聚合物砂漿基本性能試驗研究

吳祥海 張 強 許 輝 任國斌 丁 攀 郝金迎

（1.甘肅省公路事業(yè)發(fā)展中心，甘肅 蘭州 730070；2.云上甘肅科技有限公司，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅暢隴公路養(yǎng)護技術(shù)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070；4.陜西中盛道路養(yǎng)護工程技術(shù)有限公司，陜西 西安 710000）

0 前言

聚合物砂漿作為水泥基材料的一種復(fù)合材料，具有強度高、抗老化、耐久性好的特點[1]，同時又改善了高普通水泥砂漿強度低、黏結(jié)性差的問題，具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。

國內(nèi)外學(xué)者針對聚合物砂漿進行了大量的研究試驗，王培銘等人[3-4]研究表明丁苯乳液可以有效改善水泥砂漿力學(xué)性能，提高抗折強度。閆義等人[5]研究發(fā)現(xiàn)羧甲基纖維素鈉和礦物摻合料可以有效改善聚合物砂漿的抗裂性能；吳開勝等人[6-7]研究表明消泡劑可以有效提升丁苯乳液聚合物砂漿的力學(xué)性能，同時發(fā)現(xiàn)聚合物摻量越高，可以有效改善抗折強度和黏結(jié)強度，但不利于抗壓強度的發(fā)展。韓曉麗等人[8]進行了聚合物砂漿對裂縫、坑槽等病害處理技術(shù)研究，結(jié)果表明聚合物砂漿在公路維修養(yǎng)護具有良好的路用效果。張浩等人[9]通過研究發(fā)現(xiàn)纖維可以有效提升聚合物砂漿的力學(xué)性能，尤其是對人性的改善尤為顯著，并對其微觀增強增韌機理進行了分析。SHAKER[10]等人研究表明聚合物可以有效提升水泥砂漿的耐久性能和混凝土的耐腐蝕性能。該文在借鑒已有科研成果的基礎(chǔ)上，通過研究聚灰比對聚合物砂漿性能的影響規(guī)律，測試了丁苯乳液摻量和丙稀酸乳液摻量對聚合物砂漿的稠度、密度、黏結(jié)強度等性能的影響，為聚合物砂漿的制備和應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗原材料

水泥采用陜西冀東水泥盾石工程有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.042.5級普通硅酸鹽水泥；硅灰：實測密度為2.214 g/cm3，粒徑1 μm以下；丁苯乳液（SBR）：水乳溶液固體含量為47%；高效減水劑：聚羧酸系列高效減水劑，減水率大于25%；消泡劑：消泡劑為磷酸三丁酯；膨脹劑（UEA）：全稱U型混凝土膨脹劑，為鈣礬石型膨脹劑；砂采用標(biāo)準(zhǔn)砂，實測密度為2.63 g/cm3，SiO2含量大于96%。

1.2 試驗方法

具體方法如下。1）聚合物砂漿制備：根據(jù)配比設(shè)計，先將稱取好的聚合物、試驗用水以及減水劑倒入攪拌鍋中進行混合，待聚合物和水混合均勻后加入預(yù)先稱好的消泡劑、水泥和砂子進行攪拌，低速攪拌120 s后，轉(zhuǎn)高速攪拌60 s即可制得聚合物改性水泥砂漿。2）試件養(yǎng)護：常溫養(yǎng)護24 h脫模后，在溫度為20℃，濕度為90%的護箱中進行5 d的初養(yǎng)，再將試驗轉(zhuǎn)移到溫度為20℃，濕度為65%的養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護。3）性能測試：根據(jù)《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》（GBT 1346）和《聚合物改性水泥砂漿試驗規(guī)程》（DL/T5126）進行聚合物砂漿的密度和稠度測試，采用黏結(jié)強度檢測儀進行黏結(jié)性能測試。

1.3 試驗方案

試驗基礎(chǔ)配比為水泥∶級配砂∶硅灰∶膨脹劑∶消泡劑∶減水劑∶水=400∶500∶25∶15∶1∶2∶160。研究了丁苯乳液（SBR）不同摻量下對砂漿的密度和稠度的影響規(guī)律，同時也分別研究了砂灰比、聚灰比以及礦物摻合料對SBR聚合物砂漿的力學(xué)性能影響規(guī)律，具體配合比見表1。

