凍融和干濕循環(huán)作用下聚合物改性砂漿強(qiáng)度變化研究

趙治冶 山東鐵路投資控制集團(tuán)有限公司

1 引言

實(shí)踐表明，聚合物因其自身的特性，對(duì)水泥基材料的流動(dòng)性、粘結(jié)性能、變形性能以及韌性等具有良好的改善作用[1-4]。因而，聚合物改性水泥基材料得到了較為廣泛的應(yīng)用，特別是隨著聚合物技術(shù)的進(jìn)步，聚合物類(lèi)型不斷增多，再加上既有工程結(jié)構(gòu)病害整治需求的增加，聚合物在水泥基材料中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[5-8]。因此，較為系統(tǒng)地研究聚合物改性砂漿物理力學(xué)特性及其影響規(guī)律具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者就摻聚合物水泥基材料物理、力學(xué)及耐久性能開(kāi)展了不少有針對(duì)性的研究，取得了不少成果[9-13]。但既有的這些研究成果都是在某一特定試驗(yàn)條件下獲得的，不同性能的聚合物以及水泥品種不同，聚合物對(duì)砂漿的改性作用及其在環(huán)境侵蝕作用下的性能劣化規(guī)律往往不同，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面系統(tǒng)的研究并不多見(jiàn)。鑒于上述現(xiàn)狀，本文針對(duì)工程實(shí)際，研究探討了凍融循環(huán)作用和浸-烘干濕交替作用下聚合物改性砂漿粘結(jié)性能的劣化規(guī)律，為相關(guān)的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料

水泥為湖南東坪水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5 水泥（OPC）；湖南寶隆科技發(fā)展有限公司提供的Ⅰ級(jí)粉煤灰（FA），其化學(xué)組成見(jiàn)表1。采用的聚合物包括北京弗特恩公司生產(chǎn)的兩種型號(hào)的乙烯/醋酸乙烯共聚的可再分散性膠粉（EVA1和EVA2）、中國(guó)化工株洲橡膠研究設(shè)計(jì)院有限公司研發(fā)的丁苯乳液（SBR）以及蘇州圣杰特種樹(shù)脂有限公司生產(chǎn)的含固量100%的HTW-608 自乳型環(huán)氧樹(shù)脂（環(huán)氧當(dāng)量190～205）及其配套的含固量60%的固化劑HTW-208 乳液（胺值300～360），以下簡(jiǎn)稱(chēng)EP，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。細(xì)骨料為河砂（S），中砂，細(xì)度模數(shù)2.45，拌合水（W）為飲用自來(lái)水。

表1 普通水泥與粉煤灰化學(xué)組成（wt%）

表2 試驗(yàn)采用聚合物的性質(zhì)

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試件制備

各試樣均采用固定水膠（85%水泥和15%粉煤灰）質(zhì)量比mw/mb 為0.35，膠砂質(zhì)量比為1:2.5（即保持砂漿基體性能不變），聚合物采用外摻法摻入砂漿中，摻量分別為3%、6%、9%、12%（占膠凝材料質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，均以含固量計(jì)）。

按DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試樣攪拌成型，成型后置于常溫室內(nèi)且成型面覆蓋，1d后脫模，再置于20℃水中養(yǎng)護(hù)6d，再在（20±2）℃、相對(duì)濕度65%的空氣中養(yǎng)護(hù)21d，即水養(yǎng)6d+干養(yǎng)21d 的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。對(duì)于凍融和浸烘處理試件，則試件按上述養(yǎng)護(hù)制度養(yǎng)護(hù)28d 后，再分別進(jìn)行凍融循環(huán)28d、浸烘交替28d以及繼續(xù)干養(yǎng)28d，凍融循環(huán)制度為（20±1）℃水中浸泡16h+（-20±3）℃低溫箱冰凍6h，24h為1個(gè)循環(huán)；浸烘交替制度為（20±1）℃水中浸泡16h+（60±5）℃烘干6h，24h為1個(gè)循環(huán)。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試方法

