不同粉液比苯丙乳液水泥基復(fù)合填縫料剪切性能試驗(yàn)研究

劉高杰，白二雷，許金余，朱從進(jìn)，楊寧

不同粉液比苯丙乳液水泥基復(fù)合填縫料剪切性能試驗(yàn)研究

劉高杰1，白二雷1，許金余1，朱從進(jìn)2，楊寧3

(1. 空軍工程大學(xué) 機(jī)場(chǎng)建筑工程教研室，陜西 西安 710038；2. 中國(guó)人民解放軍94921部隊(duì)，福建 晉江 362200；3. 中國(guó)人民解放軍75840部隊(duì)，廣東 廣州 510000)

針對(duì)機(jī)場(chǎng)道面填縫料易受剪破壞問(wèn)題，采用不同的粉液比(無(wú)機(jī)粉料與聚合物乳液質(zhì)量之比)，制備一種苯丙乳液水泥基復(fù)合填縫料(SCJS)，采用HS-3001B 型剪切實(shí)驗(yàn)設(shè)備與COX I EM-30型掃描電鏡，測(cè)試剪切強(qiáng)度性能與剪切變形性能，觀察分析其剪切破壞形態(tài)。研究結(jié)果表明：隨著粉液比的增大，SCJS的剪切強(qiáng)度顯著提高，剪切負(fù)荷位移明顯減小，破壞形態(tài)逐漸由填縫料內(nèi)聚破壞轉(zhuǎn)向填縫料與基材間的黏結(jié)失效破壞。當(dāng)粉液比由0.30增大至0.55時(shí)，SCJS剪切強(qiáng)度與剪切模量分別提高30%與71.4%，而剪切斷裂伸長(zhǎng)率與剪切峰前韌度下降35.3%與22.2%。結(jié)合掃描電鏡結(jié)果分析可知，增大粉液比能有效填充SCJS的孔隙結(jié)構(gòu)，增大密實(shí)度，進(jìn)而使SCJS剪切強(qiáng)度提高，但同時(shí)會(huì)造成SCJS的變形與吸能性能顯著下降。

道面填縫料；苯丙乳液；剪切強(qiáng)度；剪切變形性能；破壞形態(tài)

機(jī)場(chǎng)道面接縫類病害是影響軍用機(jī)場(chǎng)使用性能、威脅飛行安全的重要因素之一。作為機(jī)場(chǎng)道面的薄弱環(huán)節(jié)，接縫處所用填縫材料的性能及其所能達(dá)到的封縫效果，嚴(yán)重影響著機(jī)場(chǎng)的使用性能及壽命。目前，常用的水泥混凝土機(jī)場(chǎng)道面填縫材料有聚氨酯、聚硫、硅酮類材料。但這些材料仍存在黏結(jié)強(qiáng)度低，易老化，與混凝土道面相容性差，造價(jià)成本高等問(wèn)題[1-2]。聚合物水泥基復(fù)合材料是一種通過(guò)有機(jī)聚合物與水泥共混得到的高性能復(fù)合材料[3-4]。由于聚合物成膜和水泥水化的交互進(jìn)行及耦合關(guān)系，這類材料通常能夠兼具水泥基材料耐久性好、強(qiáng)度高、價(jià)廉環(huán)保與聚合物材料黏結(jié)強(qiáng)度高、柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。因此考慮將聚合物水泥基復(fù)合材料應(yīng)用于道面填縫料，充分發(fā)揮其變形柔韌性好、黏結(jié)性強(qiáng)、耐久性優(yōu)異等特點(diǎn)以適應(yīng)道面接縫要求。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)聚合物水泥基復(fù)合材料開展了許多研究，大多集中于其力學(xué)性能[7-8]、制備方法[9-10]、改性機(jī)理[11-2]、施工工藝[13-14]、試驗(yàn)方法[15]、應(yīng)用研究[16]及耐久性能[17-18]等方面。以上研究對(duì)將聚合物水泥基復(fù)合材料應(yīng)用于道面填縫料作了初步驗(yàn)證，但目前針對(duì)其抗剪性能的研究仍相對(duì)較少。特別是在飛機(jī)機(jī)輪的反復(fù)剪切荷載作用下(如圖1所示)，填縫材料易失效而引發(fā)如斷板、錯(cuò)臺(tái)、拱起、唧泥、邊角損壞等道面病害，嚴(yán)重威脅飛行安全[3, 11]。因此對(duì)聚合物水泥基復(fù)合填縫料的剪切性能的研究顯得尤為必要。聚合物水泥基復(fù)合填縫料中無(wú)機(jī)填料在聚合物膜界面及水泥基體中起到重要的填充、堆疊、潤(rùn)滑及黏結(jié)作用。此外水泥的水硬性膠凝作用在填縫料中的聚合物成膜過(guò)程中起重要影響。粉液比即無(wú)機(jī)粉料(水泥與無(wú)機(jī)填料)總質(zhì)量與聚合物乳液總質(zhì)量之比，不僅影響填縫料的各項(xiàng)性能指標(biāo)，而且關(guān)系填縫料的制備成本，同時(shí)粉液比是有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料組成比例的定量表征?；诖耍疚脑谝延性囼?yàn)基礎(chǔ)上，控制灰粉比(水泥質(zhì)量與無(wú)機(jī)填料質(zhì)量之比)不變，改變粉液比制備苯丙乳液水泥基復(fù)合填縫料(SCJS)。采用控制變量法，研究不同粉液比(0.30，0.35，0.40，0.45，0.50和0.55)對(duì)SCJS剪切性能、破壞形態(tài)及其微觀形貌的影響，并結(jié)合電鏡照片分析闡述粉液比對(duì)SCJS的微觀改性機(jī)理。

