高分子聚合物混凝土表面增強劑的配合比研究

朱 燕，孫 悅，梅 華

（南通職業(yè)大學 建筑工程學院， 江蘇 南通 226007）

江蘇南通位于黃海南部，長江入?？跂|岸，擁有海岸線210 km，海岸帶面積1.3 萬km2，是長江三角洲地區(qū)重要的港口城市，擁有大量的沿海建筑及海堤工程。經(jīng)實際使用發(fā)現(xiàn)，工程中時常有混凝土表面強度偏低、混凝土裂縫等問題出現(xiàn)。混凝土中的水泥質(zhì)量不過關(guān)、外摻料中雜質(zhì)較多、混凝土配合比設(shè)計不合理、混凝土在運輸及澆筑過程中不規(guī)范操作等，均會導致混凝土表面強度降低，造成混凝土表面起粉，產(chǎn)生“蜂窩麻面”；而混凝土凝結(jié)硬化之前表面水分蒸發(fā)過快、混凝土內(nèi)部水化熱過大、混凝土配筋率偏低、混凝土養(yǎng)護條件欠缺等問題的出現(xiàn)則會導致混凝土表面出現(xiàn)裂縫。諸多研究成果表明[1-3]，高分子聚合物（如丙烯酸、環(huán)氧樹脂、硅酸乙酯、有機硅樹脂、聚氨酯等一種或者多種材料的混合物）可顯著降低混凝土吸水率，增強抗碳化性能，提高混凝土的抗氯離子滲透性、耐老化性，解決混凝土表面強度偏低及表面裂縫的問題，有效提高海堤工程混凝土的耐久性。

本文以丙烯酸酯共聚乳液為基礎(chǔ)原液，加入不同摻量的硫酸鈉、滑石粉、成膜助劑和消泡劑等材料，通過混凝土回彈強度試驗確定各組成成分的摻入比例，得到高分子聚合物混凝土表面增強劑的最佳配比。

1 試驗方案

1.1 原材料

丙烯酸酯共聚乳液：深圳市吉田化工有限公司生產(chǎn)的E0503-X 水性丙烯酸酯乳液，pH 值為5~7，乳白色藍光液體，固含量為37 %，黏度為1 200~1 600 CPS。

硫酸鈉：國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)，主要成分為 Na2SO4，pH 值為 5.0~8.0，固含量≥99.0 %。

滑石粉：主要成分 SiO2和 MgO2，其中 SiO2含量為60 %，MgO2含量為31 %，水含量為9 %，白色粉末狀，細度325，燒失量6 %。

成膜劑：潤宏化工生產(chǎn)的成膜助劑，主要成分為十二碳醇酯，含量大于99.0 %。

消泡劑：蘭蒂斯工業(yè)生產(chǎn)的聚醚改性消泡劑，乳白色水性液體，密度1.01±0.02 kg/m3。

水泥：南通華新水泥有限公司生產(chǎn)，標號為42.5 的普通硅酸鹽水泥[4]。

粗骨料：天然碎石，粒徑為5～30 mm，表觀密度為 2 700 kg/m3。

細骨料：取自本地河砂，細度模數(shù)Mf=2.78，表觀密度為2 650 kg/m3。

減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA（I）聚羧酸類高效減水劑，減水效率為25 %，摻量為水泥質(zhì)量的1 %[4]。

1.2 試驗方法

混凝土回彈強度試驗：為排除自身強度發(fā)展對混凝土表面強度的影響[5]，以養(yǎng)護成型超過1 年的C30 混凝土結(jié)構(gòu)試件（2 m×0.5 m×0.5 m素混凝土梁）為試驗對象，按照《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 23-2011）中的試驗方法進行混凝土回彈強度試驗。試驗儀器選用上海樂傲儀器有限公司生產(chǎn)的ZBL-S201 型數(shù)顯回彈儀。試驗時，始終將回彈儀的軸線垂直于混凝土的檢測面進行水平彈擊，將測區(qū)中16 個回彈值去除3 個最大值和3 個最小值，以平均回彈值Rm 表示混凝土的表面強度。

高分子聚合物混凝土表面增強劑的添加工藝為：采用人工涂抹方式，涂抹前先用普通砂紙將混凝土結(jié)構(gòu)試件表面打磨光滑，再用樹脂刷將表面增強劑分2 次均勻涂抹在混凝土結(jié)構(gòu)試件表面，前后間隔20 min，每次涂抹厚度約0.5 mm，使混凝土結(jié)構(gòu)試件表面始終保持濕潤狀態(tài)，涂抹厚度最終控制在0.8~1.2 mm，涂抹用量為1~2 kg/m2。

