分析

2.1 MK、MS对聚合物改性修补砂浆抗压强度的影响

试验研究了MK以3%、5%, MS以5%等质量取代各组基础配比中的水泥, 对聚合物改性修补砂浆抗压强度的影响, 结果见表4。

由表4 可知, MK、MS的加入使各试样7 d、28 d抗压强度增长率均达到22%以上, 结合表3 可知, 基准样强度越低, 增长率越高, 且7 d抗压强度增长效果普遍高于28 d。如4#试样 (基准强度为26.1 MPa) , 掺3%MK时, 7 d抗压强度增长率为33%, 28 d抗压强度增长率为23%;掺5%MS时, 7 d抗压强度增长率达到66%, 28 d为50%。对比显示, 掺5%MS时的抗压强度增长率最大, MK掺量由3%增加到5%时, 强度增长率也随之提高。

结果表明, MS、MK对聚合物改性修补砂浆的强度尤其早期强度具有显著的促进作用, 且试样基准强度越低, 提升强度作用越明显, 而MS的促进作用更优于MK。

2.2 MK、MS对聚合物改性修补砂浆抗渗性的影响

试验研究了MK、MS掺量为5%时对修补砂浆7 d抗渗性的影响, 并与基准样进行了对比, 结果见表5。

MPa

由表5 可知, 各聚合物改性修补砂浆基准样在掺入MK或MS后, 7 d抗渗压力均显著上升, 其中掺加5%MS效果更显著, 强度等级最低的4#试样抗渗压力较基准试样增大了倍。这可能是偏高岭土的填充效应、火山灰活性和早期微膨胀效应共同作用的结果。

2.3 MK、MS对聚合物改性修补砂浆收缩性能的影响

试验研究了MK、MS掺量为5%时对修补砂浆收缩性能的影响, 并与基准样进行了对比, 结果见图1。

由图1 可知, 与基准样对比, 掺5%MK的试件早期收缩率有所降低, 1#、3#试样甚至出现了微膨胀, 但随着养护龄期的延长, 其收缩率与基准样越来越接近, 这说明MK补偿收缩的效果随着龄期的延长在不断下降。

掺5%MS时, 改性修补砂浆得到了相比掺5%MK时更优的收缩性能, 掺5%MS试样的初期膨胀效果更明显, 且整体收缩速度以及28 d收缩率都小于掺5%MK的试样和基准样, 各试样收缩率均小于2.2×10-4。

力学性能和收缩性能的试验数据都显示, 偏高岭土能有效改善修补砂浆的力学性能和体积稳定性, 一方面是因为偏高岭土粒径基本集中在0~3 μm (如表2 所示) , 具有很好的填充效应, 降低了改性修补砂浆的孔隙率并减少了大孔径分布, 有利于砂浆的强度增长;另一方面则由于偏高岭土中含有大量的活性氧化硅和氧化铝, 掺入水泥基材料后, 可迅速与Ca (OH) 2等反应, 促进了水泥水化的快速进行, 有力地弥补了聚合物成膜对水泥水化的抑制作用, 并生成大量对强度和膨胀发展有促进作用的C-S-H凝胶和钙矾石针状晶体, 导致砂浆强度显著增长, 产生微膨胀。但是, 由于偏高岭土引入的活性氧化铝, 在养护后期能进一步参与反应消耗钙矾石, 导致试样后期的收缩率加大, 使其与基准样之间的差距越来越小。

与偏高岭土相比, MS对修补砂浆的力学性能和体积稳定性都显示出了更好的改善效果, 分析其原因在于:MS增加了修补材料体系硫含量, 极大地促进了偏高岭土早期活性效应, 使改性修补砂浆体系在早期水化阶段就能生成大量钙矾石, 同时, 硫含量的增加, 亦使水化反应后体系中剩余的C3A更少, C3A与钙矾石消耗程度也就越低, 所以强度和收缩性能更佳。

2.4 MK、MS对聚合物改性修补砂浆微观结构的影响

2.4.1 MIP测试

为研究MS对聚合物改性修补砂浆孔结构的影响, 选取3#基准样及掺5%MS时的试样进行MIP测试, 结果见图2、图3。

由图2 可知, 掺5%MS的试样累计吸入量远小于基准样, 仅为其1/2, 这表明掺MS后, 总孔隙率, 特别是小孔数量明显减少, 同时在大孔径区域 (100~100 000 nm) , 其累计吸入量也小于基准样, 表明大孔数量减少。这说明MS的加入可以显著降低孔隙率, 优化改性修补砂浆的孔结构。

