況棟梁，龍景潭，張陽，尹艷平，陳豫

(1.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710064；2.金華市公路管理局，浙江 金華 321000； 3.金華市婺城區(qū)公路管理段，浙江 金華 321000)

聚合物改性水泥砂漿由于具有優(yōu)異的柔韌性、耐酸堿性等[1-3]，而被應用于混凝土路表病害處治[4]。目前，鮮有學者采用VAE乳液對水泥砂漿進行改性，制備出一種混凝土路表修復材料，聚合物與水泥漿體的作用機制有待深入研究，路表修復材料的性能評價體系亟需完善。

VAE具有優(yōu)異的耐久性能，與水泥適應性好，經(jīng)濟性能突出[5]。本文研究了VAE摻量對水泥砂漿物理力學特性及抗碳化性能的影響。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測水泥-聚合物膠凝體的微觀形貌，探索VAE對水泥砂漿性能改善的作用機制，并推薦其合理摻量，為聚合物改性水泥砂漿在路面材料中的應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

冀東牌P.0.42.5硅酸鹽水泥，性能見表1；機制石英砂，性能見表2；億豐化工VAE乳液，性能見表3；減水劑、消泡劑均由陜西交科新材料有限公司提供。

表1 水泥物理性能指標Table 1 Cement physical property index

表2 石英砂物理性能指標Table 2 Quartz sand physical properties

表3 VAE乳液基本性能指標Table 3 VAE emulsion basic performance indicators

Positest AT-a拉拔儀；S-4800掃描電子顯微鏡。

1.2 實驗方法

砂漿試件的成型、養(yǎng)護、力學性能測試參照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999)，砂漿流動度參照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2005)進行測試，各組試件的配比見表4。規(guī)定VAE摻入為0的組為基準組。

表4 改性水泥砂漿配合比Table 4 Modified cement mortar mix ratio

水泥砂漿干縮試驗具體參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30—2005)進行。

碳化試驗具體參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GBJ 82—85)，各組試件具體配比按照表4進行。

粘結性能的測試按照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999)制備砂漿，用拉拔錠子輕放到剛制備的水泥砂漿表面，養(yǎng)護28 d后通過拉拔儀進行測試。

采用掃描電子顯微鏡進行SEM實驗，無水乙醇浸泡后烘干噴金進行測試。

2 結果與討論

2.1 聚合物水泥砂漿工作性能

水泥砂漿的工作性能包括凝結時間、流動度[6]等。水泥砂漿的工作性能決定了其施工可行性、耐久性能[7]。流動度實驗結果見圖1、圖2。

圖2 VAE摻量對水泥砂漿流動度損失率的影響Fig.2 Effect of VAE content on fluidity loss rate of cement mortar

由圖1可知，隨著VAE摻量的增加，水泥砂漿的流動度呈下降的趨勢，VAE摻量>8%后，流動度損失率降低幅度逐漸變小。由圖2可知，水泥砂漿1 h流動度損失率隨聚合物摻量增加而逐漸降低。

圖3a、3b分別為VAE摻量0，8%的初始流動度圖片對比。

由圖3a可知，水泥砂漿表面松散、粘稠性差，由圖3b可知，水泥砂漿粘稠密實、整體性好。造成上述試驗現(xiàn)象的原因在于：VAE乳液為高粘結性乳液，在機械攪拌的作用下，聚合物乳液易附著在水泥顆粒、石英砂顆粒表面，增加膠凝材料、石英砂之間的粘結能力，使水泥砂漿的流動度隨VAE摻量的增加逐漸降低。流動度損失率體現(xiàn)的是砂漿的保水能力，保水能力越好，砂漿的耐久性能、施工性能更優(yōu)。當VAE摻量為8%時，聚合物與凝膠體、石英砂的包裹填充作用達到一個相對飽和的狀態(tài)，此后隨VAE摻量的增加，聚合物與膠凝體、石英砂的接觸面變化不大，聚合物相互之間的接觸面增加，使水泥砂漿1 h流動度損失率在VAE摻量超過8%后降低幅度變小。

圖3 不同VAE摻量水泥砂漿流動度對比Fig.3 Comparison of fluidity of cement mortar with different VAE content