1.3 配合比設(shè)計

以丙烯酸酯共聚乳液原有的固含量為基礎(chǔ)，加水稀釋成固含量為5 %和10 %的液體，依次加入硫酸鈉（摻量為1 %、3 %、5 %），滑石粉（摻量為1 %、3 %、5 %），成膜助劑和消泡劑（摻量均為0.2 %、0.4 %、0.6 %）等材料混合，將高分子聚合物乳液涂抹至混凝土表面，測定養(yǎng)護齡期為1 d、7 d、14 d、28 d、56 d 時的回彈強度，以此確定高分子聚合物混凝土表面增強劑中各組成成分的最優(yōu)摻量，得到最佳配合比。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 高分子聚合物對混凝土表面強度的影響

首先，測定混凝土表面的初始回彈值，然后分別將固含量為5 %和10 %的丙烯酸酯共聚乳液涂抹在混凝土結(jié)構(gòu)試件表面，分別測定其在自然條件下養(yǎng)護 1 d、7 d、14 d、28 d、56 d 時的混凝土回彈數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果見表1。

表1 丙烯酸酯共聚乳液涂抹混凝土表面的回彈值

將混凝土表面強度增長率定義為涂抹丙烯酸酯共聚乳液的混凝土表面強度回彈值與混凝土表面強度初始回彈值之間的比值，則其隨著養(yǎng)護齡期變化的情況如圖1 所示。

圖1 齡期對丙烯酸酯共聚乳液表面強度增長率的影響

由圖1 可知，經(jīng)丙烯酸酯共聚乳液涂抹后，混凝土結(jié)構(gòu)試件表面強度增長率隨著養(yǎng)護齡期的增加而逐漸提高。涂抹丙烯酸酯共聚乳液固含量5%的混凝土，表面強度增長率逐漸穩(wěn)定，28 d 后停止增長，56 d 的表面強度增長率為4.58 %；涂抹丙烯酸酯共聚乳液固含量10 %的混凝土，56 d 的表面強度增長率為5.46 %。由此可見，僅在混凝土表面涂抹丙烯酸酯共聚乳液無法大幅度提高其表面強度，需要對高分子聚合物混凝土表面增強劑做改性分析。

2.2 硫酸鈉摻量對高分子聚合物混凝土表面增強劑作用效果的影響

宋哲[6]等人研究表明，硫酸鈉與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣進一步反應，生成的沉淀物可填充混凝土中的孔隙，提高混凝土的密實性。為進一步改善混凝土的表面強度，向丙烯酸酯共聚乳液中摻入硫酸鈉，利用混凝土回彈試驗確定硫酸鈉的最佳摻量。

首先測定混凝土表面的初始回彈值，然后向固含量為5 %和10 %的丙烯酸酯共聚乳液中分別摻入1 %、3 %、5 %的硫酸鈉，將其涂抹在混凝土結(jié)構(gòu)試件的表面，分別測定其在自然條件下養(yǎng)護 1 d、7 d、14 d、28 d、56 d 時的混凝土回彈數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果見表2 和圖2。

表2 硫酸鈉改性丙烯酸酯共聚乳液的混凝土表面回彈值

圖2 硫酸鈉摻量對表面強度增長率的影響

從圖2（a）可以看出，當涂抹固含量5 %的丙烯酸酯共聚乳液，外加不同摻量硫酸鈉時，其混凝土表面強度增長率隨著養(yǎng)護齡期的增加而逐漸提高，并最終趨于穩(wěn)定。其中，硫酸鈉摻量為5 %的混凝土表面強度增長率最為突出，56 d 的強度增長率接近8.40 %，比未摻硫酸鈉的56 d 強度增長率高3.82 %（表1）。從圖2（b）可以看出，當涂抹固含量10 %的丙烯酸酯共聚乳液，外加不同摻量硫酸鈉時，其混凝土表面強度增長率也存在類似規(guī)律，且硫酸鈉摻量為3%的混凝土表面強度增長率最為顯著，56 d 的強度增長率接近12.06 %，比未摻硫酸鈉的56 d 強度增長率高6.60 %（表1）。

綜合比較圖 2（a）和（b）可知，涂抹 10 %丙烯酸酯共聚乳液，外加3 %硫酸鈉的混凝土，其表面強度增長率最為顯著，在6 種摻量中的數(shù)值最大，且明顯高于未摻硫酸鈉的情況。因此，適量外摻硫酸鈉能夠提高混凝土的表面強度，且丙烯酸酯共聚乳液固含量10 %、硫酸鈉摻量3 %的混合溶液對混凝土表面強度的增強效果最優(yōu)。