图3 反映了改性修补砂浆内部各直径孔与其单独吸入量的关系, 某一孔径对应的单独吸入量越大, 表示该直径的孔越多。由图3 可以看出, 掺MS的试样在最大单独吸入量时的孔径, 比基准样要大、且数量要少, 即表示MS的加入, 改善了修补砂浆孔结构, 促使对其干缩性能不利的有害孔变大, 向无害孔方向转变, 从而降低了改性修补砂浆的干燥收缩。

结合压汞数据, 对小孔径范围内的分布进行更加细致的分析, 结果如图4 所示。

由图4 可以直观看出, 在小于27 nm (2 条曲线交叉点) 孔径范围内, 掺MS的试样的单独吸入量均小于基准样, 即其在小于27 nm孔径范围内的小孔数量更少。这也表明:在提供有效毛细张力并产生干燥收缩的孔径范围内, 掺MS试样的小孔更少, 产生的毛细张力更小, 最终导致试样的收缩越小。

压汞结果充分显示, 掺加MS引入的微集料效应及火山灰效应产生水化产物的填充效果, 显著降低了改性修补砂浆的总孔隙率和对干缩有害的孔含量。

2.4.2 扫描电镜分析

为了进一步研究MS对聚合物改性修补砂浆微观结构和钙矾石生成的影响, 对3#基准样和掺5%MS时的试样进行了扫描电镜分析, 结果如图5 所示。

由图5 (a) 、 (b) 中3#基准样和掺5%MS试样的扫描电镜照片对比可以看出, 加入5%MS后聚合物改性修补砂浆中孔洞和裂纹明显减少, 结构更加致密, 这是因为偏高岭土填充效益和火山灰效应共同作用的结果。由图5 (c) 可以清晰地看到, 加入5%MS的试样中产生了大量的针状钙矾石晶体, 从而使聚合物改性修补砂浆强度提高, 收缩得到补偿。

3 结论

(1) 添加MK、MS可有效地改善聚合物改性修补砂浆的力学性能和收缩性能, 早期的改善作用尤为明显;MS则体现出一定的微膨胀效应, 更有利于修补砂浆的收缩控制。

(2) 掺加MS引入的微集料效应及火山灰效应生成水化产物的填充效果, 显著降低了改性修补砂浆的总孔隙率, 小孔数量明显减少, 孔结构分布得到优化, 同时聚合物改性修补砂浆体系中生成大量的针状钙矾石晶体。

摘要：研究了偏高岭土 (MK) 、偏高岭土基复合添加剂 (MS) 对聚合物改性修补砂浆物理性能的影响, 并通过压汞仪和扫描电镜进行了结构分析。研究表明, MK对聚合物改性修补砂浆的抗压强度、抗渗性和收缩具有明显的改善作用, MS的加入使聚合物改性修补砂浆性能得到更进一步的改善, 同时在砂浆体系中生成大量钙矾石, 细化砂浆孔径, 优化了微观结构。

关键词：聚合物改性修补砂浆,收缩,偏高岭土,孔结构

参考文献

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[5]彭振斌, 陈迎明, 刘安邦.混凝土收缩机理及其诊治原理[J].混凝土, 2003 (3) :30-32.

聚合物水泥防水砂浆的研制 篇6

随着人们对建筑防水要求的提高,聚合物水泥防水砂浆这种刚性防水材料使用越来越普遍[1,2]。相比柔性防水材料,聚合物水泥防水砂浆不仅同样具有高抗渗性、高粘结力、无害环保等特点,还具有耐高温、耐久、耐穿刺、高密实性、可承受压力、可以在潮湿基面施工、可长期作用于水下等优点,能应用于地下工程施工[3]。聚合物水泥防水砂浆一般分为乳液型和干粉型,干粉改性方法是指在砂浆中掺入可再分散性乳胶粉,相比乳液改性,干粉聚合物砂浆产品一般为单组份,使用简便,性能稳定[4]。

通过添加可再分散性乳胶粉和其他外加剂制备了高性能聚合物水泥防水材料,并根据JC/T 984-2011《聚合物水泥防水砂浆》对产品进行检测,研究了添加剂对产品强度、柔韧性和吸水率的影响,得出了聚合物水泥防水砂浆的最佳配方。

1 实验

1.1 实验原材料

P.O 42.5 水泥;40~70 目河砂;聚羧酸高性能减水剂(福建建工建材);消泡剂P803(德国明凌化工);可再分散性乳胶粉(山西三维);硅灰(含硅粉86%,福州鑫联福);纤维素醚(粘度10W,河北科维精化)。

