聚合物改性硫鋁酸鹽水泥抗凍性研究

趙璠新 魏定邦 丁 民（甘肅公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)工程研究中心，甘肅 蘭州 730020）

凍融破壞作為對(duì)混凝土建筑威脅最廣泛的破壞形式，一直以來(lái)都被世界各國(guó)倍加關(guān)注和重視，混凝土的抗凍性研究也成為當(dāng)今學(xué)術(shù)界、工程界的重要研究課題。

硫鋁酸鹽水泥混凝土作為一種快速修補(bǔ)材料就被廣泛的應(yīng)用于橋梁、道路、水工建筑等的修補(bǔ)、維護(hù)當(dāng)中，有著出色的使用效果。而在選擇快速修補(bǔ)材料時(shí)其抗凍性、抗?jié)B性、抗氯離子侵入等性能也成為重要的考量標(biāo)準(zhǔn)。普通硅酸鹽水泥混凝土經(jīng)270次凍融循環(huán)后已全部潰裂，無(wú)法測(cè)定其強(qiáng)度；而快硬硫鋁酸鹽水泥混凝土經(jīng)270次凍融循環(huán)后仍保持97.0%的強(qiáng)度，毫無(wú)剝落現(xiàn)象。這充分證明了硫鋁酸鹽水泥具有較好的抗凍性能。

鐵道部科學(xué)研究院以青藏鐵路負(fù)溫施工為課題，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)SAC混凝土負(fù)溫性能進(jìn)行系列試驗(yàn)。SAC混凝土在23～25℃溫度下成型后立即在-10℃溫度下受凍，凍結(jié)28d強(qiáng)度為9.6MPa，但恢復(fù)正溫后強(qiáng)度可恢復(fù)到37.0MPa，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度85%，強(qiáng)度損失小于25%；而普通硅酸鹽水泥混凝土在23～25℃溫度下成型后立即受凍，凍結(jié)28d沒(méi)有強(qiáng)度。這說(shuō)明SAC比普通硅酸鹽水泥具有更好的抗凍性能和低溫硬化性能[1～10]。

鑒于以上優(yōu)秀性能，近年來(lái)，聚合物改性硫鋁酸鹽水泥也被逐步用于重點(diǎn)工程的修補(bǔ)上，并取得了良好的效果。本課題針對(duì)聚合物改性硫鋁酸鹽水泥的抗凍性進(jìn)行研究，結(jié)合微觀形貌分析，研究聚合物改性后硫鋁酸鹽水泥作為修補(bǔ)材料其抗凍性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

1）快硬硫鋁酸鹽水泥

實(shí)驗(yàn)所用的水泥為鄭州王樓水泥有限公司生產(chǎn)的42.5 快硬硫鋁酸鹽水泥，其化學(xué)組分如表1。

表1 硫鋁酸鹽水泥化學(xué)成分 wt%

比表面積：≥350m2/kg；

初凝時(shí)間：22min；

終凝時(shí)間：32min；

2）聚合物膠粉

德國(guó)瓦克醋酸乙烯酯/乙烯共聚樹(shù)脂型膠粉，型號(hào)為5010N。

3）粉煤灰

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來(lái)的細(xì)灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物。采用蘭州電廠一級(jí)粉煤灰。

4）石英砂

石英砂為永登石英砂廠產(chǎn)。

1.2 凍融設(shè)備及測(cè)試

快速凍融機(jī)：型號(hào)TDR-1A，主要技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 快速凍融機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

成型40mm×40mm×160mm砂漿試件，拆模后水中養(yǎng)生至7天，進(jìn)行初始強(qiáng)度測(cè)試，然后放入凍融機(jī)進(jìn)行凍融循環(huán)，分別測(cè)量?jī)鋈?次、25次、50次、75次、100次、150次凍融循環(huán)后試件質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度并注意觀察凍結(jié)過(guò)程兩種凍融介質(zhì)的凍結(jié)情況和凍融循環(huán)后試件表面形貌變化。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)修補(bǔ)砂漿配方進(jìn)行砂漿成型，采用配比為膠凝材料（含聚合物）：石英砂：水=1:1.2:0.27。

