高性能聚丙烯酸酯乳液改性修補砂漿性能研究

李龍梓，鄧建良，濮琦

（蘇州混凝土水泥制品研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

近年來，國內(nèi)的許多道路和建筑物在使用過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題，如蜂窩麻面、空洞、大面積損壞等。一般是采用普通混凝土或砂漿作為修補材料,但普通混凝土或砂漿粘結(jié)強度低，將其用于混凝土修補,容易造成界面粘結(jié)不牢、開裂從而導致混凝土易被再度損壞等問題。

在建筑、交通、水利等工程領(lǐng)域中，聚合物改性砂漿以其多種優(yōu)異的性能得到廣泛應(yīng)用。普通水泥砂漿因抗折強度低、干縮變形大、抗?jié)B性、抗裂性和耐腐蝕性差，嚴重制約了其在更大的工程范圍中的應(yīng)用。與普通砂漿相比，聚合物改性砂漿不僅具有水泥基材料的強度高、耐久性好、抗老化性能好等特點，還具有粘結(jié)強度高、韌性好、抗沖擊性能好等特點。但由于各種聚合物自身的性能差異，其對水泥砂漿的改性機理也不相同，因此，需要對具體的情況進行針對性研究。

1 試驗

1.1 原材料

試驗所采用的原材料種類及性能指標如下：

（1）水泥：采用盤固水泥股份有限公司生產(chǎn)的PII 52.5水泥；

（2）砂：細度模數(shù) 2.92；

（3）聚丙烯酸酯乳液性能見表1；

（4）減水劑，消泡劑等。

表1 聚丙烯酸酯乳液的性能指標

1.2 測試方法

（1）抗折、抗壓強度試驗參照GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢測方法》進行測試。

（2）抗拉強度測定試驗參照JGJ/T 230-2007《預(yù)拌砂漿》。

（3）收縮率和流動性測定試驗參照 DL/T 5126-2001《聚合物改性水泥砂漿試驗規(guī)程》的規(guī)定進行。

1.3 養(yǎng)護制度

試件按標準要求成型后，在（20±1）℃條件下養(yǎng)護 24 h，然后編號、拆模，然后放入溫度（20±1） ℃的干養(yǎng)護室中養(yǎng)護。

2 試驗內(nèi)容及數(shù)據(jù)分析

試驗設(shè)定的膠砂比為1:1、1:1.5和1:2，聚膠比設(shè)定為0、10%、15%和20%，通過正交分析確定試驗組數(shù)，用水量通過控制砂漿的塌落度來調(diào)整。

2.1 硅酸鹽水泥與快硬硫鋁酸鹽水泥復(fù)合對凝結(jié)時間的影響（圖 1，2）

圖1 3 d抗壓強度

圖2 28 d抗壓強度

由圖1，2可知，當灰砂比相同時，隨著乳液摻量增大，砂漿的抗壓強度逐漸減??；砂漿的早期強度降低比較明顯；灰砂比不同時：灰砂比越大，砂漿的強度降低越大。

在水泥基材料中，膠凝材料水化是提供材料強度的最主要來源。而乳液主要依靠成膜來發(fā)揮作用。乳液在失水的過程中逐漸成膜，包裹在膠凝材料的表面，阻礙膠凝材料與水的接觸，導致部分膠凝材料無法完成水化反應(yīng)，從而會降低砂漿的抗壓強度。砂漿中的乳液含量越高，這種阻礙膠凝材料反應(yīng)的作用就會越明顯，砂漿的強度會越低。在水化反應(yīng)的早期，水泥的水化反應(yīng)最劇烈，膠凝材料對水的需求最迫切，其受到乳液成膜的影響最大。隨著凝期的逐漸增大，部分水會通過乳液膜或毛細孔與被包裹的膠凝材料反應(yīng)，使部分未水化的膠凝材料繼續(xù)反應(yīng)，使后期強度繼續(xù)增高。

2.2 乳液不同摻量對修補砂漿的抗折強度影響（圖3，4）

圖3 3 d抗折強度

圖4 28 d抗折強度

由圖3可知：隨著乳液的摻量增加，砂漿的抗折強度逐漸降低。砂漿的膠砂比為1:2時，其抗折強度降低最為顯著；由圖4可知，在28 d時，隨著乳液摻量的增大，試樣的抗折強度逐漸增大。當灰砂比為1:2時，試樣的抗折強度最高。

