超細(xì)粉混凝土界面處理劑剪切強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

張健，李建琦，逄魯峰

(1.山東三箭集建設(shè)工程股份有限公司，山東 濟(jì)南 250100;2.山東省食品發(fā)酵工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013;3山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

近年來，模板技術(shù)的發(fā)展使得混凝土表面越來越光滑，抹灰愈發(fā)困難，許多建筑物都進(jìn)入老化使用期需要補(bǔ)強(qiáng)加固，新老混凝土的粘結(jié)經(jīng)常遇到問題[1]。想要解決由于拉應(yīng)力與剪應(yīng)力造成的結(jié)合面薄弱問題，提高界面的粘結(jié)力，最佳方法便是使用界面處理劑[2]。界面處理劑主要用于混凝土基層的抹灰，新舊混凝土之間的粘結(jié)等。應(yīng)用混凝土界面處理劑技術(shù)，可以提高工程的質(zhì)量和壽命，有效節(jié)約資金，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

剪切強(qiáng)度是混凝土界面處理劑力學(xué)性能中的重要一項(xiàng)，提高剪切強(qiáng)度對(duì)提高界面處理劑的質(zhì)量有著重要的意義[3，4]。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外專家進(jìn)行了很多研究。卜良桃等[5]研究認(rèn)為，混凝土表面的粗糙處理、界面劑的使用、復(fù)合砂漿強(qiáng)度的提高均有助于剪切強(qiáng)度的提高;粗糙度和復(fù)合砂漿強(qiáng)度的提高并不能無限制提高剪切強(qiáng)度，因?yàn)槠渥饔玫陌l(fā)揮受限于其他因素的制約;無機(jī)界面劑比水泥凈漿提高剪切強(qiáng)度的幅度大。方萍等[6]研究認(rèn)為，超細(xì)水泥是一種很好的界面劑原材料，通過加入膨脹劑、硅灰和高效減水劑改性后的超細(xì)水泥界面劑，有很高的粘結(jié)抗剪強(qiáng)度，可再分散聚合物膠粉對(duì)界面粘結(jié)抗剪強(qiáng)度的改善效果很明顯。

針對(duì)市場(chǎng)上很多產(chǎn)品粘結(jié)強(qiáng)度不高，施工不方便且價(jià)格偏貴的特點(diǎn)，本文對(duì)聚合物的不同種類和不同摻量對(duì)界面處理劑剪切性能的影響作了大量的試驗(yàn)，分析其作用機(jī)理，最終獲取了最佳摻量。同時(shí)通過試驗(yàn)比較得出了最佳灰砂比，達(dá)到了成本低廉、易于施工的目的。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料和儀器

水泥采用濟(jì)南山水P.O42.5R。粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰，粉煤灰中還復(fù)配有一定量的超細(xì)粉。砂為水洗砂(由40～70目和70～120目混合而成)。聚合物由PVA(聚乙烯醇)、膠粉(可再分散乳膠粉)、CMC(羧甲基纖維素鈉)組成。陶制無釉磚為150mm×150mm×8mm的陶制無釉磚。實(shí)驗(yàn)儀器用JJ－5水泥膠砂攪拌機(jī)和LOS－50萬能試驗(yàn)機(jī)。

1.2 試件的制備

圖1 試件外形尺寸/mm

PVA能夠溶于含有—OH的極性溶液之中，水是最好的溶劑。膠粉起膠粘作用，CMC起增稠保水作用。規(guī)范JC/T907－2002《混凝土界面處理劑》要求的的陶制無釉磚尺寸為108mm×108mm，厚度至少6mm，表面要平整。由于市場(chǎng)難于買到尺寸一致的陶質(zhì)磚且自己切割則尺寸的準(zhǔn)確度難于保證，所以本試驗(yàn)中的試件直接使用市場(chǎng)上易于買到的150mm×150mm×8mm的陶制無釉磚。因陶質(zhì)磚尺寸的調(diào)整，故在相應(yīng)的距磚邊15mm處劃一條與磚邊平行的參照線，以保證兩磚錯(cuò)開15mm，如圖1所示。同時(shí)，此處受力面積不同，為保證單位面積所加壓力相同，則在試件上加13.4kg的重物，同樣保持3min，試驗(yàn)試件加載裝置如圖2所示。其他事項(xiàng)均嚴(yán)格按照J(rèn)C/T 907－2002《混凝土界面處理劑》的規(guī)定要求執(zhí)行。