2.1 不同聚合物摻量對(duì)硫鋁酸鹽水泥砂漿力學(xué)性能的影響

對(duì)不同聚合物摻量（0%、2%、4%、6%）的硫鋁酸鹽水泥砂漿強(qiáng)度進(jìn)行抗壓強(qiáng)度以及抗折強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示：

圖1 聚合物摻量對(duì)硫鋁酸鹽水泥砂漿強(qiáng)度的影響

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(shì)。當(dāng)聚合物摻量超過(guò)4%時(shí)，下降幅度減緩；各齡期抗折強(qiáng)度隨聚合物摻量增加而增加，相對(duì)來(lái)說(shuō)其壓折比大幅度降低，當(dāng)聚合物從0增加至6%時(shí)，其1天強(qiáng)度壓折比從5.22降至3.50。

2.2 不同凍融次數(shù)對(duì)聚合物硫鋁酸鹽水泥砂漿力學(xué)性能的影響

本文對(duì)聚合物摻量分別為0%、2%、4%、6%的硫鋁酸鹽水泥砂漿進(jìn)行了0次、50次、100次、150次、200次的凍融循環(huán)，測(cè)量了抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，結(jié)果如圖2所示：

圖2 凍融循環(huán)對(duì)硫鋁酸鹽水泥砂漿強(qiáng)度的影響

由圖2可知，隨著凍融次數(shù)的增加，聚合物水泥砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度均呈降低趨勢(shì)。在前150次凍融循環(huán)中抗壓強(qiáng)度下降較為緩慢，當(dāng)凍融次數(shù)繼續(xù)增加至200次時(shí)，強(qiáng)度迅速下降，未摻入聚合物的空白樣砂漿抗壓強(qiáng)度降幅達(dá)到17.0%，抗折強(qiáng)度降幅達(dá)到39.0%；隨著聚合物摻量的增加，抗壓、抗折強(qiáng)度降幅逐漸減小，聚合物摻量為6%的砂漿試件強(qiáng)度降幅分別為10.95%和10.93%，其中抗折強(qiáng)度減小幅度下降明顯。

2.3 凍融循環(huán)對(duì)聚合物改性硫鋁酸鹽水泥砂漿質(zhì)量損失的影響

隨著凍融次數(shù)的增加，試件中凍脹壓力逐步增大，導(dǎo)致砂漿表層脫落出現(xiàn)質(zhì)量損失。對(duì)聚合物摻量分別為0%、2%、4%、6%的硫鋁酸鹽水泥砂漿進(jìn)行了0次、50次、100次、150次、200次的凍融循環(huán)，測(cè)量其質(zhì)量損失，結(jié)果如圖3所示。

圖3 凍融循環(huán)對(duì)硫鋁酸鹽水泥砂漿質(zhì)量損失的影響

從圖3中可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，聚合物不同摻量水泥砂漿的質(zhì)量損失率呈上升趨勢(shì)；當(dāng)150次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率迅速上升。隨著聚合物摻量的增加，質(zhì)量損失率逐漸下降。

2.4 NaCl溶液介質(zhì)中凍融對(duì)聚合物改性硫鋁酸鹽水泥砂漿力學(xué)性能的影響

鹽溶液中進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，可以更加真實(shí)的表征修補(bǔ)材料的服役環(huán)境，本文以去離子水和3%氯化鈉溶液兩種凍融介質(zhì)進(jìn)行凍融循環(huán)，測(cè)量其強(qiáng)度變化特征，如圖4所示：

