環(huán)氧樹(shù)脂乳液改性水泥砂漿的力學(xué)強(qiáng)度與體積穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

李俠，劉志杭，于曉晴，劉芝敏，張愛(ài)勤*

(1.威海市公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山東威海 2642001；2.山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250357;3.山東省高校路面結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250357)

水工混凝土構(gòu)筑物在設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)受到各種物理和化學(xué)侵蝕作用，產(chǎn)生各種缺陷，造成混凝土構(gòu)筑物開(kāi)裂與剝落，嚴(yán)重影響工程安全與使用性能。因此，及時(shí)對(duì)水工混凝土構(gòu)筑物的缺陷進(jìn)行修補(bǔ)與防護(hù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。

聚合物改性水泥砂漿是在普通水泥砂漿中加入聚合物作為改性劑，攪拌成型而形成的新型復(fù)合材料，已逐漸成為混凝土構(gòu)筑物常用的一類新型修補(bǔ)材料[4-5]。由于聚合物種類不同，性質(zhì)有所差異，經(jīng)不同種類聚合物改性后水泥砂漿的性能及聚合物的最佳摻配比例也不盡相同。例如，聚合物摻量小于水泥用量的15%時(shí)，丁苯(SBR)乳液改性水泥砂漿抗壓強(qiáng)度無(wú)明顯變化，而抗折強(qiáng)度得到明顯改善[6]；而摻SPC(special polymer for cement,主要成分為丙烯酸酯和乙烯-醋酸乙烯共聚物)乳液的砂漿，抗壓與抗折強(qiáng)度隨乳液摻量的增加均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。

本試驗(yàn)選用環(huán)氧樹(shù)脂乳液作為水泥砂漿改性劑，采用外摻[7-8]環(huán)氧樹(shù)脂乳液的方法對(duì)水泥砂漿進(jìn)行改性，研究聚合物摻量對(duì)聚合物改性水泥砂漿力學(xué)性能的影響，并分析環(huán)氧樹(shù)脂乳液對(duì)水泥砂漿的改性機(jī)理。

1 環(huán)氧樹(shù)脂乳液

選擇聚合物的種類對(duì)提高聚合物改性水泥砂漿的力學(xué)性能非常重要。研究表明：經(jīng)苯乙烯-丙烯酸(SAE)乳液改性后的水泥砂漿的抗折強(qiáng)度得到明顯提高[9]；采用氯丁膠乳作為砂漿材料改性劑，可使改性后的水泥砂漿抗折強(qiáng)度提高約60%，但隨氯丁膠乳摻量的增加抗壓強(qiáng)度明顯下降；經(jīng)聚偏二氯乙烯(PVDC)改性后的水泥砂漿抗壓與抗折強(qiáng)度均得到顯著提高，且收縮率為普通水泥砂漿的60%左右[10]。

環(huán)氧樹(shù)脂乳液改性水泥砂漿是聚合物改性砂漿的一種。環(huán)氧樹(shù)脂乳液通過(guò)在環(huán)氧樹(shù)脂分子鏈中引入親水性分子鏈段的方法，使其能以微粒的形式在水中形成穩(wěn)定分散體系，且其物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)含量低、氣味小、使用安全并可用水清洗，同時(shí)可在堿性、潮濕等惡劣環(huán)境中進(jìn)行固化反應(yīng)成膜，便于施工[11-12]。試驗(yàn)研究采用A829型環(huán)氧樹(shù)脂乳液，使用時(shí)搭配胺類固化劑使用，其主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 環(huán)氧樹(shù)脂乳液的主要性質(zhì)

2 力學(xué)性能指標(biāo)

