聚合物改性水泥混凝土（精选7篇）
聚合物改性水泥混凝土 篇1
0 引言
目前, 高级路面面层结构一般采用水泥混凝土和沥青混凝土两种材料形式。水泥混凝土路面具有原料丰富、价格低廉、生产工艺简单、强度高、耐久性特别是水稳性优良、养护费用低等优点, 在高等级公路和城市主干道路中占有很大的比例。但由于水泥混凝土路面板存在刚性过大、变形能力差、弯拉强度低、动载冲击与疲劳性能差等缺点, 导致行车舒适性差、使用寿命衰减迅速, 影响了水泥混凝土在高等级公路中的使用, 尤其是在路面面层中的使用。
本文拟研究聚合物乳液类别、掺量等因素对聚合物改性水泥混凝土的强度性能、弯曲韧性、断裂韧性、冲击韧性等力学性能的影响规律以及弯曲韧性、断裂韧性、冲击韧性三类韧性指标之间的互动关系【1】。论文的研究对建立聚合物改性水泥混凝土韧性指标表征体系、探明聚合物改性水泥混凝土材料组成与力学性能之间的关系具有一定的理论意义, 对于聚合物改性水泥混凝土路面材料的配合比设计及工程应用具有重要的指导价值。
1 原材料与实验方法
1.1 原材料及其性质
水泥选用P.O 42.5普通硅酸盐水泥, 集料采用了麻武高速公路某料场的石灰岩, 麻武石灰岩集料的粒径范围为:1#料4.74~9.5、2#料2.36~4.75、3#料0~2.36其筛分如表1, 相关物理性能如表2。
聚合物乳液选用的是上海某公司生产的Styrofan D623丁苯乳液、Acronal PS608苯丙乳液、S400丙烯酸乳液, 相关性质见表3。
其中Styrofan D623丁苯乳液是同为该公司生产的改性羧基丁苯乳液, 即苯乙烯和丁二烯的共聚物所形成的阴离子型水性乳液。
减水剂采用福建科之杰集团有限公司生产的Point-N100萘系高效能减水剂 (粉剂) 。减水率为18%, 实验中减水剂的加入均先与水充分融合后再一起加入搅拌机中拌合。
1.2 试验方法
实验采用固定的混凝土配合比, 在乳液种类和乳液掺量变化的情况下, 对混凝土性能的影响。然后再测试弯曲韧性、断裂韧性、冲击韧性, 研究乳液对以上性能之间的相关性。利用Instron1394万能伺服仪测试聚合物混凝土的弯曲韧性, 弯曲韧性值通过100mm×100mm×400mm试件三分点弯曲实验测得, 按照0.5MPa/s的加载速度均匀加载, 得到荷载挠度曲线, 记录试件的荷载和挠度数据, 通过对曲线的积分得到韧性指数【2】。
断裂韧性实验采用100mm×100 mm×400mm的混凝土试件, 中部切40mm的切口, 养护至28天, 试验在微机控制电液伺服万能试验机上进行, 试验采用位移控制加载, 加载速度为l00N/s。
本抗冲击试验采用美国混凝土学会 (ACI) 544委员会推荐的“落重法”进行。为了更加真实地反映出PCC材料的冲击韧性和提高试验的效率, 在底座制作一个空心的钢制圆环, 如图2~3所示。钢制圆环内径为100mm, 厚度为5mm。试验采用直径150mm厚度64mm的圆饼试件进行测试, 每组测试3个试件。
2 实验结果分析
2.1 乳液种类对聚合物改性水泥混凝土强度性能的影响
本节主要以抗压强度、抗折强度、折压比为技术指标研究了聚合物乳液种类、用量对水泥基材料力学性能的影响。本实验选用了Styrofan D623丁苯乳液、Acronal PS608苯丙乳液、S400丙烯酸乳液, 在固定配合比参数不变的情况下, 测试了不同聚合物改性水泥混凝土的7d、28抗压、抗折强度【3】, 试验结果如表4所示。
为研究聚合物乳液种类、用量对混凝土力学性能的影响, 试验中水泥用量为350kg/m3, 水灰比固定为0.32。
通过对SD623、PS608、S400对水泥基材料相关物理化学性能影响的研究发现:SD623能在一定程度上较好地提高混凝土的力学性能, 因此可以优选SD623作为改性混凝土所用乳液。
2.2 聚合物乳液掺量对聚合物改性水泥混凝土强度性能的影响
本实验配合比采用水泥用水量为350kg/m3, 水灰比为0.32, 集料0~2.36mm的用量为626kg/m3, 4.75~9.5mm用量为835kg/m3, 2.36~4.75mm用量为626kg/m3。
由表5、图1和图2可以看到随着丁苯乳液掺量的提高, 无论是7d还是28d, PCC的抗折强度先增加后减小, 在乳液掺量为15%的时候出现最大值, 而抗压强度随着乳液掺量的提高而逐渐降低, 可见适当的掺加聚合物乳液对混凝土抗折强度存在一定的改善作用【4】。由于乳液的掺入, 乳液纳米级的颗粒能够填补界面过渡区空隙【5】, 并且成膜后利于界面的粘结力发展, 从而宏观上表现为混凝土抗折强度性能一定程度的提高。