表1 聚合物砂漿配合比（kg）

2 結(jié)果與討論

2.1 丁苯乳液對聚合物砂漿密度和稠度的影響

丁苯乳液（SBR）不同摻量（聚灰比為0%、5%、10%、15%）下對聚合物砂漿的密度和稠度影響結(jié)果如圖1、圖2所示。

由圖1可以看出，丁苯乳液對聚合物砂漿密度的影響規(guī)律為SR0>SR5>SR10>SR15，表現(xiàn)為SBR乳液摻量越多，聚合物砂漿的密度越小。聚灰比分別為0%、5%、10%和15%時，SR0、SR5、SR10和SR15這4組聚合砂漿的密度比分別為1.000、0.998、0.967和0.955。以SR0組不加聚合物的試驗組為對照組，SR5、SR10和SR15這3組的密度比下降率分別為0.2%、3.3%和4.5%。結(jié)合圖1中的曲線規(guī)律可以得出聚灰比對密度比下降率的影響規(guī)律：當(dāng)聚灰比小于等于5%時，SBR聚合物砂漿的密度下降率較小，對砂漿密度的影響程度較低；當(dāng)聚灰比大于5%，小于10%時，SBR聚合物砂漿的密度下降率最大，對砂漿密度的影響程度最高，整體呈現(xiàn)為兩端下降率低、中間下降率高的趨勢。這主要是因為和SR0空白對照組相比，SR5、SR10和SR15這3組加入SBR聚合物后，會在拌合過程中引入一定的氣泡，存在于砂漿基體中，所以降低了砂漿的密度。

圖1 丁苯乳液對聚合物砂漿密度的影響

由圖2可以看出，丁苯乳液對聚合物砂漿稠度的影響規(guī)律為SR0

圖2 丁苯乳液對聚合物砂漿稠度的影響

通過數(shù)據(jù)曲線擬合分析發(fā)現(xiàn)，聚灰比與聚合物砂漿的密度和稠度之間具有良好的相關(guān)性，曲線均符合公式（1）的線性關(guān)系。

式中：a、b均為常數(shù)。

SBR聚合物對聚合物砂漿密度和稠度的擬合公式的相關(guān)系數(shù)見表2。由圖1、圖2、表2中相的關(guān)系數(shù)可以看出聚合物砂漿的密度與聚灰比呈負(fù)相關(guān)性，稠度與聚灰比呈正相關(guān)性。

表2 SBR聚合物砂漿密度線性擬合相關(guān)系數(shù)

2.2 砂灰比對聚合物砂漿黏結(jié)性能的影響

不同砂灰比（砂灰比為1.0、1.5、2.0、2.5）對聚合物砂漿抗壓強度、抗折強度和黏結(jié)強度的影響結(jié)果如圖3～圖5所示。

由圖3、圖4可以看出，7 d、28 d齡期下，砂灰比對聚合物砂漿抗壓強度和抗折強度的影響規(guī)律一致，砂灰比越大，抗壓強度和抗折強度越低，整體規(guī)律呈現(xiàn)為SS1>SS2>SS3>SS4。根據(jù)圖4可知，SS1、SS2、SS3和SS4這4組28 d抗壓強度分別為53.9 MPa、43.3 MPa、38.8 MPa和34.8 MPa。以SS1組為對照組，SS2、SS3和SS4這3組抗壓強度分別降低了19.7%、28.0%和35.4%。根據(jù)圖5可知，SS1、SS2、SS3和SS4這4組28 d抗折強度分別為12.4 MPa、12.1 MPa、10.8 MPa和10.1 MPa。以SS1組為對照組，SS2、SS3和SS4這3組抗折強度分別降低了2.4%、12.9%和18.5%。這主要是因為隨著砂灰比增大，單位體積內(nèi)的水泥用量降低，生成的水化產(chǎn)物較少，所以導(dǎo)致強度下降。

