聚合物對水泥基材料防水和韌性影響的研究*

趙明哲 唐 雷 陳李峰 唐龍龍 宋建桓 莊 強

(1.中交第三公路工程局有限公司 北京 101300; 2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司 南京 210000；3.南京市華路工程設(shè)計有限公司 南京 210000)

隨著復(fù)合材料研究及發(fā)展的不斷深入，聚合物改性水泥基材料的應(yīng)用和性能不斷增多和提高。聚合物乳液在水泥基材料中通過乳化劑作用，聚合物顆粒均勻分散于水基或油基的介質(zhì)中形成的一種乳液狀聚合物。目前最常用的幾類乳液主要有：環(huán)氧系乳液、丁苯乳液、丙烯酸系乳液和醋酸乙烯系乳液等。N.Ukrainczyk等[1]采用苯乙烯丁二烯膠乳改性水泥砂漿，其抗壓和抗彎強度隨聚合物摻入均有所提高。高培偉等[2]研究了苯乙烯丙烯酸乳液改性水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該乳液具有良好的成膜性和穩(wěn)定性，能滲透到水泥基材料孔隙中，提高其致密性。不同聚合物對水泥基材料性能影響不同[3-5]。

在此基礎(chǔ)上，本文將研究有機硅丙烯酸酯(G)、水性環(huán)氧樹脂(H)和丙烯酸乳液(X)3種聚合物對水泥基材料物理和力學(xué)性能的影響，為其在工程上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

普通硅酸鹽水泥P·O 42.5來自南京某水泥企業(yè)；微硅粉和聚羧酸類高效減水劑(固含量為40%)均來自南京材料生產(chǎn)商；消泡劑磷酸丁酯TBP來自青島；有機硅丙烯酸乳液來自河南某材料生產(chǎn)企業(yè)，固含量為48%；水性環(huán)氧乳液來自青島，固含量為50%；丙烯酸乳液來自河南材料企業(yè)，固含量43%。

1.2 試驗方案與方法

根據(jù)課題組前期研究成果，將3種有機聚合物乳液摻入水泥基材料中，測試其物理和力學(xué)性能，表1為摻不同聚合物下各組的聚灰比。其中，水灰比固定為0.55，微硅粉摻量(質(zhì)量分數(shù)，下同)為10%，減水劑摻量為1.2%。

表1 每組試驗的聚灰比

1.2.1物理性能測試

選擇高度為60 mm，上、下口內(nèi)徑分別為70、100 mm的錐形試模進行測試。將錐形測試模具潤濕，水平放置在玻璃板上，將新鮮混合的漿液倒入模具中刮平，然后垂直提起錐形試驗?zāi)＞?，使?jié){液在玻璃板表面上自由流動30 s，測量2個垂直方向的最大直徑，取其平均值作為流動性指標(biāo)。

選擇40 mm×40 mm×160 mm的試模進行成型，成型后放入(60±2)℃烘箱中養(yǎng)護48 h再取出冷卻至室溫，拆模稱量試件的重量，記為G0；將試件浸入(20±2)℃水中2 d后將其取出并擦干，稱量試件重量，記為G1，根據(jù)式(1)算出試件吸水率WA。

WA=(G1-G0)/G0×100%

(1)

式中：G1為吸水后重量，g；G0為吸水前干重，g；WA為試件吸水率，%。

1.2.2力學(xué)性能測試

選擇40 mm×40 mm×160 mm試樣進行摻聚合物材料抗折與抗壓強度試驗，抗折強度每組3個樣本，取平均值，抗折強度fb根據(jù)式(2)算出。

fb=1.5PL/b3

(2)

式中：fb為抗折強度，MPa；P為極限荷載，N；L為2個支點間距離，mm；b為樣品橫截面邊長，mm。

抗壓強度測試使用抗折測試后的試件，每組有6個樣本，取4個平均值，抗壓強度fc根據(jù)式(3)計算。

fc=P/S

(3)

式中：fc為抗壓強度，MPa；P為極限荷載，kN；S為壓縮面積，mm2。

彎壓比γ根據(jù)式(4)計算。

γ=fb/fc

(4)

1.2.3微觀分析

采用掃描電子顯微鏡(SEM)可以對比觀察試樣的微觀形貌，直觀清晰地了解材料的孔隙結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分的變化情況，研究其固化過程和機理及其對材料力學(xué)性能、流動度的影響，為摻聚合物水泥基材料的應(yīng)用提供理論支撐。

切下少許試樣，在無水乙醇中浸泡3 d進而終止水化，然后取出放入60 ℃的烘箱中干燥48 h。測試前，在觀察面上噴涂金屬粉末，并使用JSM-6510高分辨率掃描電子顯微鏡進行圖像掃描分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物對水泥基材料流動性和吸水率的影響

摻聚合物水泥基材料流動性見圖1。由圖1可見，與未摻聚合物的對照組(A)相比，摻H的水泥基材料的流動性有所提高，而摻G和X的水泥基材料流動性均有不同程度的下降。從各組的流動性來看，摻H的水泥基材料的流動性隨聚灰比的增加而呈增大趨勢，而摻G和X的水泥基材料流動性隨聚灰比增加而緩慢減小，從改善水泥基材料流動性角度來看，摻H的流動性能最好。