圖1 填縫料受機(jī)輪剪切

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與試件制備

制備苯丙乳液水泥基復(fù)合道面填縫料的主要試驗(yàn)原材料為：苯丙乳液、水泥、無(wú)機(jī)填料(滑石粉、重質(zhì)碳酸鈣、石英粉)、助劑(分散劑、消泡劑、成膜助劑)。各類材料具體介紹如下：聚合物選用Acronal S400F ap型苯丙乳液，黏度400～1 800 MPa?s，平均粒度0.1 μm，固含量56±1%；無(wú)機(jī)粉料中水泥采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，初凝141 min，終凝296 min，無(wú)機(jī)填料選用超細(xì)滑石粉，純白，細(xì)度600目，二氧化硅含量99%；助劑選用NOPCO NXZ消泡劑，SN-DISPERSANT 5040分散劑，醇酯-12(DN-12)成膜助劑。

依據(jù)表1中配比制備試件，具體過(guò)程為：1) 將苯丙乳液與分散劑倒入混料機(jī)中攪拌4 min，再依次加入消泡劑、成膜助劑，攪拌4 min；2) 干拌水泥與滑石粉4 min至充分混合；3) 將無(wú)機(jī)粉料倒入苯丙乳液外加劑混合液中高速攪拌10 min后低速攪拌5 min得到拌合料，再與水泥砂漿基材共同澆筑出如圖2 所示填縫料試件。尺寸見圖3。

表1 試驗(yàn)配合比

注：成膜助劑摻量為苯丙乳液質(zhì)量的5%，分散劑及消泡劑摻量分別為苯丙乳液和無(wú)機(jī)粉料總質(zhì)量的0.8%和0.5%[10]，原材料以質(zhì)量份表示，單位為g或kg。

圖2 SCJS試件

單位：mm

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

剪切試驗(yàn)采用HS-3001B 型剪切實(shí)驗(yàn)設(shè)備，試驗(yàn)過(guò)程為將SCJS試件固定于剪切實(shí)驗(yàn)夾具中，保持試件水平，恒定5 mm/min的速率垂直提升夾具上升端，待PCJS試件破壞停止，剪切試驗(yàn)過(guò)程見圖4。微觀形貌分析借助于COX I EM-30型掃描電鏡(如圖5所示)，將經(jīng)噴金處理后的微觀切片試樣置于掃描電鏡試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行微觀形貌掃描觀測(cè)。

圖4 剪切試驗(yàn)過(guò)程

圖5 掃描電子顯微鏡

2 結(jié)果與討論

2.1 剪切強(qiáng)度指標(biāo)分析

剪切強(qiáng)度(f)為SCJS試件在剪切試驗(yàn)中達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，剪切模量(E)為SCJS試件剪切長(zhǎng)度達(dá)到試件初始寬度60%所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。二者直接反映材料的抗剪性能，均為表征試件在剪切試驗(yàn)中的重要強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo)[2]。SCJS試件的f與E隨粉液比改變的變化規(guī)律見圖6。由圖6可知，隨著粉液比的增大，f表現(xiàn)出先快后緩再快的增長(zhǎng)規(guī)律。粉液比由0.30增至0.40時(shí)，f提高了16.9%；當(dāng)粉液比在0.40～0.50范圍內(nèi)時(shí)，f呈平緩增長(zhǎng)，增幅為6.4%；當(dāng)粉液比由0.30增至0.55時(shí)，f提高了0.30。E隨著粉液比的增大而近似線性提高，當(dāng)粉液比由0.30增至0.55時(shí)，E提高了71.4%；當(dāng)粉液比在0.35～0.55范圍內(nèi)時(shí)，E每次增幅穩(wěn)定在11.2%～13.6%。以上表明，SCJS的f與E隨著粉液比增大而有顯著提高。