采用軸拉和劈拉兩種方式測(cè)試聚合物改性砂漿對(duì)基底的粘結(jié)強(qiáng)度。軸拉粘結(jié)強(qiáng)度參照DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定成型粘結(jié)試件，成型時(shí)保持砂漿流動(dòng)度在190±5mm 范圍，加載情況如圖1 所示。上部粘結(jié)砂漿的尺寸為40mm×40mm×10mm，下部基底試件為齡期較大的自制水泥砂漿。劈拉粘結(jié)強(qiáng)度采用新老砂漿各半的40mm×40mm×40mm 的立方體試件進(jìn)行測(cè)試，試件與加載情況如圖2所示，粘結(jié)砂漿和基底砂漿制備如上述。劈拉粘結(jié)強(qiáng)度按式（1）計(jì)算：

f——為劈拉強(qiáng)度（MPa）；

F——為破壞荷載（N）；

A——為粘結(jié)面面積（mm2）。

圖1 粘結(jié)試件拉伸夾具示意圖（單位mm）

圖2 劈拉粘結(jié)強(qiáng)度加載示意圖（單位mm）

2.3.2 其它試驗(yàn)方法

砂漿流動(dòng)度參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)試，除特別說(shuō)明外，各砂漿流動(dòng)度在130mm～240mm 之間，砂漿容重按DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)定；砂漿抗壓抗折強(qiáng)度按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO）》測(cè)定。

3 結(jié)果與討論

3.1 容重

圖3為EVA 膠粉和SBR乳液摻量對(duì)新拌普通水泥砂漿容重的影響結(jié)果，圖中空白方格圖例表示按配比計(jì)算得到的理論容重，根據(jù)3 種砂漿的配比和聚合物密度，計(jì)算得到3 種砂漿的容重幾乎相同，因而按相同值表示各砂漿理論容重。

圖3 EVA膠粉和SBR乳液摻量對(duì)普通水泥砂漿容重的影響

由圖3 可知，膠粉EVA1 和EVA2 對(duì)普通水泥砂漿容重的影響規(guī)律基本相似，隨膠粉摻量增加，砂漿容重快速降低，在膠粉摻量為3%時(shí)砂漿容重從2280kg/m3驟降至1838kg/m3（EVA1）和1750kg/m3（EVA2），但當(dāng)膠粉摻量進(jìn)一步增加時(shí)，砂漿的容重則降低不顯著；隨著SBR 摻入，砂漿容重也明顯降低，至SBR 摻量6%后，砂漿容重降低速率不再明顯。當(dāng)摻量較小時(shí)（如3%），摻SBR 的砂漿實(shí)測(cè)容重較大，而當(dāng)摻量較大時(shí)（不小于6%），摻膠粉聚合物砂漿的實(shí)測(cè)容重更大，這表明摻量較大時(shí)SBR乳液的引氣作用明顯增強(qiáng)。對(duì)比由配比計(jì)算得到的砂漿試樣的理論容重亦可發(fā)現(xiàn)，在所調(diào)查的摻量范圍內(nèi)，摻EVA砂漿的實(shí)測(cè)容重與理論容重相差在20%左右，而摻SBR砂漿實(shí)測(cè)容重小理論容重最大達(dá)28%。

3.2 抗壓強(qiáng)度與折壓比

圖4 分別為EVA 膠粉和SBR 乳液摻量對(duì)普通水泥砂漿（OPC）7d及28d的抗壓強(qiáng)度和折壓比的影響結(jié)果。

圖4 EVA膠粉和SBR乳液摻量對(duì)普通硅酸鹽水泥砂漿抗壓強(qiáng)度與折壓比的影響

由圖4 可知，不同聚合物摻量下，OPC 砂漿28d 齡期的抗壓強(qiáng)度比7d齡期均有較大的增加；同時(shí)，隨著聚合物摻量的增加，OPC 砂漿7d、28d 抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)較大下降，其中摻膠粉EVA1 和EVA2 砂漿的強(qiáng)度下降規(guī)律相似，當(dāng)膠粉摻量達(dá)3%時(shí)，砂漿抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)快速下降，隨后則隨著膠粉摻量進(jìn)一步增加，砂漿強(qiáng)度呈現(xiàn)緩慢降低，而摻SBR砂漿抗壓強(qiáng)度則在摻量0～6%范圍呈現(xiàn)較大下降，隨后則降低緩慢。