2.2 聚合物水泥砂漿強度特性

2.2.1 抗壓強度與抗折強度 混凝土路面修復用改性水泥砂漿，對其抗壓強度要求較低，柔韌性要求較高[8-9]。砂漿的力學性能決定了其工程用途、耐久性能[10]。力學性能實驗結果見圖4、圖5。

圖4 VAE摻量對水泥砂漿抗折強度的影響Fig.4 Effect of VAE content on flexural strength of cement mortar

圖5 VAE摻量對水泥砂漿抗壓強度的影響Fig.5 Effect of VAE content on compressive strength of cement mortar

由圖4可知，水泥砂漿的抗折強度先上升后下降，VAE摻量為8%時抗折強度達到最大值 9.1 MPa。原因在于：聚合物裹附在水化產(chǎn)物、石英砂表面，填充于砂漿中的有害孔隙，增加了水泥砂漿空間彈性網(wǎng)狀結構的強度，提高了其柔韌性，VAE摻量為8%時，聚合物填充、裹附作用達到相對飽和的狀態(tài)，抗折強度此時達到最大，此后，聚合物摻量的增加擠占了單位面積內(nèi)水泥含量，水化產(chǎn)物的減少影響了水泥砂漿的力學性能，使抗折強度在VAE摻量過8%后呈下降的趨勢。由圖5可知，隨著VAE摻量的增加，水泥砂漿的抗壓強度呈下降的趨勢，砂漿后期強度的增長呈遞增的趨勢。柔韌性增加對應著脆性降低，造成水泥砂漿的抗壓強度隨VAE摻量的增加而逐漸降低。聚合物的加入增加了水化物膜層的厚度，減緩了外部水分的進入和內(nèi)部水化產(chǎn)物的析出，促進了后期水化，使摻聚合物組水泥砂漿后期強度增長大于基準組。

2.2.2 壓折比 壓折比體現(xiàn)的是水泥砂漿的柔韌性，壓折比越低表明柔韌性越好[11]。壓折比實驗結果見圖6。

圖6 VAE摻量對水泥砂漿壓折比的影響Fig.6 Effect of VAE dosage on the cementation ratio of cement mortar

由圖6可知，隨著VAE摻量的增加水泥砂漿7，28 d的壓折比整體呈下降的趨勢，VAE摻量從0增加到16%，28 d壓折比從5.4下降到3.7，說明VAE顯著地改善了水泥砂漿的柔韌性。由于VAE乳液為柔性材料，隨著聚合物摻量的增加水泥砂漿的柔韌性增加，造成壓折比逐漸降低。

2.3 聚合物水泥砂漿干縮特性

干縮是引起水泥砂漿開裂的主要原因[12]，開裂后的水泥砂漿容易被侵蝕介質(zhì)侵入，降低耐久性能[13]。干縮實驗結果見圖7。

圖7 VAE摻量對不同齡期水泥砂漿干縮性能的影響Fig.7 Effect of VAE content on dry shrinkage of cement mortar at different ages

由圖7可知，水泥砂漿的干縮率隨著VAE摻量的增加逐漸降低，前7 d齡期干縮率變化幅度較大，說明VAE減少了水泥砂漿的干縮裂縫，提高了其耐久性能。原因分析：聚合物有效地填充了水泥砂漿內(nèi)部的有害孔隙，阻止了砂漿內(nèi)部水分向外界遷移，同時，聚合物形成的空間彈性網(wǎng)狀結構能夠吸收部分干縮應力，使水泥砂漿的干縮率隨VAE的摻入而逐漸降低。前7 d自由水分揮發(fā)較快，水化放熱高，造成干縮率變化幅度較大。

2.4 聚合物水泥砂漿抗碳化特性

碳化深度是評價水泥混凝土耐久性能的主要指標[14]。水泥混凝土發(fā)生碳化后使其堿度降低，對水泥石結構造成破壞[15]。碳化實驗結果見圖8。

圖8 VAE摻量對不同齡期水泥砂漿碳化深度的影響Fig.8 Effect of VAE content on carbonation depth of cement mortar at different ages