隨粉液比增大而f與E顯著提高有以下2個(gè)主要原因：一方面，隨著粉液比的增大，填縫料中無(wú)機(jī)粉料含量增加，填縫料內(nèi)部的自由孔隙被不斷填充，孔隙量逐漸減少，密實(shí)度不斷增大；另一方面，水泥用量隨粉液比提高而增多，同時(shí)意味著水泥水化產(chǎn)物增多，從宏觀上SCJS剛硬程度隨之提高。綜上，SCJS的f與E得到顯著提高。

圖6 粉液比對(duì)SCJS的fs與Es的影響

2.2 剪切變形指標(biāo)分析

剪切斷裂伸長(zhǎng)率(δ)及剪切峰值應(yīng)變(ε)通常被用來(lái)衡量材料的剪切變形性能[10]。δ表示SCJS在剪切破壞時(shí)的位移與填縫料初始寬度的比值，ε表示剪切試驗(yàn)中SCJS達(dá)到的峰值應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變。SCJS受粉液比改變影響的δ與ε變化規(guī)律如圖7 所示。由圖7 可知：1) 隨著粉液比的增大，SCJS的δ與ε呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，當(dāng)粉液比由0.30增至0.55時(shí)，δ與ε降幅分別達(dá)到35.3%和29.9%；2) 當(dāng)粉液比在0.30～0.35，0.40～0.45與0.50～0.55的3個(gè)范圍中變化時(shí)，δ的降幅較平緩，分別為6.7%，2.0%與3.8%，而在0.35～0.40與0.45～0.50變化范圍中降幅較劇烈，分別為14.6%與13.9%。

粉液比增大對(duì)SCJS的剪切變形性能的影響主要分為以下2個(gè)方面：1) 隨著粉液比的增大，SCJS中的無(wú)機(jī)粉料含量增加，無(wú)機(jī)粉料的表面潤(rùn)濕與解聚分散及水泥的水化反應(yīng)消耗了更多的苯丙乳液中的水分。因此能夠通過(guò)滲透到達(dá)水泥砂漿基材內(nèi)部在黏結(jié)面起黏結(jié)作用的乳液減少，聚合物分子鏈所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致SCJS內(nèi)部黏結(jié)能力與柔韌性下降；2) 隨著無(wú)機(jī)粉料的增多，SCJS內(nèi)部的孔隙被不斷填充，孔隙率逐漸下降，同時(shí)聚合物分子鏈結(jié)構(gòu)中積聚或附著的未水化的水泥顆粒也隨之增多，從而導(dǎo)致在剪力作用下聚合物分子鏈的位移形變和自由伸縮受到阻礙。上述表明增大粉液比會(huì)造成SCJS的剪切變形性能顯著降低。

圖7 粉液比對(duì)SCJS的δb與εp的影響

2.3 剪切能耗指標(biāo)分析

材料在剪切荷載作用下的能耗指標(biāo)通常用剪切韌度(T)與剪切峰前韌度(T,b)定量表征[11]。圖8 所示為SCJS的T與T,受粉液比影響的變化規(guī)律。由圖8 可知：1) 隨粉液比增大T與T,均呈顯著下降趨勢(shì)，當(dāng)粉液比由0.30增至0.55時(shí)T與T降幅分別為15.4%與22.2%；2)T,下降呈先平緩后劇烈的變化趨勢(shì)，粉液比由0.30增至0.45時(shí)，T,降幅僅4.9%，而粉液比由0.45增至0.55，T,降幅達(dá)17.3%。

圖8 粉液比對(duì)SCJS的Ts與Ts,b的影響

隨著粉液比增大，SCJS內(nèi)部供聚合物分子鏈在承受外部荷載時(shí)得以自由曲卷、伸縮、轉(zhuǎn)動(dòng)的自由孔隙被無(wú)機(jī)粉料大量填充，而不同孔徑的孔隙同時(shí)也是吸收并消耗大量的變形能和斷裂能的基礎(chǔ)條件。因此SCJS剪切韌度隨粉液比增大下降，吸能性能被削弱。