圖4 凍融介質(zhì)對(duì)聚合物改性硫鋁酸鹽水泥強(qiáng)度的影響

由圖4可以看出以3%氯化鈉溶液作為凍融介質(zhì)試件在凍融50次前強(qiáng)度與去離子水作為凍融介質(zhì)試件差別不大，甚至略高。而凍融50次之后3%氯化鈉溶液為凍融介質(zhì)中的砂漿試件強(qiáng)度大幅度下降。由于凍融循環(huán)前期，氯化鈉鹽溶液降低水的冰點(diǎn)，使試件受到凍融破壞的時(shí)間縮短，而凍融后期，氯化鈉鹽溶液的的吸濕作用大大增加了水泥砂漿的飽水程度和飽水時(shí)間，使得可凍水增加，凍脹力增大，因此凍融后期對(duì)試件破壞速度加快。

2.5 微觀形貌及機(jī)理分析

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，用丙酮阻止水化，并通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)其微觀形貌進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 聚合物改性硫鋁酸鹽水泥砂漿SEM圖

從圖5中可以看出，聚合物摻量為0%的硫鋁酸鹽水泥砂漿可以明顯的看到大量針狀鈣礬石水化物存在，同時(shí)周邊有大量的裂紋、缺陷，隨著聚合物摻量的增加裂紋明顯減少，水化產(chǎn)生的鈣礬石逐漸減少并向片狀、板狀轉(zhuǎn)變；而聚合物所成的膜也逐漸被觀察到填充到集料或水化物之間。

隨著硫鋁酸鹽水泥的水化，聚合物膠粉在水泥體系中最終形成連續(xù)薄膜，從而在固化的砂漿中構(gòu)成了由無(wú)機(jī)非金屬材料和有機(jī)膠粘材料組成的材料體系。其中，水硬性水泥材料構(gòu)成強(qiáng)度骨架，而有機(jī)高分子薄膜填充在骨架間隙或固體表面形成柔韌性連接，這種連接可以比喻為由很多細(xì)小的彈簧連接在剛性的骨架上。由于乳膠粉形成的高分子樹(shù)脂薄膜的拉伸強(qiáng)度通常高于水硬性材料一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，使得砂漿的自身強(qiáng)度得以增強(qiáng)，即內(nèi)聚力得以提高。由于聚合物的柔性和形變能力遠(yuǎn)高于水泥，使得材料的變形能力以及分散應(yīng)力的能力得到大幅度的提高，從而提高了砂漿的抗裂性能。

因此，在凍融環(huán)境中，聚合物的存在使得硫鋁酸鹽水泥砂漿內(nèi)聚力大幅度增加，與內(nèi)部水由于凍融產(chǎn)生的凍脹力相互抵消，延緩了砂漿內(nèi)部裂縫或缺陷的產(chǎn)生，使得聚合物改性硫鋁酸鹽水泥砂漿抗凍性得到提高。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）聚合物的摻入，使得硫鋁酸鹽水泥砂漿的力學(xué)性能得到改性，壓折比大幅度下降，柔韌性得到提高。

2）凍融次數(shù)超過(guò)150次后，硫鋁酸鹽水泥砂漿抗壓和抗折強(qiáng)度均下降，其中凍融200次后抗折強(qiáng)度下降39%，聚合物的摻入可以延緩下降趨勢(shì)，6%聚合物的摻入使得抗折強(qiáng)度下降僅為11%,同時(shí)質(zhì)量損失率也從2.5%下降為0.8%。

3）鹽溶液的存在使得凍融過(guò)程對(duì)聚合物改性硫鋁酸鹽水泥砂漿的力學(xué)性能影響更為明顯。與水凍融介質(zhì)相比，鹽溶液中凍融的試件強(qiáng)度在50次凍融后下降較為明顯。

4）試件掃描電鏡微觀形貌分析表明聚合物的摻入能夠改變硫鋁酸鹽水泥水化后內(nèi)部結(jié)構(gòu)，特別是能夠明顯消除內(nèi)部裂縫缺陷，并與水化剛性骨架形成剛?cè)釓?fù)合結(jié)構(gòu)，最終提高抗凍性能。

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