由圖8可知，隨著VAE摻量的增加，水泥砂漿的碳化深度逐漸減小，當VAE摻量超過8%時，聚合物對水泥砂漿碳化深度的影響逐漸變小。說明水泥砂漿的內(nèi)部密實程度隨VAE的摻入而逐漸提高，抗侵蝕能力逐漸改善。由于VAE膠膜有效填充結構內(nèi)有害孔隙，裹附水化產(chǎn)物、石英砂，柔性接觸面增加，水泥砂漿密實程度提高，使砂漿的碳化深度隨VAE的增加呈降低的趨勢。侵蝕介質(zhì)主要沿砂漿的孔隙進入，VAE摻量為8%時，聚合物填充有害空隙達到相對飽和的狀態(tài)，此后隨著VAE摻量的增加，水泥砂漿碳化深度的變化幅度逐漸減小。

2.5 界面粘結性能

與舊路面的粘結性能是水泥修復砂漿的重要評價指標[16]，粘結性能與路面修復材料的耐久性能密切相關[17]。界面粘結性能實驗結果見圖9。

由圖9可知，隨著VAE摻量的增加水泥砂漿的界面粘結強度先上升后下降，VAE摻量為8%時，界面粘結強度達到最大值1.95 MPa。隨著VAE摻量的增加，單位面積內(nèi)有更多的高聚物滲入到水泥砂漿中的有害孔隙，使砂漿與錠子的接觸面變得密實，當錠子受到拉拔時，膠膜可承擔部分拉應力，使砂漿的界面粘結強度在VAE摻量為8%時達到最大，當VAE摻量超過8%后，與錠子接觸的膠凝材料含量降低，聚合物含量增加，且膠凝材料粘結力降低程度遠大于VAE膠乳提供的粘結力，造成砂漿的界面粘結強度在VAE摻量>8%后顯著降低。

圖9 VAE摻量對改性砂漿粘結強度的影響Fig.9 Effect of VAE content on bond strength of modified mortar

2.6 微觀結構分析

采用SEM微觀分析技術觀測水泥砂漿的微觀形貌，通過微觀形貌分析聚合物對水泥砂漿宏觀性能的影響[18]。水泥砂漿微觀實驗結果見圖10。

圖10 不同放大倍數(shù)下改性砂漿的微觀形貌Fig.10 The micro morphology of modified mortar at different magnifications

由圖10可知，A為C—S—H凝膠，B為軟相聚合物，C為鈣礬石，各水化產(chǎn)物之間相互穿插形成空間彈性網(wǎng)狀結構。圖10a中C—S—H凝膠周圍、鈣礬石穿插層留下孔洞較少，針狀鈣礬石相對粗短，固化后高聚物裹附在鈣礬石、水化硅酸鈣凝膠表面，增強了各水化產(chǎn)物之間的粘結能力，且有效地填充了水化產(chǎn)物之間的空隙，使砂漿整體結構變得密實。部分水化產(chǎn)物由固相體接觸變?yōu)檐浵嘟缑娼佑|，增加了水泥砂漿的結構柔性，軟相體引導了水化產(chǎn)物的發(fā)育，在聚合物周圍團簇了較多的鈣礬石相，見圖10b中C所示。宏觀表現(xiàn)為聚合物的摻入促進了水泥砂漿后期水化，改善了水泥砂漿的柔韌性、抗CO2侵蝕能力。

3 結論

(1)本文通過優(yōu)選聚合物VAE制備出了一種混凝土路面修復用聚合物改性水泥砂漿，綜合考慮水泥砂漿的力學性能、經(jīng)濟性能，建議VAE的最佳摻量為膠凝材料用量的8%。VAE的摻入提高了水泥砂漿的抗折強度，降低了脆性，促進了水泥砂漿的后期水化。

(2)VAE改性水泥砂漿有良好的界面粘結性能，最高可達1.95 MPa。水泥砂漿的1 h流動度損失率、碳化深度、干縮率隨VAE的加入逐漸降低。表明VAE比普通砂漿有更好的保水能力，能提高水泥砂漿的工作性能；提高砂漿抗碳化侵蝕能力；減少砂漿干縮裂紋的形成。

(3)從SEM微觀結構實驗顯示，固化后的VAE膠膜裹附在鈣礬石、C—S—H凝膠、氫氧化鈣、石英砂表面，各物質(zhì)之間的脆性接觸變?yōu)槿嵝越佑|，有效填充了水泥砂漿結構中的有害孔隙，使水泥砂漿的致密性、柔韌性提高。