聚合物水泥砂漿的耐久性能試驗(yàn)

劉大智,儲(chǔ)洪強(qiáng),蔣林華

(河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院,江蘇南京 210098)

混凝土是現(xiàn)代土木建筑工程中不可缺少、用量最大、用途最廣的一種建筑材料。用混凝土材料建造的建筑物,隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng),由于設(shè)計(jì)、施工、材料耐久性及管理不良等多因素引起的工程老化與病害不斷發(fā)生。對(duì)于有實(shí)質(zhì)性危害的混凝土缺陷,必須用好的補(bǔ)強(qiáng)加固材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理,以控制這些缺陷對(duì)建筑物的危害。因此,新型修補(bǔ)加固材料的研制十分必要。聚合物水泥砂漿是有機(jī)和無(wú)機(jī)的復(fù)合材料,是將分散于水中或溶于水中的聚合物摻入普通水泥砂漿中配制而成的,用聚合物高分子材料對(duì)水泥砂漿改性有著十分重大的意義[1-8]。砂漿的耐久性能主要包括收縮性能、抗?jié)B性能、碳化性能、抗凍性能。本文重點(diǎn)探討不同聚灰比水泥砂漿的耐久性能是否優(yōu)于普通水泥砂漿,以適應(yīng)修補(bǔ)加固的需要。

1 試驗(yàn)原材料及配合比

試驗(yàn)所用水泥為江蘇雙龍集團(tuán)龍?zhí)端鄰S生產(chǎn)的P.O42.5級(jí)水泥;砂為Ⅱ區(qū)天然河砂,細(xì)度模數(shù)為2.8;高分子材料是經(jīng)優(yōu)選后的機(jī)械穩(wěn)定性較好的醋酸乙烯-乙烯共聚乳液[9],固含量為54.0%,pH值為5.0,密度為 1.07g/cm3。

砂漿配合比設(shè)計(jì)時(shí),遵循新拌水泥砂漿和易性相同(膠砂流動(dòng)度指標(biāo)為(140±5)mm)的原則來(lái)確定聚合物水泥砂漿的水灰比。聚合物水泥砂漿的配合比見(jiàn)表1。

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 收縮性能

試驗(yàn)參照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。試件尺寸為40mm×40mm×160mm的棱柱體,兩端預(yù)埋金屬收縮測(cè)頭。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7d后,移入溫度20℃±2℃、相對(duì)濕度60%±5%的恒溫干縮室中用精度為0.01mm的立式砂漿收縮儀測(cè)定試件的初始長(zhǎng)度,然后到規(guī)定干縮齡期時(shí)測(cè)定試件的長(zhǎng)度,即可得出自然干縮后的長(zhǎng)度。

表1 聚合物水泥砂漿配合比

參照文獻(xiàn)[10],本試驗(yàn)設(shè)計(jì)在聚合物水泥砂漿中摻入了MgO,以觀察MgO對(duì)聚合物水泥砂漿干縮性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1,其中編號(hào)為PM1和PM2的試件代表編號(hào)為P10的砂漿中摻入MgO試劑分別占水泥用量的1%和2%。

圖1 砂漿干縮對(duì)比曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著聚合物摻量的增加,收縮值逐漸降低,原因主要是由于摻入的聚合物硬化后形成了交織的網(wǎng)狀膠膜結(jié)構(gòu),這種膠膜結(jié)構(gòu)不存在干燥收縮問(wèn)題,在一定程度上降低了水泥砂漿的收縮程度;另一方面,聚合物的引氣效果使得聚合物水泥砂漿的孔結(jié)構(gòu)趨于封閉化,從而改善砂漿的收縮性能。聚合物水泥砂漿中摻入納米級(jí)SiO2后,其收縮性能遠(yuǎn)差于相同聚灰比的聚合物水泥砂漿,甚至比普通水泥砂漿的收縮值還大,原因有待于進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

另外,聚合物水泥砂漿中摻入占水泥用量的1%和2%的MgO試劑后,其收縮性能與未摻MgO的聚合物水泥砂漿相比并未呈現(xiàn)明顯改善,因此在后續(xù)試驗(yàn)中未對(duì)MgO的摻入影響做進(jìn)一步研究。

2.2 抗?jié)B性能

對(duì)于水工混凝土而言,往往要求其具有抵抗壓力水滲透的能力,用于水工混凝土的修補(bǔ)材料,其抗?jié)B性能好壞至關(guān)重要。因此,有必要對(duì)普通水泥砂漿和聚合物水泥砂漿的抗?jié)B性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)參照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》,在SS-15型砂漿滲透儀上進(jìn)行滲透試驗(yàn),采用上口直徑70mm、下口直徑80mm、高30mm的圓錐形試件,養(yǎng)護(hù)到28d,在試件側(cè)面和試模內(nèi)表面涂1層有機(jī)硅橡膠,把試件壓入試模使上下底面齊平,靜置24h后裝入滲透儀上逐級(jí)加壓。水壓從0.2MPa開(kāi)始,保持2h,增至0.3MPa,以后每隔 1h增加水壓0.1MPa,直至所有試件頂面均滲水為止。記錄每個(gè)試件各壓力段的水壓力和相應(yīng)的恒壓時(shí)間。若水壓增至1.5MPa而試件仍未透水,則不再升壓,持荷6h后停止試驗(yàn)。未透水的試件劈開(kāi)測(cè)量試件的滲水高度。試驗(yàn)結(jié)果表明,砂漿試件都未透水。

抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果如下:編號(hào)為P0,P5,P10,P15,PN的試件,滲水高度分別為15mm,8mm,6mm,5mm,3mm。由此可見(jiàn),隨著水泥砂漿中聚合物摻入量的提高,水泥砂漿的抗?jié)B性能逐步提高,其主要原因是聚合物在水泥砂漿中硬化后形成相互交織的網(wǎng)狀膠膜結(jié)構(gòu),提高了水泥砂漿的密實(shí)性,而且在聚灰比0～15%范圍內(nèi)聚合物摻量越大則膠膜結(jié)構(gòu)越完善,進(jìn)而使水泥砂漿結(jié)構(gòu)更致密,其抗?jié)B性能更好。摻入納米級(jí)SiO2的聚合物水泥砂漿由于SiO2的水化作用能進(jìn)一步密實(shí)水泥砂漿結(jié)構(gòu),因此其抗?jié)B性能最好。

2.3 碳化性能

這里涉及的聚合物水泥砂漿系作為混凝土修補(bǔ)材料使用,故應(yīng)考慮其抗碳化性能,基于此設(shè)計(jì)以下試驗(yàn)。試驗(yàn)參照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行,試件尺寸為40mm×40mm×160mm,測(cè)試齡期分別為3d,7d,14d,28d,60 d。碳化箱中的CO2體積分?jǐn)?shù)控制在20%±3%,溫度和濕度分別控制在20℃±2℃和70%±5%范圍內(nèi)。

聚合物水泥砂漿的碳化試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn),隨著水泥砂漿中聚合物摻入量的提高,水泥砂漿的抗碳化性能逐步提高。其主要原因是由于摻入聚合物在水泥砂漿中硬化后形成相互交織的網(wǎng)狀膠膜結(jié)構(gòu),提高了水泥砂漿的密實(shí)度,而且在聚灰比0～15%范圍內(nèi)聚合物摻量越大則形成的膠膜結(jié)構(gòu)越完善,進(jìn)而使水泥砂漿結(jié)構(gòu)更為密實(shí),從而提高其抗碳化性能。在聚合物水泥砂漿中,摻加納米級(jí)SiO2的水泥砂漿由于SiO2的水化作用消耗了一定量的Ca(OH)2,因此導(dǎo)致該材料的抗碳化性能相對(duì)較差,但其抗碳化性能仍遠(yuǎn)優(yōu)于普通水泥砂漿。

圖2 砂漿碳化曲線

2.4 抗凍性能

本文除了比較聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿抗凍性的優(yōu)劣外,還探討聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿新老黏結(jié)后的抗凍性。試驗(yàn)參照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行,試件尺寸為40mm×40mm×160mm。砂漿試件中心凍融溫度控制在(-17±2)～(8±2)℃,每個(gè)凍融循環(huán)時(shí)間為4～5h。每隔25個(gè)循環(huán)測(cè)其動(dòng)彈性模量和質(zhì)量。測(cè)試前洗凈試件表面浮渣,擦去表面水分并檢查外部損傷情況。

聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿抗凍性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn),隨著水泥砂漿中聚合物的摻入,聚合物水泥砂漿的抗凍性得到極大的提高,抗凍等級(jí)達(dá)到D300。其主要原因是摻入的聚合物在水泥砂漿中硬化后形成相互交織的網(wǎng)狀膠膜結(jié)構(gòu),提高了水泥砂漿的密實(shí)度,而且摻量越大膠膜結(jié)構(gòu)越完善,進(jìn)而使得水泥砂漿結(jié)構(gòu)更密實(shí),從而提高其抗凍性能。

表2 凍融試驗(yàn)結(jié)果

聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿新老黏結(jié)后的抗凍性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn),聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿新老黏結(jié)后的抗凍性明顯好于普通水泥砂漿新老黏結(jié)后的抗凍性。

表3 聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿新老黏結(jié)后抗凍性試驗(yàn)結(jié)果

3 微觀機(jī)理分析

3.1 XRD分析

圖3 XRD圖譜

編號(hào)為P0,P10,PN試件的XRD圖譜見(jiàn)圖3。比較圖3(a)和圖3(b)可以看出,聚合物水泥砂漿的衍射圖譜中未發(fā)現(xiàn)與普通水泥砂漿不同的水化產(chǎn)物的衍射峰。28d齡期的普通水泥砂漿和聚合物水泥砂漿圖譜的最明顯區(qū)別是:普通水泥砂漿的Ca(OH)2特征峰強(qiáng)度(衍射峰峰值)明顯高于聚合物水泥砂漿,而未水化水泥熟料 β-C2S的特征峰強(qiáng)度則低于聚合物水泥砂漿。這說(shuō)明普通水泥砂漿的水化程度比聚合物水泥砂漿的高,出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是由于在水泥砂漿中摻加了高分子材料聚合物乳液,其養(yǎng)護(hù)條件是先濕養(yǎng)7d,后干養(yǎng)21d,以利于高分子材料聚合物乳液的成膜,因此普通水泥砂漿中的水泥比聚合物水泥砂漿中的水泥水化程度充分得多。在水泥水化不完全的條件下,聚合物水泥砂漿仍普遍表現(xiàn)出高于普通水泥砂漿的強(qiáng)度,從另一個(gè)方面也說(shuō)明高分子聚合物對(duì)水泥砂漿的強(qiáng)度增長(zhǎng)有較大的貢獻(xiàn)。