2.3 水泥混凝土弯曲韧性-断裂韧性-冲击韧性之间的关系研究
2.3.1 弯曲韧性-冲击韧性之间关系研究
由实验得出以下的数据, 如表6、表7、表8所示:
由实验结果得出, 不同乳液掺量PCC断裂韧度、28d弯曲韧性和冲击次数与冲击韧性数据, 如表6、表7、表8所示, 显示不同乳液掺量下PCC的平均冲击韧性值, 其中乳液掺量分别为0、15%、30%、45%、60%, 通过拟合得到如图所示的线性关系式, 相关系数【6】为0.95, 可见在乳液掺量≤60%的条件下, 随着乳液掺量由0逐渐增加, PCC弯曲韧性增加, 抗冲击性能也得到增强, 并且两者成正比例的线性关系。
2.3.2 断裂韧性-冲击韧性之间关系研究
由图4断裂韧性与冲击韧性之间的关系图可得到, 两者存在明显的线性数学关系, 冲击韧性随着断裂韧性的增加而下降。两种指标易以在理论上取得相关关系式, 并且冲击韧性为动态实验, 断裂韧性为准静态实验, 实验所得到的数据相对准确。但是两者理论基础不同, 但是作用机理是有一定的联系。
2.3.3 弯曲韧性-断裂韧性之间关系研究
由图5弯曲韧性与断裂韧度之间的关系图可得到, 两者并不存在单纯的线性关系, 两种指标难以在理论上取得相关关系式, 断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展的能力, 而弯曲韧性是指材料抵抗弯曲变形的能力, 尽管都与材料的“韧性”有关, 但是两者表征材料不同的性质。
3 结论
(1) 丁苯乳液相对于苯丙乳液、丙烯酸乳液具有对混凝土更好的改性效果。随着丁苯乳液掺量由0增加至60%, 其抗折强度值呈现先增大后减小变化, 在乳液掺量为15%的条件下呈现最大值, 而抗压强度随着乳液掺量的增加而降低。
(2) 丁苯乳液对PCC的弯曲韧性提高作用较为显著。乳液掺量越高, PCC的弯曲韧性也相对提高。
(3) 在乳液掺量≤60%的条件下, 随着乳液掺量由0逐渐增加, PCC弯曲韧性增加, 抗冲击性能也得到增强, 并且两者成正比例的线性关系。冲击韧性随着断裂韧性的增加而下降, 成反比关系。
参考文献
[1]熊剑平.聚合物改性水泥混凝土路用性能研究[D].西安:长安大学硕士学位论文.2006.6
[2]易志坚.聚合物改性水泥孔隙混凝土路面结构及施工方法.中国.CN1948622[P], 2006, 3 (18)
[3]Pascal S, Alliche A, Pilvin P.Mechanical Behaviour of Polymer Modified Mortars.Mater Sci Eng A, 2004, 380:1
[4]王茹, 王培铭.聚合物改性水泥基材料性能和机理研究进展[J].材料导报, 2007, 21 (1) :93-96
[5]Schulze J.Influence of water cement ratio and cement content on the properties of polymer modified mortars.Cem Concr Res, 1999, 29:909
[6]李振东, 吕永翠, 姚文红, 等.聚合物改性水泥砂浆性能研究[J].莱阳农学院学报.2004. (1) :74-77
聚合物改性水泥基材料研究进展 篇2
1 聚合物改性水泥基材料历史
(聚合物改性水泥基材料历史可追溯到1923 年[1],里夫布尔首先用天然橡胶改性水泥砂浆及混凝土并申请专利,1932年邦德又获得用合成乳液改性砂浆和混凝土的专利。在随后的80多年中,人们逐渐合成了多种聚合物胶乳并将其应用到水泥基材料的改性中。在美国和日本,聚合物改性砂浆及混凝土已经在道路修补、耐腐蚀、防水涂层及桥面施工中得到广泛应用。
2 聚合物改性水泥基材料的性能
2.1 力学性能及韧性
一般说来,聚合物的加入有利于改善水泥基材料的抗拉强度和抗折强度,而抗压强度则无明显改善。Bureau L等[2]研究了水灰比为0.45的丁苯水泥砂浆的力学性能,结果表明聚灰比在7.5%时抗折强度达到最大,随后抗折强度随聚合物增加而降低。抗压强度在聚灰比为10%之后下降较为明显,同时压折比减小,说明砂浆的韧性有所增加。