1.2 实验方法

实验用灰砂比定为1∶2,为保证砂浆的工作性能,所有实验在砂浆稠度为70±5cm的条件进行。

实验按照JC/T 984-2011 进行。

2 结果与讨论

2.1 硅灰对产品性能的影响

硅灰作为活性填料取代水泥,水化热低、干缩小,有助于提高砂浆和易性。采用硅灰取代水泥掺入干粉砂浆中,其对砂浆性能影响如图1 所示。随着硅灰量增加,产品3d、7d抗折强度逐渐下降,28d抗折强度先升后降,在掺量为5%时达到最大值,提高了21%,产品3d抗压强度逐渐下降,7d抗压强度基本不变,28d抗压强度逐渐上升。可见硅灰早期强度不如水泥,但硅灰掺量在一定范围内有助于提高砂浆的后期强度。这主要是由于硅灰中的活性成分水化消耗体系中的氢氧化钙,能促进水化进程,同时得到的高强度的水化硅酸钙强度能填充在砂浆内微孔道中,能增加砂浆块密实度,硅灰的低水化热也能减少微裂纹,使抗压强度更强。体系密实后减少吸水率更低(图1d),当硅灰掺量过多时,砂浆干缩值增加,需水量提高,影响砂浆抗折强度。同时硅灰是一种胶凝材料,能增加体系刚性,使砂浆28d压折比增高(图1c)。选取5%作为硅灰最佳掺量,该掺量下砂浆压折比和吸水率最低。

2.2 聚合物掺量对产品性能的影响

根据Ohama模型[5],聚合物掺入后在水泥水化过程中沉积在水泥凝胶或骨料表面,发生絮凝作用并填充在水泥石孔隙中,最后形成连续的网状膜。聚合物能改善水泥石结构,提高水泥砂浆的粘结性能、改善柔性、降低压折比、提高密实度、提高耐水性、改善水泥干缩性能。如图2 所示,随着聚灰比从2%增加至10%,砂浆3d、7d和28d的抗压强度分别下降21%、29%、25%,其中28d抗压强度先降低后升高,砂浆抗折强度总体变化不大,28d抗折强度也先降低后升高。可再分散性乳胶粉对砂浆强度影响主要和其引气和减水效果有关,乳胶粉引入的微小气孔使砂浆强度降低,而减水作用能使砂浆密实度上升,两者作用同时存在影响砂浆强度。添加聚合物能提高水泥砂浆柔性,使砂浆压折比下降,聚灰比用量为2%时,28d压折比为3.74,聚灰比用量为8%时,28d压折比为3.14,但随后压折比又略有上升,可见聚灰比过高也不利于砂浆的柔性。随着聚灰比上升,砂浆吸水率也明显下降,说明聚合物掺入能有效提高防水性能,这和砂浆开口孔隙减少有关。乳胶粉还能提高水泥砂浆粘结强度,如图2d,砂浆粘结强度随乳胶粉增加而提高,主要源于乳胶粉形成的柔性薄膜和其对砂浆微裂纹的改善。综合考虑成本,聚灰比在6%~8%之间为宜。

2.3 其他外加剂对产品性能的影响

减水剂能降低水灰比,提高砂浆密实度,增加砂浆抗压强度、抗折强度、提高砂浆抗渗性能、降低砂浆吸水率,提高压折比。如表1,随着减水剂掺量增加,砂浆抗压、抗折强度都有明显上升,对比不加减水剂的产品,减水剂用量0.05%和0.1%时,28d抗压强度分别上升13%和38%,28d抗折强度分别上升9%和9%,吸水率下降38%和80%。考虑到掺入过多减水剂后砂浆压折比增大(如图2c),柔韧性下降,减水剂掺量不宜过多,选取0.05%为最佳掺量。

掺入纤维素醚能提高水泥砂浆的保水性,延长水化时间,增加砂浆拌合料粘稠度,纤维素醚掺量宜为1.5%-2.5%,过量会影响砂浆的工作性能,过少砂浆粘结强度不够。如表2所示,纤维素醚加入会降低砂浆力学强度,这是由于纤维素醚具有引气作用,增加砂浆内气孔含量,影响砂浆密实度所致。引气效果同样引起砂浆吸水率上升(如表2),纤维素醚用量为0.25%的砂浆吸水率比0.2%和0.15%分别高30%和38%。纤维素醚用量增加,产品28d粘结强度也大幅上升。由于纤维素醚加入会降低砂浆力学强度,提高砂浆吸水率,因此在能达到粘结强度要求的情况下尽量少用纤维素醚,选取0.15%为最佳掺量。