在反應(yīng)早期，膠凝材料水化反應(yīng)不充分，試樣的抗折強度較低。乳液成膜后會降低水化的速率，乳液摻量越高反而會越不利于抗折強度提高。與此同時，試樣中含有大量水分，乳液膜并不具備足夠的強度和韌性，對抗折強度沒有較大的作用。在早期，試樣的抗折強度大小幾乎完全取決于膠凝材料水化產(chǎn)物的強度。因此，砂漿的灰砂比越小，試樣的抗折強度越低。在28 d時，聚合物膜在砂漿的內(nèi)部形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能顯著地提高砂漿的抗折強度。在一定的范圍內(nèi)，乳液的摻量越大，砂漿的韌性會越大。

2.3 乳液不同摻量對修補砂漿的粘結(jié)強度影響（圖5）

圖5 28 d粘結(jié)強度

由圖5可知：在一定范圍內(nèi)，隨著乳液摻量增大，試樣的粘結(jié)強度逐漸增大?；疑氨葹?:2時，其粘結(jié)強度最大。根據(jù)Ohama模型，摻入聚合物后，聚合物顆粒沉積在水泥水化產(chǎn)物的表面，并逐步形成連續(xù)聚合物膜。聚合物砂漿和粘結(jié)實驗基板是兩種不同材質(zhì)，是最薄弱的環(huán)節(jié)，最容易產(chǎn)生破壞。聚合物膜分散在砂漿內(nèi)水泥漿體與骨料的界面處，消除了界面結(jié)構(gòu)疏松現(xiàn)象，提高了界面結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強度。同時，聚合物膜會增強砂漿與試驗基材的附著力，使界面的粘結(jié)更加牢靠。因此，在一定的范圍內(nèi)，砂漿的粘結(jié)力會隨著乳液摻量的增大而增大。另外,砂漿在水泥水化后形成剛性骨架,而在骨架內(nèi)聚合物形成的薄膜具有活動接頭的功能,可以保證剛性骨架的彈性和韌性,所以細骨料有機聚合物還可以改善砂漿的粘結(jié)強度。

2.4 乳液不同摻量對修補砂漿收縮性能的影響

由圖6～8可知，乳液的摻入可以有效地降低砂漿的收縮率。隨著乳液摻量的增大，砂漿的收縮率逐漸降低。隨著砂漿的灰砂比增大，乳液降低砂漿收縮率的效果越明顯。

圖6 灰砂比1∶1的收縮率

圖7 灰砂比為1∶1.5的收縮率

圖8 灰砂比為1：2的收縮率

在水泥的水化過程中，由于乳液水分的喪失，形成空間網(wǎng)絡(luò)狀的聚合物微纖維，填充了水泥漿中的較大孔隙，起到了“微纖維的作用”，限制了砂漿的收縮。此外，在砂漿內(nèi)部形成的分散在水化產(chǎn)物和骨料之間的“聚合物薄膜”減少了水泥水化硬化產(chǎn)生的微裂紋。當聚合物乳液摻量繼續(xù)增加時，其形成的“聚合物薄膜”更加完整，這將顯著提高水泥砂漿的干縮性能。

3 結(jié)論

通過研究不同摻量乳液對砂漿的性能影響得到如下幾條結(jié)論：

（1）聚合物乳液的摻入會降低砂漿的抗壓強度，對早期的抗壓強度影響尤為明顯。砂漿的灰砂比越大，聚合物的摻量越高，對砂漿抗壓強度的影響越大。

（2）聚合物乳液的摻入會降低砂漿的早期抗折強度，但會顯著增加后期的抗折強度?；疑氨葹?:2時，試樣的抗折強度最高。

（3）在一定范圍內(nèi)，隨著乳液摻量增大，試樣的粘結(jié)強度逐漸增大?；疑氨葹?:2時，其粘結(jié)強度最大。

（4）乳液的摻入可以有效地降低砂漿的收縮率。隨著乳液摻量的增大，砂漿的收縮率逐漸降低。隨著砂漿的灰砂比增大，乳液降低砂漿收縮率的效果越明顯。