田甜[3]采用CH、HTW两种水性环氧乳液改性水泥砂浆。结果发现,聚灰比大于5%以后,随着CH乳液掺量增加,改性砂浆的抗折强度和抗压强度呈上升趋势,其中,抗折强度增势较为明显,抗压强度增长缓慢,但较空白砂浆均有所降低。此外,改性砂浆的压折比随聚灰比增长而降低,说明砂浆的脆性降低。而HTW乳液改性砂浆的抗折强度与抗压强度则随乳液掺量增加而降低,压折比随聚合物变化的规律也不强。
王茹[4]采用压折比、抗冲击性能、横向变形三种方法对比来表征羧基丁苯乳液砂浆韧性。结果表明,乳液的加入提高了抗压、抗折强度,有效地降低压折比。试件的抗冲击性能大大提高,冲击能量明显增加。横向应变及断裂能随聚合物含量增加而增加,最大载荷呈现先增加后减小的趋势。
钱晓倩[5]研究了聚醋酸乙烯酯乳液砂浆轴拉、轴压、抗弯拉实验。结果表明,改性砂浆的抗弯强度略有增加,压弯比降低了50%,表明砂浆的塑性及韧性得以明显改善。弯曲绕度和弯曲断裂能也比空白试件有大幅度提高。在轴压实验中,聚合物改性砂浆载荷下降平缓,应变增加,表现出良好的塑性变形。
梅迎军[6]研究了羧基丁苯乳液砂浆在三点弯曲状态下载荷与变形的关系,与空白砂浆相比,聚合物改性砂浆最大变形增加约60%。载荷形变曲线斜率大幅下降,说明聚合物砂浆的模量大大降低,柔性增加。
Pascal S等[7]对丁苯水泥砂浆进行了三点弯曲和抗压试验。结果发现抗压弹性模量随聚灰比增加而呈现减小的趋势,抗弯弹性模量也呈现相似的情况。从抗压应力应变曲线中可以看出,在高聚灰比下,最大载荷对应的应变大幅增加。
2.2 耐久性
水泥基材料的耐久性一般包括抗渗透性、抗腐蚀性、抗冻性等。有学者[8]认为几乎所有耐久性问题最终均可归结为水泥材料的渗透性和尺寸稳定性。李云超[9]研究了苯丙乳液对硫铝酸盐水泥的防腐抗渗性能,结果表明水泥的抗渗性能逐渐增强,当聚灰比为15%时,水泥的抗渗高度下降了70%,硫酸抗蚀系数大大降低。
师海霞等[10]对苯丙乳液改性混凝土的抗氯离子侵蚀、抗冻性做了详细研究。他们认为乳液的成膜作用有效地阻挡氯离子的渗透,使得氯离子在混凝土中的扩散系数有所下降。在循环快冻实验中,改性混凝土抗冻循环次数提高近1倍,抗冻性大幅提高。改性混凝土的质量损失率、相对动弹性模量远低于空白试件。
3 聚合物改性水泥基材料机理和微观形态
关于聚合物在水泥基材料中的改性机理,通常有两种观点[11]。一种观点认为聚合物主要起到物理作用,即聚合物能够失水成膜覆盖于水泥凝胶体的表面,并且聚合物颗粒能够填充水泥水化物的缝隙,阻隔孔隙通道,提高整体的致密性。另一种观点则认为聚合物与水泥水化物间还能发生化学反应,形成以化学键结合的致密螯合体。目前,Ohama结构模型已被广大学者用于解释机理,该结构的形成可分三个阶段[12]。
第一阶段:当聚合物乳液掺入混凝土或砂浆后,聚合物颗粒均匀分布在水泥浆体中。随着水泥的水化,水泥凝胶逐渐形成,同时聚合物颗粒沉积在水泥凝胶颗粒的表面及未水化的水泥颗粒表面。
第二阶段:随着水量的减少,聚合物逐渐被限制在毛细孔隙中。随水化进一步进行,毛细孔隙中的水量减少,聚合物颗粒聚集在一起,在水泥水化凝胶的表面形成聚合物薄膜层,该层同时粘结了骨料颗粒的表面及水泥水化凝胶与未水化水泥颗粒混合物的表面。同时,混合物中的较大孔隙被有粘结性的聚合物所填充。
第三阶段:由于水化过程不断进行,聚合物颗粒之间的水分逐渐被全部吸收到水泥水化过程的化学结合水中去。最终聚合物颗粒完全凝结在一起形成连续的聚合物网结构。聚合物网结构把水泥水化物联结在一起,改善了水泥石的结构形态。
3.1 聚合物改性水泥基材料的微观形貌
Sakai等[13]分别研究了EVA乳液、EVA再分散粉末改性砂浆的的微观结构。在新拌置的水泥砂浆中,无论是乳液还是再分散粉末,聚合物均以球形粒子的形式分布在整个浆体中。在硬化的水泥砂浆中,聚合物薄膜主要集中在集料与水泥的界面和水泥水化物的表面。
Fichet等[14]研究了聚丙烯酸酯乳液改性砂浆的结构,结果发现整个砂浆是由水泥水化物、聚合物颗粒、未水化水泥颗粒组成。
Su等[15]研究了苯丙乳液改性砂浆早期的水化过程。扫描电镜结果显示,一部分聚合物粒子吸附在水泥颗粒表面,并且形成的聚合物薄膜阻碍了水泥水化作用。另一部分聚合物分散在毛细孔溶液中,待水分蒸发后形成薄膜。
Ohama等[16]用扫描电镜研究了EVA乳液、EVA可分散粉末和丁苯乳液改性水泥砂浆的微观形貌。结果显示,聚灰比高于15%时丁苯乳液可形成完整的聚合物膜,且部分水化物颗粒会粘粘在网状聚合物膜上。而可再分散聚合物粉末所形成的膜则会因成膜能力不同而呈现盘状、网状等不同形貌。