2.4 剪切破壞形態(tài)分析

圖9 所示為在剪切試驗(yàn)中不同粉液比SCJS試件的剪切破壞形態(tài)變化規(guī)律。1) 當(dāng)粉液比大于0.40時(shí)，填縫料在受剪過(guò)程中與上升端水泥砂漿基材的黏結(jié)角點(diǎn)處易發(fā)生脫邊，而后隨著剪切負(fù)荷和負(fù)荷位移的增大逐漸與基材失黏脫邊，最終發(fā)生嚴(yán)重黏結(jié)破壞，如粉液比分別為0.55，0.50和0.45的FYB-1，F(xiàn)YB-2和FYB-3；2) 當(dāng)粉液比小于0.40時(shí)，填縫料的剪切破壞形態(tài)為內(nèi)聚破壞(如FYB-4，F(xiàn)YB-5和FYB-6所示)，且在較大的剪切負(fù)荷位移下展現(xiàn)出良好的抗剪性能，如FYB-4，F(xiàn)YB-5和FYB-6分別在33.33，32.88和40.02 mm的負(fù)荷位移下尚未發(fā)生破壞。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著粉液比的增大，填縫料的剪切破壞形態(tài)由“內(nèi)聚破壞”向“黏結(jié)破壞”轉(zhuǎn)變，剪切負(fù)荷位移減小。

(a) 粉液比0.30；(b) 粉液比0.35；(c) 粉液比0.40；(d) 粉液比0.45；(e) 粉液比0.50；(f) 粉液比0.55

3 微觀機(jī)理分析

苯丙乳液水泥基復(fù)合道面填縫料是一種非均質(zhì)的多相體系，由聚合物膜、水泥水化產(chǎn)物和其他無(wú)機(jī)填料所構(gòu)成的固相以及存在于孔隙中的水和空氣所組成，即固?液?氣三相多孔體。填縫料宏觀性能的改變，實(shí)質(zhì)是復(fù)合材料體系內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)變化所致。圖10(a)~圖10(f)所示為不同粉液比SCJS切片放大100倍的微觀形貌。隨著粉液比的增大，SCJS試件的內(nèi)部孔隙數(shù)量總體上呈明顯減小趨勢(shì)，無(wú)機(jī)粉料中水泥及其水泥水化產(chǎn)物與其他無(wú)機(jī)填料鑲嵌其間，孔徑不斷得到細(xì)化，密實(shí)度漸漸提高。由圖10(a)~圖10(b)SCJS試件切片微觀形貌可看出，粉液比較低(0.30和0.35)時(shí)，試件內(nèi)部自由孔隙數(shù)量多、孔徑大；隨著粉液比增至0.40，0.45和0.50時(shí)，孔隙數(shù)量隨之不斷下降且孔徑細(xì)化程度顯著；粉液比增至0.55時(shí)，SCJS試件切片無(wú)較大孔徑孔隙出現(xiàn)，僅少量細(xì)小孔隙，切片表面密實(shí)程度高，結(jié)構(gòu)致密。觀察分析試件切片微觀形貌可知，SCJS內(nèi)部孔隙隨粉液比的增大數(shù)量上呈明顯下降趨勢(shì)，孔徑逐漸得到細(xì)化，填縫料密實(shí)程度不斷提高。

隨著苯丙乳液失水成膜及其與水泥的反應(yīng)固化，SCJS內(nèi)部中生成一定數(shù)量的孔隙。隨著粉液比的增大，SCJS內(nèi)部的自由孔隙被不斷填充，孔隙量逐漸減少，密實(shí)度不斷增大，從而導(dǎo)致聚合物分子鏈在外力作用下的自由伸縮和位移形變受到阻礙，孔隙吸能及耗能減少，因而宏觀上表現(xiàn)為SCJS的剪切強(qiáng)度指標(biāo)明顯增大，變形性能及耗能性能顯著下降。

(a) 粉液比0.30；(b) 粉液比0.35；(c) 粉液比0.40；(d) 粉液比0.45；(e) 粉液比0.50；(f) 粉液比0.55

4 工程應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性

由前文分析知，隨著粉液比的增大，苯丙乳液水泥基復(fù)合填縫料的拉伸和剪切強(qiáng)度指標(biāo)不斷增大，變形性能及耗能能力明顯降低，剪切破壞形態(tài)逐漸由內(nèi)聚破壞向黏結(jié)破壞轉(zhuǎn)變。結(jié)合各試驗(yàn)指標(biāo)分析得，合理的粉液比取值范圍為0.35～0.40。苯丙乳液水泥基復(fù)合填縫料基礎(chǔ)配合比具體如下：以100 g苯丙乳液為準(zhǔn)，需水泥8.75～10 g，滑石粉26.25～30.00 g，成膜助劑5 g，消泡劑0.68～0.70 g和分散劑1.35～1.40 g。

