聚合物改性硅粉混凝土力學(xué)性能研究

張　恒，張守杰，郝新宇

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)聚合物改性硅粉混凝土的研究還比較少，像美國(guó)、日本、德國(guó)、韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，他們對(duì)聚合物改性混凝土的研究及應(yīng)用雖然已經(jīng)有三四十年的歷史，但其研究應(yīng)用的范圍有很大的局限性，只偏重于某些方面，還沒有形成一套比較完善的理論體系[1]。我國(guó)對(duì)聚合物改性硅粉混凝土的研制開發(fā)雖然已近40 a，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上發(fā)達(dá)國(guó)家，再加上建筑造價(jià)和國(guó)情所限，應(yīng)用數(shù)量和范圍還相當(dāng)有限，有待進(jìn)一步開發(fā)和發(fā)展。本研究采用正交試驗(yàn)手段方法來研究聚合物改性硅粉混凝土力學(xué)性能。由此對(duì)聚合物改性硅粉混凝土的理論加以完善，并推動(dòng)其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的應(yīng)用步伐。

1　試驗(yàn)原材料及配合比

1.1　水泥

水泥均為哈爾濱水泥廠生產(chǎn)的天鵝牌42.5等級(jí)水泥，其物理力學(xué)性能和化學(xué)成分分別見表1、表2。

表1　水泥物理力學(xué)性能

表2　普通硅酸鹽水泥化學(xué)成分　%

1.2　硅粉

本次實(shí)驗(yàn)所用普通硅粉的化學(xué)組成見表3。改性硅粉是由普通硅粉通過硅烷偶聯(lián)劑改性之后得出的產(chǎn)品。

1.3　高效減水劑FDN

本次實(shí)驗(yàn)采用FDN萘系高效減水劑,它是β-萘磺酸鹽甲醛縮合物，屬陰離子表面活性劑。推薦使用摻量為0.5%～1.0%。

表3　硅粉的化學(xué)成分　%

1.4　細(xì)集料

實(shí)驗(yàn)中所用細(xì)集料的性能指標(biāo)見表4。

表4　細(xì)集料性能指標(biāo)

1.5　粗集料

實(shí)驗(yàn)中所用的石子的性能指標(biāo)見表5。

表5　粗集料性能指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)中所用粗集料的級(jí)配見表6。

表6　粗集料級(jí)配

1.6　甲基纖維素

實(shí)驗(yàn)所用的甲基纖維素是中國(guó)醫(yī)藥(集團(tuán))上?；瘜W(xué)試劑公司生產(chǎn)的，分子式為

-[C6H7O2(OCH3) x(OH)3-x]-n,

黏度為15～25 cP。

1.7　聚醋酸乙烯乳液

本實(shí)驗(yàn)用北京實(shí)誠信工貿(mào)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“京都牌”BJ-235型聚醋酸乙烯乳液。

1.8　拌和水

城市普通飲用水。

1.9　試驗(yàn)配合比

實(shí)驗(yàn)采用了42.5等級(jí)的普通硅酸鹽水泥。空白混凝土、摻硅粉、改性硅粉、苯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液、乳膠、甲基纖維素的混凝土分別記為P、SF、GSF、B、C、L、M。各種聚合物混凝土的配合比見表7。

表7　混凝土配合比(每m3混凝土)

2　力學(xué)性能分析

2.1　抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)

不同組成的聚合物硅粉混凝土的抗壓強(qiáng)度見表8、圖1。

2.2　抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)

不同組成的聚合物混凝土的抗折強(qiáng)度見表9、圖2。

表8　混凝土的抗壓強(qiáng)度　MPa

表9　混凝土的抗折強(qiáng)度　MPa

圖1　混凝土抗壓強(qiáng)度示意圖

圖2　混凝土抗折強(qiáng)度示意圖

2.3　強(qiáng)度結(jié)果分析

2.3.1抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

由圖1可知，摻加各種聚合物的水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律基本一致，即摻加聚合物后，混凝土各齡期強(qiáng)度均比基準(zhǔn)混凝土低。