孔祥明等[17]研究了苯丙乳液改性砂浆的微观机理与性能。他们认为聚合物在砂浆中起到三种作用:第一,聚合物的连接作用能够有效阻止裂纹的发展。第二,聚合物会影响水泥的水化过程,改变水化物的形貌及组成。第三,聚合物加强了骨料与水泥基体之间的连接,减少了从骨料薄弱区域破坏的可能。
3.2 聚合物改性水泥基材料孔结构研究
申爱琴、熊剑平[18]研究了丁苯乳液对砂浆孔隙率和孔径分布的影响,结果发现聚合物使得砂浆的总孔隙率和平均孔径减小,内部空隙向小孔径方向移动,改善了砂浆的孔径级配。
乔渊等[19]用压汞仪研究了EVA粉末改性水泥净浆和砂浆的孔结构,结果表明净浆的平均孔径减小,大于1μm和小于100nm的孔有所增加,砂浆中骨料与水泥浆体界面过渡区的孔隙率有所降低。
Silva D A等[20]研究了羟乙基纤维素、EVA乳液对砂浆孔径分布的影响。水灰比一定时,EVA在10%、20% 含量下会增加砂浆的总孔隙率。但少量的羟乙基纤维素能够明显降低大毛细孔的含量,降低总孔隙率。作者认为这可能是由于羟乙基纤维素更容易使混合水转变为凝胶的缘故。同时,前7天密封养护可以有效减少50nm至1μm的毛细孔含量。
3.3 聚合物与水泥基体的作用
如前所述,聚合物还可能与水泥发生化学反应,形成结构紧密的络合体。Andrew等[21]通过EDX说明了羧基丁苯乳液对水泥水化作用的影响,并发现随着乳液增加,试样中S/Al元素比例逐渐升高,说明羧基丁苯能够促进钙矾石晶相的生成。同时红外光谱结果表明乳液影响了水泥的水化作用,并推测由羧基丁苯碱性水解的羧酸根离子会与水泥浆体中的钙离子发生反应。
Chandra等[11]研究了氢氧化钙与聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯之间的反应,发现了聚合物颗粒影响了氢氧化钙的结晶,这些颗粒粘附到晶体的表面而形成薄膜。他们认为水泥浆体中的钙离子以及其他金属阳离子和聚合物羧酸盐离子之间的离子键提高了颗粒之间的胶结作用。
龙军等[22]对比了聚丙烯酸酯乳液、水泥净浆和乳液改性净浆的红外光谱图,推测聚合物与水泥中的钙离子发生了化学反应。王茹[11]利用了DSC和XRD证明了羧基丁苯乳液能够促进钙矾石晶相的稳定存在,抑制水化铝酸四钙与生成的钙矾石的再反应,从而减少单硫型水化硫铝酸钙生成量,有利于水泥砂浆抗收缩性及一系列耐久性的提高。
4 存在问题及发展趋势
(1)聚合物因成本远高于水泥,且用量偏大(占水泥质量的10%-20%),因而使其推广应用受较大限制,目前仅能应用于修补、防腐材料等,无法应用于通用建筑材料。因此,可以尝试将几种相容性较好的聚合物乳液共混,或者聚合物乳液与纤维、橡胶共同使用,以减少乳液用量实现经济及性能互补。
(2)聚合物的加入会不同程度地降低抗压强度,限制其应用。因此,可以考虑加入如硅灰、粉煤灰、矿粉等无机活性掺合料来加强水泥水化作用,减少抗压强度降低的程度。或者将核壳乳液应用到改性水泥基材料中,在保证聚合物良好地成膜的同时,又不会因柔性过大导致抗压强度下降太多。
(3)聚合物改性水泥基材料的性能很大程度上取决于聚合物的种类,以及在浆体内形成聚合物膜的形状、厚度、连接状态和与水化物之间的作用。虽然有学者在此方面做出研究,但并不系统全面,有待进一步研究。
摘要：讨论了聚合物改性水泥基材料的历史、性能及改性机理。从力学性能及韧性、耐久性两方面说明了聚合物改性水泥基材料性能,从微观形貌、孔结构和聚合物与水泥基体的作用三方面详细讨论改性机理。最后,对聚合物改性水泥基材料的发展趋势进行了讨论。
聚合物改性水泥混凝土 篇3
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℃。
聚合物改性水泥混凝土 篇4
普通聚合物水泥基防水浆料(下称JS防水浆料)的抗压强度较高,但抗折强度和粘结强度较低,弹性模量较高而变形能力较差[1]。随着建筑技术的发展,特别是新型墙体材料的兴起和应用,对JS防水浆料性能的要求越来越专业化,普通的JS防水浆料将难以满足要求,所以其改性技术成为人们关注的研究课题之一。JS防水浆料常用的改性方法分为无机矿物掺合料改性、聚合物改性和两种材料复合改性。添加无机矿物掺合料可改善颗粒间的堆积密度,提高致密性、抗渗性、力学性能及耐久性,且价格低廉、取材方便;聚合物可以通过本身的堆积填充及封闭成膜作用,填充砂浆中的空隙,还通过与无机材料发生一系列的物理化学反应,在砂浆中形成致密的连续薄膜,从而能够一定程度上提高砂浆的力学性能和抗渗性,降低脆性和吸水率。但单纯地添加无机矿物掺合料或聚合物对JS防水浆料进行改性,改性效果都有一定的局限性。所以,以矿物掺合料和聚合物进行复合改性正成为研究的主流。