砂浆拌合过程中会产生大量气泡,加上减水剂、纤维素醚和乳胶粉都具有引气效果,因此在聚合物水泥防水砂浆中应加入一定量的消泡剂。消泡剂P803 具有良好的抑泡效果,有利于提高砂浆密实度,使砂浆强度上升,吸水率下降。如图3, 当消泡剂掺量为0.05% 时, 砂浆28d抗压强度为29.77MPa,吸水率为4.47%,是最佳掺量。

3.4 产品性能指标

经实验,确定了所有添加剂的掺量,按最佳配方依据JC/T 984-2011的要求进行检验,得到的实验数据如表3所示,产品各项指标能达到标准。

3 结论

经实验,得到了满足JC/T 984-2011标准要求的聚合物水泥防水砂浆,并得出如下结论:

(1)硅灰能提高砂浆后期强度,其掺量为5%时砂浆柔韧性最佳,吸水率最低。

(2)乳胶粉能改善砂浆柔性,提高防水性能、增强粘结强度,其掺量为6%~8%最佳。

(3)减水剂能提高砂浆强度,降低吸水率;纤维素醚有助于提高砂浆粘结强度;消泡剂能降低砂浆吸水率。其最佳配比分别为减水剂(0.05%)、消泡剂(0.05%)和纤维素醚(0.15%)。

参考文献

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[4]王培铭,张国防.干混砂浆的发展和聚合物干粉的作用[J].中国水泥,2004(1):45-48.

聚合物对水泥砂浆性能的影响研究 篇7

1 聚合物的选择

本试验选择梭基丁苯胶乳和聚乙烯醇作为柔性水泥砂浆的聚合物胶乳。

(1) 试验选择的为山东齐鲁石化集团生产的水泥专用轻基丁苯胶乳 (SBR) 。在水泥砂浆中添加一定量的水泥专用丁苯胶乳有提高成型后的韧性和强度、降低吸水率和干缩性等优点, 增加水泥制品的耐久性、耐磨、耐油以及耐腐蚀性。主要用于高速公路路面铺设、土木建筑、防水工程、防腐工程以及油井、天然气井壁固井用, 也可以在井口封闭层使用。

(2) 聚乙烯醇 (PVA-polyvinyl alcohol) 。PVA能溶于含轻基的极性溶液中, 但易转变成凝胶, 不溶于几乎所有的非极性溶剂, 水是其最好的溶剂。PVA的性质主要由它的分子量和醇解度来决定, 子量越大, 水溶性越差, 水溶液粘度大, 成膜性能好。

2 聚合物对水泥砂浆性能的影响

聚合物砂浆的强度特征主要随聚合物的品种不同而不同。一般情况下, 聚合物水泥砂浆的抗拉强度、抗折强度、抗弯强度、粘结强度比普通水泥砂浆有较显著的增加, 但其抗压强度有所下降, 下降的幅度主要同聚合物的种类有关。聚合物水泥砂浆的弹性模量随着聚合物的掺量增加而降低。因此聚合物成膜后, 一般会使水泥砂浆的刚性降低, 应力一应变曲线变缓, 斜率减小, 从而提高砂浆的变形能力, 改善了砂浆的抗裂性和柔韧性。本次试验主要考查两种聚合物不同掺量对砂浆强度及柔韧性的影响。

2.1 SBR乳液改性水泥砂浆的配合比设计

试验表明聚合物含量不能过小, 过小则不能形成连续的聚合物薄膜。但当聚合物含量过高时, 聚合物水泥砂浆的性能不会进一步提高, 而成本价格却显著提高。当聚灰比大于25%时, 会有胶乳泌出并在表面形成薄壳的趋势。SBR乳液掺量单因素试验按聚灰比。、4%, 8%, 12%, 16%, 20%六个水平选取, 配合比见表1.