摻硅粉和改性硅粉的混凝土強(qiáng)度比同齡期的純混凝土要高。摻硅粉混凝土3 d、7 d、28 d齡期的強(qiáng)度同純混凝土強(qiáng)度(試樣p)的比是217%、144%、179%，摻改性硅粉混凝土3 d、7 d、28 d齡期的強(qiáng)度同純混凝土強(qiáng)度(試樣p)的比是239%、145%、120%。這主要是由于：

(1)硅粉的火山灰效應(yīng)：水泥水化生成物Ca(OH)2與硅粉中的活性SiO2發(fā)生反應(yīng)，降低了水化水泥漿中的Ca(OH)2的數(shù)量，生成CSH凝膠[2]；而且含有硅粉的水泥石中大孔體積降低，小孔增加，連通孔減少，從而減少了Ca(OH)2在集料周圍的定向分布，提高了集料與水泥漿之間的界面黏結(jié)強(qiáng)度[3]。

(2)微細(xì)粒子填充效應(yīng)：硅粉的比表面積為232 000 cm2/g，水泥的比表面積為3560 cm2/g，細(xì)小的球狀硅粉顆粒可以填充于水泥顆粒之間，使膠凝材料具有良好的級(jí)配，降低其用水量。同時(shí)，硅粉對(duì)水泥粒子的填充性使水泥石的密實(shí)性提高，降低了填充水泥粒子間空隙的用水量，使水泥漿的流動(dòng)性提高。

而摻改性硅粉比摻?jīng)]改性硅粉的混凝土同齡期的強(qiáng)度大。這是因?yàn)椋?/p>

(1)硅烷偶聯(lián)劑的減水效果：硅烷偶聯(lián)劑中含有表面活性成分，摻入混凝土中，可以使水泥水化產(chǎn)物形成的絮凝結(jié)構(gòu)分散開來，隨著絮凝結(jié)構(gòu)的分散，包裹著的游離水即可釋放出來，從而在混凝土具有相同流動(dòng)度的情況下，混凝土的水灰比(如表7所示，摻改性硅粉與摻?jīng)]改性硅粉相比，混凝土的水灰比從0.41降到0.37)降低，硬化后，混凝土的孔隙率有所減少[4]。

(2)硅烷偶聯(lián)劑的作用機(jī)理：硅烷偶聯(lián)劑的化學(xué)式為RSiX3, 其中R為有機(jī)基團(tuán)，X為可水解基團(tuán)[5]。

首先，當(dāng)硅粉浸入到硅烷偶聯(lián)劑當(dāng)中時(shí)，硅烷偶聯(lián)劑包裹于硅粉的表面，主要為物理吸附。

其次，硅烷偶聯(lián)劑中的X基團(tuán)水解，形成硅醇：

硅醇的羥基與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2中的羥基之間形成氫鍵后脫水形成硅氧鍵：

這種由硅氧鍵形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以明顯提高混凝土的強(qiáng)度。

而摻加了甲基纖維素、苯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液、乳膠的混凝土強(qiáng)度比同齡期的純混凝土的強(qiáng)度要小。因?yàn)樵诠烙?jì)聚合物水泥材料的物理-力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，應(yīng)考慮其密度和孔隙率。摻上述聚合物的混凝土密度分別為2.386×103kg/m3,2.401×103kg/m3,2.463×103kg/m3,2.276×103kg/m3,比純的混凝土的密度2.615×103kg/m3都要小。所以，這里不能不考慮到聚合物混凝土的比強(qiáng)度(單位質(zhì)量的強(qiáng)度)這個(gè)因素的影響。