本研究采用丙烯酸可再分散乳胶粉、微晶粉[2](主要化学成分为SiO2和Al2O3,并含一定量的羟基)对单组分JS防水浆料进行复合改性,探讨了其掺量对JS防水浆料综合性能的影响。
1 试验部分
1.1 主要原材料及助剂
水泥:42.5R普通硅酸盐水泥,广东英德;河砂:70～140目,广东顺德;重质碳酸钙:400目,广西贺州;微晶粉:SiO2含量为60%～70%(质量分数,下同),Al2O3含量为15%～22%,广东清远;丙烯酸可再分散乳胶粉:以苯乙烯、丙烯酸酯共聚物为基础,保护胶体为聚乙烯醇,密度为0.35～0.55 g/cm3,pH值为7.5～9.5(含有10%分散体的水溶液),最低成膜温度为0℃,瑞士;VAE可再分散乳胶粉:聚合物单体为乙烯醋酸乙烯酯,保护胶体为聚乙烯醇,密度为0.4～0.55 g/cm3,pH值为7.5～9.0(含有10%分散体的水溶液),最低成膜温度为0℃,江苏南京。
1.2 试验方法
以未加乳胶粉和微晶粉的单组分JS防水浆料为参照,水泥掺量为45%时,设计出如表1所示的配方,其中1#为基准浆料,2#～6#配方中,丙烯酸可再分散乳胶粉的掺量分别为3%、4%、5%、6%、7%,7#配方采用VAE可再分散乳胶粉,掺量为5%。复合改性以乳胶粉改性最佳试验配方(丙烯酸可再分散乳胶粉掺量为5%)为基准,主要探讨乳胶粉改性JS防水浆料和复合改性JS防水浆料的性能变化。JS防水浆料的养护方法、抗折强度、抗压强度、粘结强度、抗渗性和收缩率测试按新行标JC/T 2090—2011《聚合物水泥防水浆料》要求进行。
2 结果与讨论
2.1 乳胶粉掺量对JS防水浆料性能的影响
乳胶粉掺量对JS防水浆料的性能影响见表2。
由表2可以看出:1)即使不加乳胶粉,JS防水浆料的抗渗压力也能达到0.5 MPa,符合标准要求,因为水泥基材料在消泡剂存在下本身具有一定的抗渗性能。随着丙烯酸可再分散乳胶粉掺量的增加,JS防水浆料的抗渗压力先增加然后保持不变。这是因为乳胶粉中聚合物形成的网膜结构封闭了水泥砂浆中的孔洞和裂隙,减少了硬化体中的孔隙率,从而提高了抗渗性。2)随着丙烯酸可再分散乳胶粉掺量的增加,JS防水浆料的密实程度有所降低,抗压强度下降,但均满足标准要求(≥12 MPa)。抗折强度随丙烯酸可再分散乳胶粉掺量的增加先增大后减小,乳胶粉掺量为5%时抗折强度最高。本试验结果与一般干混砂浆抗折强度随乳胶粉掺量的增加而减小不一致,可能是由于在本试验中,消泡剂掺量比较高,在一定程度上降低了聚合物引气造成的不利影响。3)柔韧性与粘结强度随着丙烯酸可再分散乳胶粉掺量的增加而改善,这是由于在亲水性的保护胶体和机械剪切力的作用下,丙烯酸可再分散乳胶粉颗粒分散到水中,并迅速成膜,随着水分的消耗(包括蒸发和无机胶凝材料水化反应的消耗),树脂颗粒渐渐靠近,界面渐渐模糊,形成连续的高分子薄膜,降低了弹性模量,从而提高了JS防水浆料的柔韧性,使得砂浆整体上变形能力增强,粘结能力增加。高的粘结强度对收缩能产生一定的抑制作用,所以JS防水浆料的收缩率也相应降低。4)综合1#～6#配方的检测数据可知,4#配方的综合性能最好,即丙烯酸可再分散乳胶粉的最佳掺量为5%;与掺加了同样数量VAE可再分散乳胶粉的7#配方相比,掺加丙烯酸可再分散乳胶粉的4#配方各种性能指标都要高一些,可见丙烯酸可再分散乳胶粉能更明显地改善JS防水浆料的综合性能。
2.2 微晶粉掺量对JS防水浆料性能的影响
在丙烯酸可再分散乳胶粉掺量为5%的情况下,微晶粉掺量对JS防水浆料性能的影响见表3。
2.2.1 微晶粉掺量对抗渗压力、柔韧性、收缩率的影响
通过表3可以发现,加入微晶粉后,提高了浆料间的堆积密度,增加了水化产物[3],JS防水浆料的抗渗压力、柔韧性(横向变形能力)也相应增加,收缩率降低。当微晶粉掺量为5%时,JS防水浆料的抗渗压力为0.9 MPa,柔韧性(横向变形能力)为3.4 mm,收缩率为0.15%。
2.2.2 微晶粉掺量对抗折、抗压强度的影响