2.2 PVA乳液改性水泥砂浆配合比设计

聚乙烯醇溶解方法是:先将其与适量的水混合, 放置24 h, 待其充分溶胀后, 边搅拌边升温到95℃, 保持直到完全溶解。溶解试验结果, 当聚乙烯醇质量分数大于10%时, 升温到95℃后仍然有部分聚乙烯醇未能溶解。本试验配置聚乙烯醇乳液的固含量为10%。PVA乳液掺量单因素试验按水泥质量的0, 2%, 3.5%, 5%四个水平选取。

2.3 实验结果及分析

聚合物单因素试验主要研究SBR乳液、PVA乳液聚合物对砂浆7 d, 28 d龄期试件的抗压强度、抗折强度以及折压比的影响。

实验结果表明, SBR有一定的减水效果, 砂浆的流动性更好, 而聚乙烯醇正好相反, 砂浆流动性变差, 拌和物非常粘稠, 基体间粘结能力变强, 因此能提高砂浆的抗折强度, 增强柔韧性。

从图1可以看出, 两种聚合物均能提高砂浆的折压比, 随着聚合物掺量的增加, 折压比也相应提高。从试验结果我们得出: (1) 当SBR掺量为20%时, 聚合物砂浆7d和28 d折压比比普通砂浆分别提高61.2%和53.2%, 显著改善了砂浆的柔韧性 (2) 当PVA掺量达到5%时, 聚合物砂浆7d和28 d折压比较普通砂浆分别提高41.5%和59.3%, 对砂浆后期柔韧性的提高更明显; (3) 在SBR/C大于12%时, 随着聚灰比的增加, 砂浆的抗折强度不断提高, 在SBR/C为20%其7d和28 d抗折强度分别比普通砂浆提高52.5%和31.2%;低于8%时, 抗折强度略有下降, 可能是聚合物含量过小, 不能形成连续的聚合物薄膜; (4) 聚乙烯醇的加入同样能随着聚灰比的增加, 使砂浆的抗折强度不断提高, 在PVA/C为5%时, 其7d和28 d抗折强度分别比普通砂浆提高48.6%和44.8%; (5) 聚合物砂浆的抗压强度均低于普通砂浆, 但随着聚合物的加入, 抗压强度也有一定程度的提高, 而且在进行抗压强度试验时, 从试件的破坏截面来看, 当聚合物砂浆在达到抗压强度极限时, 并没有明显的脆性破坏, 只有部分裂纹。

由以上分析结果看出, 当SBR掺量高于12%时, SBR聚合物砂浆表现出良好的柔韧性和较好的力学性能, 这是因为聚合物在水泥浆体的拌合过程中, 有一部分会均匀的分散到水泥浆体中, 在水泥水化初期, 聚合物便附着于凝胶和未水化的水泥颗粒上。随着水泥水化的进行, 水泥浆体中水分不断消耗、水化产物增多, 聚合物就会逐渐聚积在毛细孔中, 并在凝胶表面、未水化水泥颗粒表面形成紧密堆积。这些聚积的聚合物逐渐填充毛细孔, 或者覆盖着未完全填充的毛细孔的内表面。由于水化或干燥使水分进一步减少, 在浆体和孔隙中堆积的聚合物便凝聚成膜形成聚合物网络, 这种聚合物网络的弹性模量较水泥浆体的弹性模量低, 能够使硬化水泥浆体的韧性得到提高, 这对改善砂浆的变形协调性非常有利。而SBR聚灰比小于8%时, 聚合物凝聚成膜, 零散的分布在水泥浆体中, 未能形成系统的网络结构, 颗粒间仅通过分子引力相连接, 因此, 此时形成的丁苯橡胶网络结构, 不是一个完全连续的结构, 而有许多结构缺陷存在。

PVA水泥基复合材料的水化过程主要分为如下几个阶段: (1) 水化交联阶段。当PVA在水泥胶结料搅拌过程中加入后, 通过高速剪切搅拌作用, PVA均匀地分散于体系之中。加入水剂后, 水泥颗粒开始水化, 不断消耗水, 出现多孔凝胶状态, 而PVA大分子结合水的能力较强, 导致整个体系中水的分布不平衡, 含水量从聚合物胶团到水泥颗粒出现梯度分布, 水分不断从聚合物胶团向水泥颗粒迁移。这个过程中水泥的铝盐成分会同聚合物中的活性基团起交联反应。聚乙烯醇与水泥基体的中介结构可能有多种结合方式:PVA分子中残留的梭酸与C扩+在碱性条件下产生离子键;其分子中的一CHZ-, CH3一原子团与中介结构中的无机物发生化学吸附;聚乙烯醇分子上的轻基可与硅氧四面体的氧进行氢键缔合;聚乙烯醇与水泥中硅酸盐的分子量都很大, 原子、分子的数目很多, 它们之间的某些范德华力可能比价键力还强;在聚合物胶团与水泥颗粒之间形成界面层;纤维状聚合物与胶凝孔洞相互咬合。 (2) 填充密实阶段。随着水份减少, 水泥颗粒的凝胶网络结构逐渐形成, 外部热量 (热养护和局部水化热使聚合物胶团在失水的情况下, 随水泥基体在凝胶过程中的变形而变形。水泥水化凝胶 (包括未水化水泥颗粒) 的表面形成聚合物密封层, 密封层也把骨料颗粒的表面和水泥水化凝胶与水化颗粒混合物的表面粘结起来。聚乙烯醇以轻基与水泥颗粒附着得较好, 在水化过程和水泥基体局部应力作用下, 聚合物胶团沿着水泥颗粒孔隙和界面发生变形, 使结构更加密实。这个过程降低了体系的局部应力, 促进胶凝体系的均匀密实。 (3) 固结硬化阶段。不断失水的PVA高聚物胶团最终完全联结, 与多孔的C-S-H凝胶凝固在一起, 形成PVA高聚物与C-S-H凝胶的互穿网络, 使体系达到坚硬致密并有一定韧性。