通過(guò)圖3(b)和圖3(c)比較可以發(fā)現(xiàn),摻入納米級(jí)SiO2后其水化產(chǎn)物與未摻的砂漿沒(méi)有明顯差別。未水化的水泥熟料 β-C2S的特征峰強(qiáng)度則低于聚合物水泥砂漿,與普通水泥砂漿特征峰強(qiáng)度大體相等。這主要是由于生成的部分Ca(OH)2與SiO2發(fā)生反應(yīng),使Ca(OH)2含量偏低,同時(shí)也促使β-C2S的水化反應(yīng)向生成產(chǎn)物的方向進(jìn)行。換言之,β-C2S的水化反應(yīng)加速進(jìn)行。

3.2 SEM分析

編號(hào)為P0,P10,P15,PN試件的SEM照片分別見(jiàn)圖4～7。

圖4 P0水泥砂漿的SEM照片

圖5 P10水泥砂漿的SEM照片

圖6 P15水泥砂漿的SEM照片

圖7 PN水泥砂漿的SEM照片

由圖4可以看出,28d齡期的P0普通水泥砂漿的水泥石結(jié)構(gòu)與集料界面存在較多裂縫、缺陷,相對(duì)而言其他3種試樣的裂紋、缺陷較少,特別是P10試樣幾乎看不到明顯的裂紋。產(chǎn)生裂紋主要是由于水泥水化產(chǎn)生收縮引起,在普通水泥砂漿中加入高分子聚合物后,形成柔性的網(wǎng)狀膠膜結(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。這就從微觀結(jié)構(gòu)上解釋了摻入高分子聚合物后其強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍、抗碳化等性能大幅度提高的原因。比較圖4和圖5可發(fā)現(xiàn),在相似的放大倍數(shù)下,P0試件的結(jié)構(gòu)明顯較為疏松,在P10試件中未發(fā)現(xiàn)有明顯的缺陷存在。圖6中可以清晰地看到高分子聚合物硬化后所形成的膠膜結(jié)構(gòu)。在P15試樣的SEM照片中可發(fā)現(xiàn)明顯的球狀結(jié)構(gòu),這是過(guò)多摻入的高分子材料凝結(jié)成團(tuán)所形成的,這也說(shuō)明P15試樣中高分子聚合物的摻量明顯偏高,未能均勻分散,從經(jīng)濟(jì)角度考慮存在明顯的浪費(fèi)。PN砂漿的SEM照片中出現(xiàn)了一定量的微裂紋,表明由于摻入SiO2后水泥的水化收縮加大,這也說(shuō)明PN砂漿不能用做混凝土的修補(bǔ)材料。

4 結(jié) 論

通過(guò)系統(tǒng)深入的對(duì)比試驗(yàn),研究了聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿的耐久性能,初步分析了摻入高分子聚合物和納米級(jí)SiO2對(duì)水泥砂漿性能的影響,得出以下結(jié)論:

a.聚合物的摻入使水泥砂漿的收縮值明顯降低,而且隨著摻量的增加其收縮率逐漸降低。聚合物水泥砂漿中摻入納米級(jí)SiO2后,其收縮性能遠(yuǎn)差于相同聚灰比的聚合物水泥砂漿,甚至比普通水泥砂漿的收縮值更大;聚合物水泥砂漿中摻入2%的MgO后其收縮性能并未得到明顯改善。

b.水泥砂漿的抗?jié)B性能隨著水泥砂漿中聚合物摻量的增加而逐步提高。摻加納米級(jí)SiO2的聚合物水泥砂漿由于SiO2的水化作用能進(jìn)一步密實(shí)水泥砂漿結(jié)構(gòu),因此其抗?jié)B性能最好。

c.隨著水泥砂漿中聚合物摻量的增加,水泥砂漿的抗碳化性能逐步提高。在聚合物水泥砂漿中,摻入納米級(jí)SiO2的水泥砂漿由于SiO2的水化作用消耗了一定量的Ca(OH)2,因此抗碳化性能相對(duì)較差,但其抗碳化性能仍遠(yuǎn)優(yōu)于普通水泥砂漿。

d.隨著水泥砂漿中聚合物的摻入,水泥砂漿的抗凍性得到極大的提高。聚合物水泥砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后下降幅度很小,可以認(rèn)為是一種抗凍性能良好的修補(bǔ)材料。

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