由表3可以看出,微晶粉能大幅度提升抗折、抗压强度,且随着微晶粉掺量的增加,该JS防水浆料的抗折、抗压强度也逐渐增加。这是由于微晶粉能改善JS防水浆料颗粒间的堆积密度,且所含羟基在加水后能与胶凝材料进行反应,提高致密性,从而大幅度提升抗折、抗压强度[4]。当微晶粉掺量大于5%时,抗折、抗压强度的提升幅度渐趋平缓。从测试结果来看,加入微晶粉后,JS防水浆料的抗折、抗压强度均远大于JC/T 2090—2011技术指标的要求。
2.2.3 微晶粉掺量对粘结性能的影响
微晶粉掺量对JS防水浆料粘结性能的影响见图1。从图1可以看出,随着微晶粉掺量的增加,JS防水浆料的各种粘结强度都依次增加,当微晶粉掺量大于5%时,粘结强度虽然略有变化,但基本上在某个数值范围小幅波动。这是因为加入微晶粉后,JS防水浆料的稠度、含气量基本不变,但水化产物增加,改善了水泥基材料的微结构,提高了对界面的粘结性,从而使得粘结力增加;当掺入量饱和后,粘结力不再增加。
3 结论
1)对于仅用乳胶粉改性的单组分JS防水浆料而言,随着丙烯酸可再分散乳胶粉的加入,抗渗压力、抗折强度都有一定的提高,柔韧性跟粘结强度大幅度提升,但抗压强度有所下降。当丙烯酸可再分散乳胶粉的掺量为5%时,制得的JS防水浆料综合性能最好。
2)对比乳胶粉改性的4#与7#配方的性能可以看出,用丙烯酸可再分散乳胶粉配制的JS防水浆料比用VAE可再分散乳胶粉配制的JS防水浆料具有更低的压折比和更高的抗渗性,可见丙烯酸可再分散乳胶粉对单组分JS防水浆料的改性效果更佳。
3)对于复合改性单组分JS防水浆料而言,掺入微晶粉后,抗渗压力、粘结强度、柔韧性都在乳胶粉改性产品的基础上有所增加,且抗折强度、抗压强度大幅度提升,弥补了仅用乳胶粉改性的不足。综合其各项性能指标测试数据,微晶粉的掺量为5%时,改性效果最明显。
4)单组分JS防水浆料经丙烯酸可再分散乳胶粉和微晶粉复合改性后,各项性能指标都远大于JC/T2090—2011《聚合物水泥防水浆料》Ⅰ型的要求,达到了预期的效果。
参考文献
[1]王茹.聚合物乳液改性水泥基砂浆性能及机理研究[D].上海:同济大学,2005.
[2]蒋家奋.矿渣微粉在水泥混凝土中应用的概述[J].混凝土与水泥制品,2002(3):3-6.
[3]孙永波,曾力,黄站峰,等.掺合料及复合化学防水物质对砂浆抗渗性能影响的研究[J].新型建筑材料,2010(10):72-74.
聚合物改性水泥混凝土 篇5
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
[1]Alhozaimy A M.Mechanical pro-perties of polypropyl-ene fiber reinforced concrete and effects of pozzolanic materi-alsi[J].Cem&Concr Compos,1996,18(2):852.
[2]Hannant D J.Durability of polypropylene fibers in Portland cement-based composites Eighteen years of data[J].Cement and Concrete Res,1998,28(12):1809.
[3]万春和,段秀秀.玻璃纤维水泥砂浆的力学性能研究[J].山东水利,2014(9):29-30.
[4]宣卫红,刘建忠,李骁春,等.聚丙烯纤维与水泥砂浆粘结性能试验[J].江苏大学学报,2010,31(6):727-730.
[5]温久然,刘开平,张丹妮,等.水镁石纤维保温砂浆研制[J].混凝土与水泥制品,2014(8):66-70.
[6]刘丽芳,王培铭,杨晓杰.聚丙烯纤维参数对水泥砂浆干缩率的影响[J].建筑材料学报,2005(4):373.
[7]梅迎军,王培铭,李志勇.聚丙烯纤维和丁苯乳液对水泥砂浆性能的影响[J].建筑材料学报,2006:613.
[8]裴少丽.改性纤维增强聚合物水泥砂浆的制备与性能试验研究[D].长沙:长沙理工大学,2014.
[9]刘纪伟,王胜,梁勇,等.聚酯纤维聚合物乳液复合改性混凝土韧性研究[J].武汉理工大学学报,2013(3):26.
[10]Mu B,Meyer C,Shimanovich S.Improving the interfaces bond between fiber mesh and cementations matrix[J].Cem&Concr Res,2002,32(5):783.
