東艷君

【摘 要】對不同聚合物參量的水泥砂漿進(jìn)行養(yǎng)護(hù)齡期分別為2h、4h、6h、1d、7d、14d、28d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，并通過電子顯微鏡掃描對養(yǎng)護(hù)齡期為28天聚合物摻量分別為0%、2%、4%、6%的水泥砂漿試樣微觀形貌進(jìn)行分析。結(jié)果表明：聚合物可以促進(jìn)水泥的水化，對水泥砂漿有很好的促凝效果；聚合物水泥砂漿抗壓強(qiáng)度隨著聚合物摻量的增加呈下降趨勢，抗折強(qiáng)度呈上升趨勢；當(dāng)聚合物摻量為4%時，早期壓折比降到最低，水泥砂漿有很好的早期韌性；聚合物的加入改善了水泥砂漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其對水泥砂漿的界面結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)改善明顯，使其孔徑大幅度減小。

【關(guān)鍵詞】聚合物；水泥砂漿；力學(xué)性能；微觀結(jié)構(gòu)

0 引言

水泥基材料以其價格便宜、強(qiáng)度高、生產(chǎn)工藝簡單、適應(yīng)性強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，已成為世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣且用量最大的一種建筑材料。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量的以水泥混凝土為代表的橋梁和路面在交通基礎(chǔ)建設(shè)中大量涌現(xiàn)而出[1-2]。但是，由于惡劣的環(huán)境作用以及施工技術(shù)水平的不足，早期修建的混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一系列的耐久性問題而引起了人們的廣泛關(guān)注。

聚合物在水泥基材料性能的優(yōu)化、多功能化、結(jié)構(gòu)建筑的維修、養(yǎng)護(hù)等方面起著重要作用。聚合物水泥砂漿是將聚合物按一定的比例加入水泥砂漿制成的復(fù)合材料，聚合物的加入大大提高了水泥砂漿的力學(xué)性能，且聚合物水泥砂漿已成為不可替代的結(jié)構(gòu)修補(bǔ)材料。國內(nèi)外學(xué)者對聚合物水泥砂漿雖然相繼開展了一些研究[3-5]。但是，從宏觀力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)變化結(jié)合來研究聚合物水泥砂漿性能的研究較少，為此本文開展聚合物水泥砂漿力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)表征研究尤為必要。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用的快硬水泥為景泰景順特殊水泥有限公司生產(chǎn)的42.5快硬硫鋁酸鹽水泥；所用普硅水泥為甘肅京蘭水泥有限公司生產(chǎn)的42.5普硅水泥；粉煤灰是從某電廠煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等；試驗(yàn)所用的聚合物為瓦克5010N可再分散的醋酸乙烯/乙烯共聚膠粉；粗砂（0.40mm～0.65mm）；細(xì)砂（0.25mm～0.40mm）。

1.2 聚合物水泥砂漿配合比設(shè)計(jì)

水泥主要以硫鋁酸鹽快硬水泥為主，配以適量的普通硅酸鹽水泥和粉煤灰，使水泥砂漿性能更加理想；外加劑用來調(diào)整砂漿的和易性及其他性能；為達(dá)到合理級配，減少孔隙，砂采用了粗砂和細(xì)砂兩種類型。在前期工作的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整外加劑含量，使聚合物水泥砂漿達(dá)到較好的工作性。配合比確定如下：①水膠比：0.27；②膠砂比：0.83；③聚合物摻量（0%、2%、4%、6%）。

1.3 試件制備

根據(jù)各組試驗(yàn)所需分別制備聚合物摻量為0%、2%、4%、6%的試件，試件尺寸為40mm×40mm×160mm，制作抗折及抗壓試驗(yàn)的試件方法參照ISO法進(jìn)行。并放入20℃恒溫水箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為28天。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 聚合物摻量對聚合物水泥砂漿凝結(jié)時間的影響

由于水泥砂漿的凝結(jié)時間對施工有直接影響，因此，對聚合物水泥砂漿凝結(jié)時間的討論很有必要。硫鋁酸鹽體系的水泥砂漿初凝時間和終凝時間非常接近，一旦初凝就無法施工，所以評價初凝時間即可。表明，聚合物對水泥砂漿有明顯的促凝作用，且效果隨聚合物摻量的增加變明顯。當(dāng)聚合物摻為6%時，凝結(jié)時間下降幅度很大。分析其原因?yàn)?，聚合物顆粒與水泥顆粒相遇發(fā)生水化反應(yīng)，生成了水化硅酸鈣、鈣礬石、氫氧化鈣等水化產(chǎn)物，形成一定量的凝膠[6]，對水泥水化有促進(jìn)作用；水泥砂漿攪拌過程中聚合物顆粒覆蓋于部分二水硫酸鈣表面，阻礙了鋁酸三鈣與二水硫酸鈣結(jié)合形成鈣礬石，由于鋁酸三鈣水化極快，在一定程度上促進(jìn)了水泥的水化；用水量不變的情況下，聚合物可再分散性膠粉的加入使水膠比有所減小，對凝結(jié)時間也有一定的影響?？梢娫谝欢ǖ臈l件下，聚合物可再分散膠粉有很好的促凝效果。