圖3 砂灰比對聚合物砂漿抗壓強度的影響

圖4 砂灰比對聚合物砂漿抗折強度的影響

根據(jù)圖5可知，SS1、SS2、SS3和SS4這4組7d、28d黏結(jié)強度分別為2.71MPa、2.82MPa、2.41MPa、2.23MPa、3.73MPa、2.95MPa、3.13MPa和3.22MPa。以SS1組為對照組，7d齡期時SS2組的黏結(jié)強度增加4.1%，SS3、SS4這2組的黏結(jié)強度分別下降了11.1%、17.7%；28d齡期時，黏結(jié)強度分別下降了20.9%、16.1%和13.7%。由此可以看出，不同齡期下，砂灰比對聚合物砂漿的黏結(jié)性能影響規(guī)律不一致。7d齡期時，聚合物砂漿的黏結(jié)強度隨著砂灰比的增大呈先增大、后減小的規(guī)律；28d齡期時，聚合物砂漿的黏結(jié)強度隨著砂灰比的增大呈先減小、后增大的規(guī)律。

圖5 砂灰比對復(fù)合改性砂漿黏結(jié)強度的影響

2.3 硅灰對SBR復(fù)合改性聚合物砂漿黏結(jié)性能的影響

不同硅灰摻量對聚合物砂漿抗折強度和黏結(jié)強度影響結(jié)果如圖6～圖7所示。

由圖6可以看出，7 d、28 d齡期下，硅灰對聚合物砂漿抗折強度的影響規(guī)律一致，隨摻量的增加，聚合物砂漿的抗折強度均呈先增大、后降低的趨勢，整體規(guī)律呈現(xiàn)為SH2>SH1>SH3>SH4。SH1、SH2、SH3和SH4這4組28 d抗折強度分別為10.4 MPa、11.2 MPa、9.8 MPa和8.1 MPa。以SH1組為對照組，SH2組的抗壓強度增加了7.7%，SH3、SH4這2組的抗壓強度分別降低了5.7%、22.1%。這表明摻入一定范圍的硅灰可以有效改善聚合物砂漿的抗壓性能和抗折性能，這主要是因為硅灰的顆粒粒徑更細(xì)，可以更好地填充水泥石里面的微小孔隙，提高其密實度，進而使強度增高。

圖6 硅灰對聚合物砂漿抗折強度的影響

根 據(jù) 圖7可 知，SH1、SH2、SH3和SH4這4組7d、28d黏結(jié)強度分別為3.01MPa、2.90MPa、1.92MPa、2.43MPa、3.91MPa、3.97MPa、3.88MPa和3.72MPa。以SH1組為對照組，7d齡期時SH2、SH3和SH4這3組的抗壓強度分別降低了3.6%、36.2%和19.3%；28d齡期時SS2組的黏結(jié)強度增加1.5%，SS3、SS4這2組的黏結(jié)強度分別下降了0.7%、4.9%。由此可得硅灰的摻入降低了聚合物砂漿的早期強度，但在一定摻量范圍內(nèi)可以有效提升聚合物砂漿的后期強度。

圖7 硅灰對聚合物砂漿黏結(jié)強度的影響

3 結(jié)論

通過對聚合砂漿稠度、密度、抗壓、抗折以及黏結(jié)強度的影響分析，得到以下結(jié)論：1）隨著聚灰比的增加砂漿的密度逐漸減小，聚灰比越大砂漿密度越小；隨著聚灰比的增加砂漿的稠度逐漸增大，聚灰比越大砂漿稠度越大；聚合物砂漿的密度與聚灰比呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，稠度與聚灰比呈現(xiàn)正相關(guān)性。2）不同齡期下聚合物對砂漿黏結(jié)強度的影響規(guī)律不完全相同，7 d齡期時隨著聚灰比的增大，黏結(jié)強度呈減小趨勢。28 d齡期時隨著聚灰比的增大，黏結(jié)強度呈現(xiàn)增加趨勢。3）砂灰比對聚合物砂漿抗壓強度和抗折強度的影響規(guī)律一致，砂灰比越大，抗壓強度和抗折強度越低。不同齡期下，砂灰比對聚合物砂漿的黏結(jié)性能影響規(guī)律不一致。7 d齡期時，聚合物砂漿的黏結(jié)強度隨砂灰比的增大呈先增大、后減小的規(guī)律；28 d齡期時，聚合物砂漿的黏結(jié)強度隨砂灰比的增大呈先減小、后增大的規(guī)律。4）一定摻量范圍內(nèi)的硅灰可以有效改善聚合物砂漿的抗折強度和黏結(jié)強度。