2.1 水泥砂漿試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)研究采用的原材料主要有：環(huán)氧樹(shù)脂乳液；P.O 42.5普通硅酸鹽水泥水泥；河砂，細(xì)度模數(shù)為3.2，屬于粗砂；消泡劑，環(huán)氧樹(shù)脂乳液黏度較大，在快速攪拌過(guò)程中容易帶入大量空氣，制備環(huán)氧樹(shù)脂乳液改性砂漿時(shí)加入消泡劑，可以有效減少砂漿內(nèi)的氣泡。試驗(yàn)采用聚合物改性水泥砂漿，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為M30，稠度為60 mm，經(jīng)配合比設(shè)計(jì)與試驗(yàn)確定水灰質(zhì)量比為0.6，環(huán)氧樹(shù)脂乳液與胺類固化劑的質(zhì)量比為1：0.1。聚合物改性水泥砂漿中環(huán)氧樹(shù)脂乳液與水泥的質(zhì)量比(以下簡(jiǎn)稱環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻量)分別為0、5%、10%、15%、20%，消泡劑摻量為水泥用量的1.5%。在配制聚合物改性水泥砂漿時(shí)應(yīng)減去環(huán)氧樹(shù)脂乳液相應(yīng)的含水量，水灰比保持不變。設(shè)計(jì)確定試驗(yàn)研究采用基準(zhǔn)配合比為：m(水泥)：m(砂)：m(水)=45：145：27。

2.2 力學(xué)強(qiáng)度

依據(jù)以上聚合物改性水泥砂漿配合比，確定力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)方案，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件及養(yǎng)護(hù)齡期為7、28 d時(shí)分別測(cè)試抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度[13]。針對(duì)不同的環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻量，繪制聚合物改性水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果曲線，如圖1所示。

a)抗壓強(qiáng)度 b)抗折強(qiáng)度圖1 環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻量與聚合物改性水泥砂漿的強(qiáng)度關(guān)系

由圖1可知，養(yǎng)護(hù)齡期為7、28 d時(shí)，聚合物改性水泥砂漿的力學(xué)強(qiáng)度變化規(guī)律基本一致。在圖1a)中，聚合物改性水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度隨乳液摻量增加呈下降變化，且當(dāng)摻量小于10%時(shí)，下降較緩慢；當(dāng)超過(guò)10%時(shí)，下降梯度較大；當(dāng)摻量為20%時(shí)抗壓強(qiáng)度較普通水泥砂漿平均下降了18.5%?？梢?jiàn)，乳液摻量小于10%對(duì)聚合物改性水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度影響較小。由圖1b)知，聚合物改性水泥砂漿的抗折強(qiáng)度隨環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻量的增加呈先增加后下降變化趨勢(shì)。環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻量小于10%時(shí)，抗折強(qiáng)度隨乳液摻量的增加而增大，并在乳液摻量等于10%時(shí)達(dá)到最大；養(yǎng)護(hù)28 d的聚合物改性水泥砂漿的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)速度比養(yǎng)護(hù)7 d的快，之后隨乳液摻量的增加呈下降趨勢(shì)。當(dāng)乳液摻量為20%時(shí)，聚合物改性水泥砂漿的抗折強(qiáng)度較普通水泥砂漿低，下降率約為6%。因此，環(huán)氧樹(shù)脂乳液對(duì)聚合物改性水泥砂漿的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)更有利。

3 體積穩(wěn)定性

采用立式砂漿收縮儀對(duì)40 mm×40 mm×160 mm的聚合物改性水泥砂漿試件進(jìn)行體積干縮性試驗(yàn)。試件養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為50%，在養(yǎng)護(hù)齡期分別為1、3、7、14、28、56、90 d時(shí)對(duì)試件進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量與干縮率計(jì)算，干縮率

(1)

式中：L0為試件初始測(cè)量長(zhǎng)度，mm；Lr為試件某養(yǎng)護(hù)齡期后的測(cè)量長(zhǎng)度，mm；L為試件的有效長(zhǎng)度，L=160 mm。

由式(1)計(jì)算不同環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻量條件下聚合物改性水泥砂漿收縮率，如圖2所示。