目前，我國(guó)軍用機(jī)場(chǎng)常用的道面接縫填縫料主要為聚氨酯、聚硫及硅酮三大類，結(jié)合大量的機(jī)場(chǎng)調(diào)研并根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，將我國(guó)常用機(jī)場(chǎng)道面接縫填縫料市場(chǎng)價(jià)格對(duì)比分別列于表2。通過(guò)對(duì)比分析，可以看出本文制備的苯丙乳液水泥基復(fù)合填縫料為1.5～2萬(wàn)元/t，每延米僅需2～3元，相比其他類產(chǎn)品具有價(jià)格低廉的明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，是一種極具潛力的機(jī)場(chǎng)道面接縫填縫材料。

表2 常用機(jī)場(chǎng)道面接縫填縫料市場(chǎng)價(jià)格對(duì)比

注：一次施工投入費(fèi)用的縫寬及縫深均按10 mm計(jì)算。

5 結(jié)論

1) SCJS的剪切強(qiáng)度及剪切模量隨著粉液比的增大而提高，其中剪切模量提高程度穩(wěn)定近似線性且增幅顯著，試件承受剪切荷載能力得到增強(qiáng)。

2) 隨著粉液比的增大，SCJS的剪切變形性能和剪切韌性顯著降低，在剪切負(fù)荷下位移明顯減小，破壞形態(tài)由填縫料與基材間的黏結(jié)失效破壞向填縫料內(nèi)聚破壞轉(zhuǎn)變。

3) 通過(guò)電鏡掃描觀察SCJS微觀形貌發(fā)現(xiàn)，增大粉液比可改善SCJS內(nèi)部結(jié)構(gòu)，SCJS內(nèi)部孔隙量隨粉液比增大而降低，同時(shí)孔徑不斷減小，密實(shí)度不斷提高。

4) 當(dāng)粉液比為0.35～0.40范圍內(nèi)時(shí)，SCJS在剪切荷載作用下的剪切強(qiáng)度、韌度性能較好，同時(shí)保持較好的變形能力，抗剪性能綜合表現(xiàn)最佳。

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Shear behavior of styrene-acrylic emulsion cement-based composite joint sealant with different powder-emulsion ratio

LIU Gaojie1, BAI Erlei1, XU Jinyu1, ZHU Congjin2, YANG Ning3

(1. Teaching and Research Office of Airport Construction Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China; 2. Unit 94921, People’s Liberation Army of China, Jinjiang 362200, China; 3. Unit 75840, People’s Liberation Army of China, Guangzhou 510000, China)

Styrene-acrylic emulsion cement-based composite joint sealant (SCJS) was prepared with different powder-emulsion ratio (the ratio of inorganic powder to polymer emulsion). The shear strength and deformation properties of SCJS were investigated, and the shear failure morphology was observed and analyzed as well by Hs-3001b shear test equipment and COX I em-30 scanning electron microscope. The results indicate that with the increase of powder-liquid ratio the shear strength of SCJS is significantly improved. Meanwhile, the shear load displacement is remarkably reduced. Furthermore, the failure model is changed from cohesive failure of joint sealant to bond failure between joint sealant and cement substrate. When the powder-emulsion ratio increased from 0.30 to 0.55, the shear strength and shear modulus of SCJS increased by 30% and 71.4% respectively, while the shear elongation at break and the shear peak toughness decreased by 35.3% and 22.2% respectively. Finally, analysis of micro-mechanism based on scanning electron microscope (SEM) images illustrates that the increasing of powder-to-liquid ratio can effectively fill the pore structure of SCJS, and thus increase the shear strength. While at the same time, the deformation and energy absorption performance of SCJS are significantly reduced.

pavement joint sealant; styrene-acrylic emulsion; shear strength; shear deformation behavior; failure model

TU528

A

1672 ? 7029(2020)03 ? 0615 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190529

2019?06?14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51208507，51378497)；軍隊(duì)后勤重點(diǎn)科研資助項(xiàng)目(BKJ13J005)

白二雷(1979?)，男，河南焦作人，副教授，博士，從事建筑工程與防護(hù)工程研究；E?mail：bwxkgy@163.com

(編輯 涂鵬)