聚合物改性水泥混凝土 篇6
1 试验用原材料及组成设计
1.1 原材料
采用祁连山42.5级普通硅酸盐水泥;粗集料选用洁净、坚硬、耐久, 粒径4.75~9.5mm的石灰岩碎石与砾石;外加剂选用上海花王的松香引气剂、山西黄腾UNF-1型萘系高效减水剂;水泥改性聚合物采用丁苯橡胶乳液, 其各项技术指标如表1所示。经检验, 上述材料各项技术指标均符合规范的相关要求。
1.2 配合比
冻融循环试验中, 所用的基准混凝土、含砂混凝土及聚合物混凝土配合比如表2所示, 并采用振动压实的成型方式, 进行多孔混凝土试件的室内成型。
2 冻融循环试验
冻融循环试验, 参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中的抗冻性试验方法进行。试件尺寸为150mm×150mm×150mm, 按表2所示配合比成型6组试件, 每组3块。试件于标养室养护28d, 后4d作浸水处理, 确保冻融循环试验在饱水状态下进行。试验时, 冻结温度为-15~-17℃, 融化温度为5~8℃, 单个循环周期2~4h。基于多孔混凝土试件在反复冻融作用下, 主要表现为表皮脱落及外形破坏, 试验采用质量损失及外观描述的方法, 进行多孔混凝土抗冻性能的评价。对于6种不同配合比的多孔混凝土, 冻融循环次数为0~300次。
3 试验结果与分析
3.1 基准混凝土试验结果分析
未掺机制砂或改性聚合物的基准多孔混凝土, 其冻融循环试验结果如图1所示, 基准试件冻融前后外观如图2所示。
图1可以看出, 粗集料分别采用砾石、石灰岩碎石的基准多孔混凝土, 反复冻融后, 由于表面脱落引起质量损失达到15%时, 其循环冻融次数分别为153次、196次。此时, 进入多孔混凝土内部孔隙及毛细孔中的水分受冻后, 伴随体积膨胀产生较大的渗透压力及膨胀压力, 造成多孔混凝土内部结构的破坏。结合图2可以看出, 基准多孔混凝土的抗冻性能与粗集料的性质有很大关系。
3.2 改性多孔混凝土冻融试验结果
掺机制砂或改性聚合物的孔混凝土冻融循环试验结果及试件外观如图3、图4所示。
图3可以看出, 掺机制砂的砾石多孔混凝土LS-2, 历经300次冻融循环作用后, 质量损失仅为2.1%, 相比其它两组砾石多孔混凝土, 其抗冻性能有较大改善。其原因是掺入机制砂后, 砾石多孔混凝土中水泥净浆转变为水泥砂浆, 使胶结材料的含量大幅增加, 有利于提高砾石多孔混凝土的抗冻性。然而, 对于同时掺入机制砂及改性聚合物的改性多孔混凝土LS-3, 其抗冻性能相比LS-2略有下降, 因为改性聚合物代替减水剂和引气剂, 改变多孔混凝土性能的同时在其内部产生一定数量的气泡, 从而起到“引气”作用。通常该作用较弱, 产生的气泡数量有限, 故聚合物多孔砾石混凝土LS-3的抗冻性能较LS-2稍弱。
此外, 掺入机制砂及改性聚合物的碎石多孔混凝土SH-3, 并未使其抗冻性能得到相应提升, 反而较SH-2有较大下降。分析其原因主要是因为外加剂及聚合物, 使得裹附在随时表面的胶结料增多, 减少了多孔混凝土中水泥净浆与砂浆含量, 在冻融循环作用下, 聚合物改性多孔碎石混凝土中的水泥净浆与砂浆首先发生冻胀破坏, 即聚合物改性多孔混凝土的抗冻性能由集料和胶结料的含量及冻融特性共同决定, 图4所示冻融前后试件外观亦可证实这点。
4 结语
1) 未掺机制砂或聚合物的多孔基准混凝土讲, 碎石多孔混凝土的抗冻性优于砾石多孔混凝土的抗冻性, 即混凝其抗冻性取决于混凝土中最大组分—集料的抗冻性。
2) 掺入机制砂或聚合物的砾石多孔混凝土, 其抗冻性均比未掺任何外加剂的多孔基准混凝土要好, 其抗冻性是胶结料和集料的抗冻性共同作用的结果。
3) 胶结料含量的不足会直接影响胶结料抗冻性, 从而影响到混凝土的抗冻性。聚合物改性多孔混凝土中, 必须有适当含量的胶结料, 才能确保多孔混凝土具有良好的抗冻性能。
参考文献
[1]Youngs, A.Pervious Concrete:It’s for Real.Presentation at the Pervious Concrete and Parking Area Design Workshop[R].Omaha, NE, 2005
[2]郑木莲, 陈拴发.多孔混凝土排水基层路用性能研究[J].西安科技大学学报, 2007, 27 (4) :603-604
[3]董雨明, 韩森.路用多孔水泥混凝土配合比设计方法研究[J].中外公路, 2004, 24 (1) :86-89
[4]郑木莲, 王秉纲.多孔混凝土疲劳性能的研究[J].中国公路学报, 2004, 17 (1) :7-11
[5]赵跃, 田桂芬.道路基层多孔混凝土抗冻性试验方法和评价指标的研究与探讨[J].国防交通工程与技术, 2008 (1) :37-39
聚合物改性水泥混凝土 篇7