圖2 拉力試驗(yàn)機(jī)的剪切試驗(yàn)夾具/mm

1.3 試件的養(yǎng)護(hù)和力學(xué)性能檢測(cè)

養(yǎng)護(hù)和剪切強(qiáng)度的檢測(cè)均嚴(yán)格按照J(rèn)C/T 907－2002《混凝土界面處理劑》的規(guī)定要求執(zhí)行。

2 結(jié)果與分析

JC/T 907－2002《混凝土界面處理劑》中明確規(guī)定，Ⅰ型混凝土界面處理劑7d剪切強(qiáng)度應(yīng)該不小于1.0MPa，14d 剪切強(qiáng)度應(yīng)該不小于 1.5MPa。

混凝土界面處理劑中摻加的聚合物由兩部分構(gòu)成，即膠粘劑部分和增稠保水劑部分[7，8]。PVA 和可再分散乳膠粉、CMC是比較常見的建筑用膠粘劑和增稠保水劑。本試驗(yàn)先將PVA與CMC、膠粉與CMC進(jìn)行復(fù)配，再通過大量試驗(yàn)研究了它們的復(fù)配試樣對(duì)混凝土界面處理劑剪切強(qiáng)度的影響。在得出聚合物的最佳摻量后，又在最佳摻量的基礎(chǔ)上通過試驗(yàn)得到了最佳灰砂比。

2.1 PVA+CMC對(duì)剪切強(qiáng)度的影響及其機(jī)理分析

2.1.1 PVA+CMC對(duì)界面處理劑剪切強(qiáng)度影響

PVA+CMC對(duì)界面處理劑剪切強(qiáng)度影響如表1所示

表1 PVA+CMC對(duì)界面處理劑剪切強(qiáng)度的影響

圖3 PVA+CMC對(duì)界面處理劑7d剪切強(qiáng)度的影響

圖4 PVA+CMC對(duì)界面處理劑14d剪切強(qiáng)度的影響

由圖3和圖4可以看出，試件的剪切強(qiáng)度初始隨著聚合物PVA+CMC摻量的增加而增強(qiáng)，但是過了最高點(diǎn)，繼續(xù)增加摻量反而強(qiáng)度下降。當(dāng)每t界面處理劑中PVA+CMC的摻量為12kg時(shí)，試件的7d和14d剪切強(qiáng)度分別達(dá)到最高且達(dá)到規(guī)范要求，為最優(yōu)摻量。

2.1.2 PVA+CMC 的作用機(jī)理分析

混凝土界面處理劑中加入聚合物PVA后，結(jié)合材料的界面同時(shí)存在著物理作用和化學(xué)作用[9，10]。

(1)物理作用聚合物PVA自身具有表面活性，其附著在水泥等固體顆粒表面，填充在不同顆粒之間，從而發(fā)揮對(duì)水泥微粒和漿體的塑化、保水等作用，并且使得新老基材之間具有更大的接觸面積。

(2)化學(xué)作用聚合物PVA自身帶有－OH等活性官能團(tuán)，與集料和水泥漿體之中的陽離子或配位性化學(xué)鍵會(huì)發(fā)生一定的化學(xué)鍵合反應(yīng)。在水泥水化過程中，聚合物在自身形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的同時(shí)，某些活性官能團(tuán)又與水泥漿體和集料表面發(fā)生化學(xué)鍵合，形成水化產(chǎn)物骨架與聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)互穿的現(xiàn)象，最后成為相互交織、相互貫穿的復(fù)合體結(jié)構(gòu)，從而極大改善了界面處理劑的力學(xué)性能。

聚合物CMC對(duì)界面處理劑的作用主要兩個(gè):一是防止界面劑在施工工程中失水過快，導(dǎo)致水泥水化不完全，從而影響性能;二是增加界面劑的粘性，使界面劑易于附著在基材表面。但是在使用中用量不能過大，否則將增加用水量并使界面劑過稠而不易施工。

因此聚合物CMC的摻量應(yīng)該隨聚合物PVA的用量多少而適當(dāng)加減，只有二者具有一個(gè)合適的比例的情況下，兩者才能共同發(fā)揮最好的作用。

2.2 膠粉+CMC對(duì)剪切強(qiáng)度的影響及其機(jī)理分析

2.2.1 膠粉+CMC的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及總結(jié)