圖2 不同環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻量的聚合物改性水泥的砂漿收縮率

由圖2可知，普通水泥砂漿與聚合物改性水泥砂漿的收縮率都隨養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)而增加。當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻量增加時(shí)，聚合物改性水泥砂漿的收縮率增長(zhǎng)變慢，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻量大于15%時(shí)，其收縮率的增長(zhǎng)速率明顯下降，并在養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)趨于平緩。養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，收縮率隨環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻量的增加而減小。當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻量為10%時(shí)，聚合物改性水泥砂漿的收縮率明顯下降，其中養(yǎng)護(hù)齡期為28、90 d時(shí)收縮率分別較普通水泥砂漿下降37%與22%；乳液摻量為15%～20%時(shí)，收縮率降低幅度較小，其中環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻量為15%，養(yǎng)護(hù)齡期為28、90 d的收縮率較普通水泥砂漿下降60%與50%。由此可見(jiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂乳液可有效改善聚合物改性水泥砂漿的收縮性。

4 改性水泥砂漿的改性機(jī)理

普通水泥砂漿是一種多相非均質(zhì)體系，內(nèi)部存在大量孔隙，砂作為惰性填料存在于其中，顆粒大小不一，僅依靠水泥水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用將其黏結(jié)形成整體。因此，水泥砂漿屬于非鏈狀剛性空間骨架結(jié)構(gòu)，其變形能力低，在宏觀上表現(xiàn)出脆性和多孔性[14]。

環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻入水泥砂漿后可有效減少內(nèi)部孔隙，并對(duì)裂紋起黏結(jié)作用，有效遏制微裂紋在砂漿中的擴(kuò)散，消除了裂紋末端的應(yīng)力集中，提高了砂漿的密實(shí)性。環(huán)氧樹(shù)脂乳液在水泥漿體與集料之間形成高黏度膜，能提高水泥砂漿的變形能力，并使其從原有的多孔體系變成較致密整體，環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿成為剛?cè)峒婢叩目臻g網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于水泥強(qiáng)度的提高[15-16]。隨著環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻量的增加，乳液顆粒在水泥水化產(chǎn)物處不斷聚集穿叉，相互交聯(lián)。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，水泥砂漿逐漸失水而使聚合物形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將砂粒與水化產(chǎn)物緊密包裹從而形成復(fù)合整體，增強(qiáng)水泥石內(nèi)部結(jié)晶體之間的黏結(jié)力，進(jìn)一步提高水泥砂漿的拉應(yīng)力[17]，從而改善聚合物水泥砂漿的抗折強(qiáng)度[18-19]。因此，在環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻量為5%時(shí)，聚合物改性水泥砂漿的抗折強(qiáng)度顯著提高。

環(huán)氧樹(shù)脂乳液彈性模量較小，在水泥砂漿中不能形成剛性支架，因而在環(huán)氧樹(shù)脂摻量小于10%時(shí)，聚合物水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度變化不大；當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻量達(dá)到10%以后，水泥砂漿內(nèi)部孔隙不能再被乳液顆粒填充，不能繼續(xù)起到提高抗壓強(qiáng)度的作用，因此聚合物改性水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度明顯下降。

環(huán)氧樹(shù)脂乳液在水泥砂漿固化后形成有機(jī)膠膜穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，具有骨架作用，從而在一定程度上抑制了水泥水化過(guò)程中的體積收縮現(xiàn)象[20]；同時(shí)，在水泥砂漿中摻入環(huán)氧樹(shù)脂乳液后，可以形成密閉小孔，同樣有利于降低水泥砂漿的收縮率[21-22]。

5 結(jié)論

1)與普通水泥砂漿相比，環(huán)氧樹(shù)脂乳液的摻入使聚合物改性水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度有所降低，但在環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻量為5%時(shí)，抗折強(qiáng)度得到明顯提高。

2)環(huán)氧樹(shù)脂乳液可明顯降低聚合物改性水泥砂漿的收縮率，在環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻量為10%時(shí)，收縮率明顯降低。

3)在工程應(yīng)用中若只考慮水泥砂漿的力學(xué)性能與體積收縮性時(shí)，建議環(huán)氧樹(shù)脂乳液的摻量為10%。