2.2 聚合物水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度

由圖1可以看出，摻入聚合物后，硫鋁酸鹽水泥砂漿各齡期的抗壓強(qiáng)度均隨著聚合物摻量的增加呈下降趨勢。但是隨著聚合物摻量的增加，下降速率減緩，當(dāng)聚合物摻量為6%、養(yǎng)護(hù)齡期為14天時，抗壓強(qiáng)度甚至有所回升。分析其原因?yàn)?，?dāng)聚合物摻量過小時，聚合物形成的膠狀膜較少，只能分布于部分水泥砂漿硬化體中，不能貫穿于整個結(jié)構(gòu)體系，反而使內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密度降低，使得各齡期抗壓強(qiáng)度有所降低。但是，隨著聚合物摻量的增加，聚合物在水泥砂漿硬化體中形成的膠狀膜將越來越多，能夠很好的把整個內(nèi)部的結(jié)構(gòu)貫穿起來，并能夠填充水泥砂漿中的缺陷和微裂縫，增加了水泥砂漿的致密性，對水泥砂漿的改善效果越來越明顯，從而各齡期的抗壓強(qiáng)度下降趨勢減緩，甚至有所回升。因此，當(dāng)聚合物摻量達(dá)到最佳摻量前，聚合物對水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的負(fù)面效應(yīng)大于正面效應(yīng)。

2.3 聚合物水泥砂漿的抗折強(qiáng)度

試驗(yàn)分別測試了不同聚合物參量下水泥砂漿試件2h、4h、6h、1d、7d、14d、28d的抗折強(qiáng)度，其測試結(jié)果見圖2。

可以看出，隨著聚合物摻量的增加，硫鋁酸鹽水泥砂漿各齡期的抗折強(qiáng)度大體呈上升趨勢，28天強(qiáng)度上升穩(wěn)定，4小時強(qiáng)度上升速率明顯增大，6小時、1天、7天強(qiáng)度都是先下降后上升。這是與聚合物摻量對水泥砂漿抗壓強(qiáng)度影響機(jī)理相同，由于聚合物與水泥砂漿拌合過程中，聚合物顆粒分散在水泥砂漿的連續(xù)相內(nèi)，且與水泥不發(fā)生明顯化學(xué)反應(yīng)。聚合物在整個砂漿硬化體中成膜，填充了其中的缺陷和微裂縫。聚合物膜具有較好的變形能力和較高的抗拉強(qiáng)度，抑制了水泥砂漿中的微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。因此，有效的改善了水泥砂漿的抗折強(qiáng)度。此外，當(dāng)聚合物摻量為4%時，繼續(xù)增加聚合物含量，28天強(qiáng)度上升基本穩(wěn)定，7天強(qiáng)度將出現(xiàn)明顯的倒縮，兩小時強(qiáng)度也將會下降，可見聚合物摻量為4%最佳。

2.4 聚合物水泥砂漿的壓折比

從圖3可以看出，隨著聚合物摻量的增加，硫鋁酸鹽水泥砂漿各齡期的壓折比呈下降趨勢，由于壓折比是反映水泥砂漿韌性的重要指標(biāo)，壓折比越小韌性越好，這說明聚合物摻量越大越有利于聚合物水泥砂漿韌性的提高。其中2h和4h齡期的壓折比下降趨勢最為明顯，當(dāng)聚合物摻量大于4%時，它們的壓折比低于其他任何齡期。這說明當(dāng)聚膠比大于4%時，水泥砂漿早期韌性好。水泥砂漿柔韌性的提高有利于在特殊的工程應(yīng)用中發(fā)揮更好的作用。

2.5 聚合物水泥砂漿的微觀形貌

取養(yǎng)護(hù)齡期為28天聚合物摻量分別為0%、2%、4%、6%的試樣，用丙酮阻止其水化，并通過掃描電子顯微鏡對其微觀形貌進(jìn)行分析表明：聚合物摻量為0%的水泥砂漿水泥石和集料界面存在大量的裂紋、缺陷，隨著聚合物摻量的增加裂紋明顯減少。水泥水化產(chǎn)生收縮是裂紋產(chǎn)生的主要原因，在水泥砂漿中加入聚合物后，形成了柔性的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效地改善了水泥石結(jié)構(gòu)與集料的結(jié)合形態(tài)，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于完善，這種交聯(lián)結(jié)構(gòu)有利于強(qiáng)度的發(fā)展。這就從微觀結(jié)構(gòu)上解釋了摻入聚合物后水泥砂漿強(qiáng)度大幅度提高的原因。當(dāng)水泥水化產(chǎn)生收縮時，上述柔性的聚合物結(jié)構(gòu)會發(fā)生大的形變，吸收大量的能量，有效的緩解了裂紋尖端的應(yīng)力集中，從而阻止了裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。

3 結(jié)論

1）聚合物可以促進(jìn)水泥的水化，對水泥砂漿有很好的促凝效果。

2）聚合物水泥砂漿隨著養(yǎng)護(hù)齡期的變化，抗壓強(qiáng)度均隨著聚合物摻量的增加呈下降趨勢，抗折強(qiáng)度大體呈上升趨勢。

3）當(dāng)聚合物水泥砂漿結(jié)構(gòu)體受到外力作用時，聚合物網(wǎng)狀膠膜發(fā)生較大的塑性變形，吸收大量的能量，緩解了微裂紋尖端的應(yīng)力集中，阻止了微裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，使得水泥砂漿抗折強(qiáng)度明顯增加。同時聚合物的加入改善了膠凝材料與骨料的界面結(jié)構(gòu)，增加了它們之間的粘結(jié)力，使得水泥砂漿的韌性大幅度提高。當(dāng)聚合物摻量為4%時，早期壓折比降到最低，因此水泥砂漿有很好的早期韌性。

4）聚合物的加入改善了水泥砂漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其對水泥砂漿的界面結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)改善明顯，使其孔徑大幅度減小。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王小剛，史才軍，何富強(qiáng)，元強(qiáng)，王德輝，黃勇，李慶玲.氯離子結(jié)合及其對水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)的影響[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2013，41（2）：187-198.

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[責(zé)任編輯：田吉捷]