3 聚合物对水泥基复合材料的改性机理研究

3.1 网络结构的形成

普通水泥基复合材料内部孔隙率较大, 存在众多的微小裂缝与裂隙, 加上薄弱的界面区的存在, 整个体系呈现为空间不连续的结构。而水溶性聚合物的掺入, 使得其与水泥在适宜的条件下产生界面化学作用。随着水泥的水化及水泥基复合材料中水份的蒸发, 聚合物乳液主要是以空间的连续网状结构存在于水泥石中, 聚合物成膜覆盖于水泥凝胶体的表面, 阻隔了水泥浆体和混凝土内孔隙的通道, 并随着聚合物掺量的增加, 聚合物膜逐渐趋于完整连续, 聚合物膜与水泥水化产物相互交织缠绕, 并渗入水泥基材内部的微裂隙与孔壁中, 提高了水泥凝胶体的致密性。同时, 聚合物乳液中含有一定量的表面活性物质, 增加了聚合物与粗细集料及水泥水化产物的粘结作用, 形成聚合物膜牢固地吸附在集料与水泥水化结构的界面, 最终形成粗细集料一水泥水化产物一聚合物膜的空间网络结构, 而大幅度改善水泥基材内部结构的完整性。同时因聚合物膜本身具有的纤维拉力作用, 增强了水泥浆体和水泥基材的柔性及变形能力。

3.2 过渡区 (界面区) 的改善

水泥基材在水泥石与集料界面处明显存在过渡区, 虽然过渡区的主要组成为C-S-H凝胶, 但过渡区水泥水化物结构松散、多孔, 且以多害的三角孔较多, 过渡区富集针状和纤维状的AFt和AFn, 晶体, 且蜂窝状物较多, C-S-H与集料粘结面明显存在较宽的裂缝。整个过渡区结构呈松散状态且强度较低。过渡区微观结构的改善对于研究水泥基材的改性机理至关重要。当在水泥基材中掺入聚合物后, 改善了集料与基体界面及胶凝颗粒之间的粘结, 减少了界面薄弱区, 使得过渡区结构有所改善。并随着聚合物掺量的增加, 聚合物在水泥基材内部聚集成膜, 并趋于完整连续, 网状聚合物膜跨越过渡区, 覆盖并包裹过渡区针状和纤维状的AFB和AFi晶体, 并与水泥水化物结合成块状, 形成空间网络互穿结构。此时过渡区结构致密, 孔隙较少, 少量孔隙也以圆孔形式存在, 无针状和纤维状的水泥水化产物产生, 过渡区主要为C-S-H凝胶与聚合物填充, 结构致密, 强度较高。此外, 聚合物掺进水泥基材中除具有凝聚成膜, 物理吸附等物理作用外, 还可与水泥水化物间发生化学反应, 共同增加水泥浆体的致密性和粘结性。由上可知, 将聚合物掺入水泥基材后, 聚合物膜与水泥水化产物结合并形成粗细集料一水泥水化产物一聚合物膜的空间网络结构, 填充水泥基材内较大的孔隙并改善其孔结构, 材料大孔减少而小孔增多, 孔径分布向减小方向转化, 聚合物还可能与水泥发生不同程度的物理化学反应, 增强水泥水化产物之间的连接, 水泥基材的内部结构特别是过渡区结构有了大幅度的改善, 水泥基材趋于致密, 缺陷减少。总之, 水泥基材逐渐向一种连续而密实的结构转化, 材料的力学性能和耐久性能均得到改善。

参考文献

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