圖1 摻聚合物水泥基材料流動性

根據(jù)試驗結(jié)果和式(1)進行計算，得到摻聚合物水泥基材料吸水率見圖2。

圖2 摻聚合物水泥基材料吸水率

由圖2可見，摻聚合物后，水泥基材料的吸水率明顯降低，并隨聚灰比增加而逐漸降低，然后趨于穩(wěn)定。其中，摻H的水泥基材料吸水率最低，遠低于未摻聚合物的對照組(A)，摻G的次之，摻X的水泥基材料吸水率最高，說明了摻水性環(huán)氧水泥基材料的防水性最好；此外，當(dāng)聚灰比為0.15時，摻聚合物水泥基材料的吸水率基本達到最低，其中摻水性環(huán)氧水泥基材料的吸水率比未摻的降低了約61.8%，當(dāng)聚灰比繼續(xù)增加時，吸水率變化不大，因此，最佳吸水率的聚灰比約為0.15。

這是因為聚合物乳液可產(chǎn)生絮凝產(chǎn)物，包裹水泥水化產(chǎn)物，填充水泥基材料空隙，增強基體的致密性，聚合物固化成膜后，在漿液內(nèi)部形成致密的膠結(jié)層，吸水率降低。

2.2 聚合物對水泥基材料力學(xué)性能的影響

摻聚合物水泥基材料力學(xué)性能見圖3。由圖3a)可見，水泥基材料的抗壓強度隨著聚合物的摻入均有所降低，其中摻H的水泥基材料的抗壓強度降低最小，其次是摻G水泥基材料，摻X水泥基材料抗壓強度降低得最大。摻3種聚合物水泥基材料抗壓強度最大損失率分別是摻H的19.0%，摻G和摻X下降最大分別為30.3%和41.5%，從摻聚合物材料的抗壓強度的角度看，摻水性環(huán)氧的性能最好，其次是有機硅丙烯酸乳液和丙烯酸乳液。

圖3 摻聚合物水泥基材料力學(xué)性能

由圖3b)可見，不同聚合物對水泥基材料的抗折強度影響不同，其中摻H的水泥基材料的抗折強度增加，并隨聚灰比增加而增加，最后趨于穩(wěn)定；摻G和X的水泥基材料抗折強度均低于未摻的，并隨聚灰比增加略有降低，最后也趨于穩(wěn)定，其中摻X的水泥基材料抗折強度降低較大。當(dāng)聚灰比為0.15時，與未摻聚合物相比，摻H的水泥基材料28 d抗折強度提高了16.6%，摻G和X的水泥基材料的抗折強度分別降低了4.1%和23.5%。從抗壓與抗折強度的角度來看，摻水性環(huán)氧的水泥基材料性能最好。

彎壓比的指數(shù)用于檢驗每種聚合物乳液對改善水泥基材料的柔韌性影響，根據(jù)試驗結(jié)果和式(4)進行計算，每種聚合物乳液的水泥基材料的彎壓比見圖4。

圖4 摻聚合物乳液水泥基材料的彎壓比

由圖4a)可見，摻3種類型的聚合物乳液水泥基材料的彎壓比隨聚灰比的增加而顯著增加，然后都趨于穩(wěn)定。摻H和G的水泥基材料在聚灰比為0.20時達到峰值，而摻X的水泥基材料在聚灰比為0.10達到峰值。其中，摻水性環(huán)氧水泥基材料的彎壓比更為突出，在聚灰比為0.20時，摻水性環(huán)氧水泥基材料的彎壓比比未摻的提高了40.8%。

由圖4b)可見，聚灰比為0.15時，摻3種聚合物水泥基材料和未摻的彎壓比隨時間增長而降低，但各個養(yǎng)護齡期摻H和G的水泥基材料都比未摻的高很多。

由圖4可見，3種聚合物乳液對改善水泥基材料的柔韌性具有顯著作用，從彎壓比的角度來看，摻水性環(huán)氧的水泥基材料的效果最佳。

2.3 SEM分析

摻與未摻聚合物水泥基材料的SEM形貌，見圖5。

由圖5a)可見，在未摻聚合物水泥基材料樣品SEM電子顯微圖中，可清楚地看到內(nèi)部存在大量的孔和毛細洞，有未水化的水泥顆粒，孔隙較大，水泥基材料不致密。由圖5b)可見，摻水性環(huán)氧乳液水泥基材料測試樣品的SEM電子顯微鏡下，可清楚地看到內(nèi)部孔和毛細管通道數(shù)量減少，并且孔較小。

由圖5c)與圖5d)可見，摻有機硅丙烯酸乳液和摻丙烯酸乳液的效果與水性環(huán)氧乳液相近，減少了水泥的孔隙數(shù)量與尺寸，但密實效果沒有摻水性環(huán)氧的好。與摻水性環(huán)氧的相比較，微觀下還能明顯看到較大的孔洞?？椎某叽缭趲资{米至幾十微米之間，聚合物顆粒的尺寸在幾微米至幾十微米之間，聚合物顆粒填充產(chǎn)物的孔隙，并在水化產(chǎn)物的表面上形成連續(xù)的聚合物膜，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密，有利于改善材料的抗?jié)B和抗侵蝕等性能。

圖5 摻與未摻聚合物水泥基材料的SEM形貌

3 結(jié)論

不同聚合物對水泥基材料的流動性和吸水性影響不同，其中水性環(huán)氧可改善水泥基材料的流動性，而有機硅丙烯酸乳液和丙烯酸乳液無法改善水泥基材料的流動性；摻3種聚合物乳液均會降低水泥基材料的吸水率，明顯地改善水泥基材料的防水性能。

不同的聚合物對水泥基材料的力學(xué)性能影響不同，摻加聚合物乳液，通常會降低水泥基材料的抗壓和抗折強度，但水性環(huán)氧乳液可提高水泥基材料的抗折強度，摻聚合物乳液均可提高水泥基材料的韌性。

從微觀結(jié)構(gòu)的來看，摻聚合物水泥基材料通過形成連續(xù)的聚合物膜，使材料內(nèi)部具有更致密的微觀結(jié)構(gòu)，有利于改善材料的抗?jié)B和抗侵蝕等性能。