今天我国桥梁设计使用年限一般为100年, 但是桥面混凝土的设计使用年限基本很低, 加上我国特殊原因, 如环境影响、维护方式、疲劳破坏以及超载破坏等, 使桥面混凝土的返修率一直居高不下, 造成了大量的资源浪费及交通拥堵问题。混凝土结构耐久性的损伤造成了巨大的经济损失, 其中原因复杂。但是钢筋锈蚀一直是其中最主要原因。在一般大气环境下, 碳化是钢筋锈蚀的前提条件。
混凝土的碳化过程是一个相对复杂的长期的过程, 即涉及到物理构造, 又涉及到化学反应, 水灰比、水泥的用量和品种、养护条件和养护时间、环境温度、相对湿度、二氧化碳浓度、混凝土结构孔隙率和密实度、外加剂和掺合料的用量及种类等等均会对混凝土的碳化性能起到影响。
注:表中各原材料以质量计, 百分比是指外加剂掺量占胶凝材料百分比。
混凝土的碳化速度取决于CO2的扩散速度和CO2与混凝土成分的化学反应。CO2的扩散收气体浓度、环境的温度湿度、混凝土密实度和混凝土含湿状态等因素影响;碳化反应则与混凝土中可碳化物质含量、水化产物的形态和环境温度湿度有关。这些因素可归结为混凝土自身内部因素和环境相关的外部因素。与水灰比、养护时间、养护条件、施工质量等相关的混凝土密实度越密实, 混凝土构件越不容易被碳化。水灰比则影响毛细孔的尺寸和可碳化物质含量, 水灰比越大碳化速度越快。水泥用量影响水泥石中可碳化物质含量, 用量越大, 混凝土中碱的成分越高, 越不容易被碳化。养护条件和养护时间影响水泥的水化程度, 标准养护时间越长, 混凝土越不容易被碳化。一般CO2的浓度的平方根与碳化速度成正比。相对湿度教高时, 水阻塞住了空气中CO2的扩散, 单单CO2浓度的提高并不能简单的提高混凝土的碳化速度。温度可以影响到气体的扩散速度、碳化反应和离子的迁移速度。碳化反应要以CO2和Ca (COH) 2的溶解为前提, 温度对于CO2、Ca (COH) 2和Ca CO3的溶解度也有很大影响。
本次试验设计通过聚合物EVA改性的方式, 使轻型桥面混凝土的密实度提高, 改善混凝土内部孔隙率, 降低混凝土的碳化性能影响, 增强混凝土的耐久性。
1 试验设计
1.1 试验原料
水泥:河北省张家口市张北县产, PO32.5级水泥, 指标符合国标GB1752-1999;
细骨料:标准砂4号, 细度模数3.2;标准砂6号, 细度模数2.9, 级配1:1.2;
粗骨料:天津市武清区旺泰建材厂产轻型陶粒, 粒径5~40mm, 三级级配1:1:1;
粉煤灰:张家口市热电厂Ⅱ级粉煤灰;
外加剂:山东济南鑫越化工主营k12十二烷基硫酸钠混凝土引泡剂、萘系高效减水剂、AL2 (OH) 3等。
2.2试验配合比
1.3 试验方法
《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》GB/T50082-2009
混凝土试件制作以100*100*400mm棱柱体试块制作, 高宽比不小于3, 标准养护条件下养护28天, 试验前2天从标准养护室取出, 放入60℃烘箱烘烤48小时。经烘干才处理后的试件除留一个侧面外, 其它侧面全用石蜡密封。侧面用铅笔以10mm为单位画出测量碳化深度控制线及预设测量点。碳化3、7、14及28天破型以测定碳化深度。
2 试验结果及分析
聚合物EVA的掺入对于混凝土的碳化性能有很大的改善, 当P大于8%时, 碳化深度降低幅度较大, 频率最快。当P大于14%时, 虽然碳化深度进一步降低但是变化频率区域平缓。在3d时, 聚合物EVA为8%时, 碳化深度对比未经聚合物改性的普通混凝土, 碳化深度降低10%, 并且在P值最高点20%的时候达到最大, 碳化深度最低仅为2.7。14d碳化试验结果反应, 当P值为14%后, 虽然碳化深度仍旧降低, 但总体数值趋于稳定。当碳化试验进行到28d后, P值大于14%后, 碳化是深度保持一致, 基本不受聚合物的掺入量的影响。
结语
聚合物EVA的掺入对于混凝土的碳化性能起到了改善作用, 在碳化初期, 随聚合物的掺入量增大, 混凝土的碳化性能提高很快, 但是到14天后趋于平缓, 28天后, 混凝土的碳化性能不受超过14%掺入量的聚合物影响。所以, 聚合物的掺入量应保持在14%以内效果最优。
摘要：现今我国桥面混凝土设计落后, 设计使用年限短, 自重大, 易损坏反复修理造成大量经济浪费及交通拥堵问题为出发点, 进行新型聚合物改性轻型桥面混凝土的研究, 在节约经济成本前提下增大混凝土设计的使用年限, 降低返修率。试验结果证明, 聚合物EVA能够极大的改善混凝土的内部结构, 提高抗碳化能力, 进而增加了混凝土的耐久性能。
关键词：混凝土桥面,EVA,碳化性能
参考文献
[1]胡胜.混凝土碳化分析探讨[J].中华建筑报, 2011 (01) .
[2]鲁宏, 胡金成.浅谈混凝土碳化成因分析[J].建筑与发展, 2010 (05) .