在四種摻聚合物的混凝土中，摻甲基纖維素的和摻聚醋酸乙烯乳液的混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度要比其他的高。這是因?yàn)榧谆w維素能使水泥漿體的水化產(chǎn)物分布更加均勻，從而提高了其總體的受力能力。聚醋酸乙烯乳液中含有表面活性成分，可以使水泥水化產(chǎn)物形成的絮凝結(jié)構(gòu)分散開來，釋放出游離水，從而降低水灰比和孔隙率，提高了其強(qiáng)度。摻甲基纖維素的3 d強(qiáng)度較其他聚合物的同齡期強(qiáng)度要低，主要是因?yàn)榧谆w維素具有緩凝作用，使其早期強(qiáng)度相對(duì)較低，而且甲基纖維素具有引氣作用，使混凝土密度降低了。

摻苯丙乳液和乳膠的混凝土強(qiáng)度都比同齡期的純混凝土的強(qiáng)度要低。這主要?dú)w因于聚合物自身的特性，苯丙乳液和乳膠的加入使混凝土的儲(chǔ)存模量有所下降，剛度變低。而且聚合物本身的密度都比較低，它們的摻入使混凝土的氣孔率增大，密度降低，摻苯丙乳液的混凝土密度為2.401×103kg/m3,摻乳膠的混凝土密度為2.276×103kg/m3,這在一定程度上影響了其強(qiáng)度的發(fā)展。

2.3.2抗折強(qiáng)度結(jié)果分析

從各種聚合物混凝土的抗折強(qiáng)度的發(fā)展來看，摻硅粉和改性硅粉的混凝土的強(qiáng)度比純混凝土的強(qiáng)度要大。這是由于硅粉的火山灰活性所致，它與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成CSH凝膠，使混凝土的密實(shí)度提高，同時(shí)也使其界面強(qiáng)度得到改善。

摻甲基纖維素、苯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液的混凝土的抗折強(qiáng)度與純混凝土相比有一些差異，但不是很大，這說明其抗折強(qiáng)度的發(fā)展比抗壓強(qiáng)度的發(fā)展要好。因?yàn)?，在聚合物水泥混凝土硬化過程中，聚合物和水泥砂漿之間沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)拌和混凝土和聚合物乳液時(shí)，由于水泥砂漿的水灰比小于臨界水灰比，水泥首先從乳液中吸取水分進(jìn)行水泥的水化反應(yīng)，與此同時(shí)，聚合物乳液由于失去水分而變稠，凝聚成絲狀膜層，就像網(wǎng)絡(luò)一樣和水泥凝膠形成的網(wǎng)絡(luò)貫穿在一起，將骨料牢固地黏結(jié)在一起，形成一個(gè)整體[6]，這就提高了混凝土的界面強(qiáng)度，從而提高了其抗折強(qiáng)度。

摻乳膠的聚合物混凝土的抗折強(qiáng)度比較小，甚至其28 d強(qiáng)度比7 d強(qiáng)度還要小。這屬于比較反常的現(xiàn)象，跟其成型過程有關(guān)。乳膠有很強(qiáng)的黏結(jié)性，且其水溶性不好，當(dāng)把乳膠加入水泥混凝土當(dāng)中時(shí)，便凝結(jié)成絮狀、塊狀結(jié)構(gòu)，分散性不好，這就降低了混凝土的均勻性，從而影響到其強(qiáng)度的發(fā)展。其抗壓強(qiáng)度較低也跟這方面的因素有關(guān)。這一點(diǎn)是在今后關(guān)于聚合物混凝土方面的研究中要引起注意的。

3　結(jié)　論

(1)分析比較了摻加各種聚合物、硅粉和改性硅粉對(duì)于混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：摻加硅粉、改性硅粉的混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度都比同齡期的空白混凝土要高，這是因?yàn)楣璺鄣幕鹕交一钚?、填充作用和硅烷偶?lián)劑的減水作用、連接機(jī)理造成的。

(2)摻甲基纖維素、苯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液和乳膠的混凝土抗壓強(qiáng)度比同齡期的空白混凝土要小，因?yàn)榫酆衔锏募尤胧够炷恋臍饪茁试龃?，密度下降；但其抗折?qiáng)度與空白混凝土的差異比較小，因?yàn)榫酆衔锏募尤朐诨炷林行纬闪司W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使?jié){體與集料的界面強(qiáng)度大大提高。

參考文獻(xiàn)：

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