2.3 滑石粉摻量對高分子聚合物混凝土表面增強劑作用效果的影響

王國榮[7-8]等人研究表明，滑石粉經(jīng)高分子聚合乳液包裹后，能顯著提高聚合乳液的抗沖擊能力和抗拉伸能力，從而提高成膜的彎曲剛度及附著能力，并且滑石粉不會與硫酸鈉產(chǎn)生任何化學反應，所以在高分子聚合乳液混凝土表面增強劑中添加滑石粉，進一步分析其最優(yōu)配比。

首先測定混凝土表面的初始回彈值，然后以表2 的B-2 為基礎(chǔ)配比溶液，向其分別摻入1 %、3 %、5 %的滑石粉，將其涂抹在混凝土結(jié)構(gòu)試件的表面，分別測定其在自然條件下養(yǎng)護1 d、7 d、14 d、28 d、56 d 時的混凝土回彈數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果見表3 和圖3。

表3 滑石粉改性丙烯酸酯共聚乳液的混凝土表面回彈值

圖3 滑石粉摻量對表面強度增長率的影響

從圖3 可以看出，當涂抹10 %丙烯酸酯共聚乳液、摻入3 %硫酸鈉，外摻不同摻量的滑石粉時，其混凝土表面強度增長率隨著養(yǎng)護齡期的增加而穩(wěn)步增長。滑石粉摻量為3 %時，混凝土表面強度增長最為顯著，56 d 的強度增長率為13.39%，比未摻滑石粉的56 d 強度增長率高出1.30 %（表2）。由此可見，滑石粉摻入丙烯酸酯共聚乳液中可提高混凝土表面強度，且丙烯酸酯共聚乳液固含量10%、外摻硫酸鈉3 %和滑石粉3 %的混合溶液對混凝土表面強度的增強效果最優(yōu)。

2.4 成膜助劑和消泡劑摻量對高分子聚合物混凝土表面增強劑作用效果的影響

于國玲[9-10]等人研究表明：成膜助劑可有效改善乳膠粒子的黏聚性和流動性，提高成膜的速度；消泡劑可降低泡沫表面張力，抑制或消除泡沫產(chǎn)生，提高乳液的分散性和穩(wěn)定性。因此選擇將成膜助劑和消泡劑摻入高分子聚合物混凝土表面增強劑中，進一步分析其最優(yōu)配比。

首先，測定混凝土表面的初始回彈值，然后以表3 的B-2-2 為基礎(chǔ)配比溶液，考慮市場應用的經(jīng)濟性，向其分別摻入0.2 %、0.4 %、0.6 %的成膜助劑和消泡劑（成膜助劑和消泡劑摻量相同），將其涂抹在混凝土結(jié)構(gòu)試件的表面，分別測定其在自然條件下養(yǎng)護 1 d、7 d、14 d、28 d、56 d 時的混凝土回彈數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果如表4 和圖4 所示。

圖4 成膜助劑和消泡劑摻量對表面強度增長率的影響

表4 成膜助劑和消泡劑改性丙烯酸酯共聚乳液的混凝土表面回彈值

從圖4 可以看出，當涂抹10 %丙烯酸酯共聚乳液、摻入3 %硫酸鈉及3 %滑石粉，外摻不同摻量的成膜助劑和消泡劑時，其混凝土表面強度增長率隨著養(yǎng)護齡期的增加也逐漸上升。當成膜助劑和消泡劑的摻量均為0.6 %時，混凝土表面強度增長最為顯著，56 d 的強度增長率為16.48 %，比未摻成膜助劑和消泡劑的56 d 強度增長率高3.12 %（表3）。由此可見，成膜助劑和消泡劑摻入丙烯酸酯共聚乳液可提高混凝土表面強度。丙烯酸酯共聚乳液固含量10 %、硫酸鈉摻量3 %、滑石粉摻量3 %、成膜助劑和消泡劑的摻量0.6 %的混合溶液對混凝土表面強度的增強效果最優(yōu)。

3 結(jié) 論

通過回彈試驗研究了丙烯酸酯共聚乳液中加入不同摻量的硫酸鈉、滑石粉、成膜助劑和消泡劑等對混凝土表面強度的影響。試驗結(jié)果表明：摻入適量的硫酸鈉、滑石粉、成膜助劑和消泡劑可以有效提高混凝土的表面強度，高分子聚合物混凝土表面增強劑的最優(yōu)配合比為：10 %丙烯酸酯共聚乳液、3 %硫酸鈉、3 %滑石粉、0.6 %成膜助劑和0.6 %消泡劑。