表2 膠粉+CMC對(duì)界面處理劑剪切強(qiáng)度的影響

圖5 膠粉+CMC對(duì)界面處理劑7d剪切強(qiáng)度的影響

圖6 膠粉+CMC對(duì)界面處理劑14d剪切強(qiáng)度的影響

我們用等量的膠粉來代替PVA，其他材料不變，研究膠粉+CMC的最優(yōu)摻量是否與PVA+CMC的最優(yōu)摻量相同。由圖5、6可以看出，用等量的膠粉來代替PVA后，它們的共同點(diǎn)是都存在一個(gè)最高點(diǎn)即最優(yōu)摻量。

不同之處有兩個(gè):(1)膠粉+CMC與PVA+CMC相比，一個(gè)最大的特點(diǎn)就是最優(yōu)摻量變小了。PVA+CMC的最優(yōu)摻量為每t混凝土界面處理劑中含有12kg試樣，膠粉+CMC的最優(yōu)摻量則是每t混凝土界面處理劑中含有9kg試樣;(2)膠粉+CMC界面處理劑的7d和14d剪切強(qiáng)度的最大值較PVA+CMC界面處理劑而言均有了一定程度的下降，分別為1.2MPa和1.7MPa，但是幅度很小，也完全能夠達(dá)到規(guī)范中不小于1.0MPa和1.5MPa的要求。

2.2.2 膠粉+CMC的作用機(jī)理分析

此處的作用機(jī)理和PVA+CMC的作用機(jī)理基本上差不多，結(jié)合材料的界面也是同時(shí)存在著物理作用和化學(xué)作用。

聚合物膠粉也含有大量活性基團(tuán)，當(dāng)水泥水化后，聚合物膠粉在整個(gè)無機(jī)材料中形成一個(gè)連續(xù)的有機(jī)高分子膜，與舊基材的接觸面積比較大，同時(shí)聚合物的活性基團(tuán)與基材表面材料的活性基團(tuán)發(fā)生作用而大大提高界面劑性能。

不同之處在于聚合物膠粉中的活性基團(tuán)不僅包括－OH，還具有大量的－COOH，因此等質(zhì)量的膠粉相比于PVA，在結(jié)合界面有著更強(qiáng)的物理作用和化學(xué)作用，所以膠粉+CMC與PVA+CMC相比，最優(yōu)摻量變小了。

2.3 灰砂比對(duì)剪切強(qiáng)度的影響

表3 灰砂比對(duì)界面處理劑剪切強(qiáng)度的影響

表4 灰砂比對(duì)界面處理劑剪切強(qiáng)度的影響

由表3、4可以看出，調(diào)整膠凝材料和水洗砂的摻量，試件的剪切粘結(jié)強(qiáng)度與原來相比都有一定的下降。在界面劑中加入水洗砂第一是做為抗收縮骨料;第二主要是為了在施工過程中能夠形成粗糙的界面，易于粘結(jié)和施工。骨料砂的目數(shù)選擇應(yīng)該得當(dāng)，砂太細(xì)了不能增加界面粗糙度的目的，而太粗了又會(huì)給施工帶來不便。大量試驗(yàn)證明，由40～70目，70～120目的水洗砂混合而成的骨料砂比較合適。

通過表3的數(shù)據(jù)并且考慮施工性能的影響，灰砂比在1:1左右是效果最好的。此時(shí)聚合物與水泥基材料各自的性能都得到了極好的發(fā)揮。

3 結(jié)論

通過大量實(shí)驗(yàn)，討論了不同聚合物PVA+CMC和膠粉+CMC、不同灰砂比對(duì)混凝土界面處理劑剪切強(qiáng)度的影響，最終得到了不同聚合物不同的最優(yōu)摻量和最佳灰砂比?？偲饋肀容^，(3)號(hào)試樣即每1kg界面處理劑中有12g聚合物PVA+CMC，約1:1灰砂比的試樣，是剪切性能最良好的，剪切強(qiáng)度最高而且完全能夠達(dá)到JC/T907－2002《混凝土界面處理劑》的規(guī)定指標(biāo)要求。同時(shí)市場(chǎng)上原材料來源廣泛，試樣經(jīng)濟(jì)性好，易于施工，可以作為混凝土界面處理劑直接工業(yè)化生產(chǎn)配比的有力參考。

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