3.3 粘結(jié)強(qiáng)度

圖5為EVA膠粉和SBR乳液摻量對(duì)OPC砂漿7d、28d軸拉粘結(jié)強(qiáng)度的影響結(jié)果。由圖5 可知，隨著聚合物摻量的增加，普通水泥砂漿的7d粘結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)不斷減小趨勢(shì)；然而，28d齡期時(shí)，除摻3%聚合物砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度有稍許降低外，隨后隨著聚合物摻量的增加，砂漿粘結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)較大的增加，產(chǎn)生這種結(jié)果可能是前7d的水養(yǎng)制度不利于砂漿中聚合物成膜的原因，而后在相對(duì)濕度65%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，有效滲入到基體毛細(xì)孔中的聚合物在砂漿中成膜形成了空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生較好的“橋接”作用，從而可改善砂漿的粘結(jié)性能；聚合物摻量較少時(shí)（如3%），可能是聚合物不足以形成完整的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而未能起到改善砂漿粘結(jié)強(qiáng)度作用。

圖5 聚合物種類(lèi)和摻量對(duì)普通硅酸鹽水泥砂漿軸拉粘結(jié)強(qiáng)度的影響

3.4 不同環(huán)境條件下的粘結(jié)強(qiáng)度變化

圖6為聚合物普通水泥（OPC）砂漿在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后分別進(jìn)行凍融作用、浸烘干濕交替作用和繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的劈拉粘結(jié)強(qiáng)度變化規(guī)律。

圖6 環(huán)境條件對(duì)摻6%聚合物改性普通水泥砂漿劈拉粘結(jié)強(qiáng)度的影響

從圖6結(jié)果可以看到，對(duì)于在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后再繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d齡期，OPC和SAC兩類(lèi)砂漿體系的劈拉粘結(jié)強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，基準(zhǔn)水泥砂漿組P0 的增長(zhǎng)率為1.8%，聚合物改性普通水泥砂漿組中，增長(zhǎng)率最小的是P（EP）組為10.8%，增長(zhǎng)率最大的是P（EVA2）組為62.4%?？梢?jiàn)，砂漿體系中聚合物改性組的增長(zhǎng)幅度均明顯大于未摻聚合物的基準(zhǔn)組；對(duì)于標(biāo)養(yǎng)28d后再經(jīng)受凍融作用或浸烘交替作用，普通水泥砂漿的劈拉粘結(jié)強(qiáng)度均隨處理齡期的延長(zhǎng)而減小，且相同組成試下，浸烘交替對(duì)其劈拉粘結(jié)強(qiáng)度的劣化作用均不同程度的大于凍融作用的影響。這主要是因?yàn)檎辰Y(jié)界面是新老砂漿粘結(jié)的薄弱環(huán)節(jié)，在新老砂漿結(jié)合處存在許多微細(xì)裂縫，凍融循環(huán)作用下，這些微細(xì)裂縫經(jīng)歷吸水飽和、結(jié)冰膨脹的反復(fù)作用，導(dǎo)致微細(xì)裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，從而導(dǎo)致粘結(jié)面上機(jī)械咬合力下降；較高溫度的烘浸干濕循環(huán)的溫度變化則不僅會(huì)引起新老砂漿的熱膨脹變形差異，而且也會(huì)導(dǎo)致粘結(jié)面聚合物空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞，從而在粘結(jié)面產(chǎn)生更多微裂紋，造成粘結(jié)強(qiáng)度的快速劣化。

4 結(jié)論

基于上述試驗(yàn)結(jié)果與分析，可得到如下結(jié)論。

（1）EVA膠粉、丁苯乳液對(duì)普通水泥砂漿均具有明顯的引氣作用，使得砂漿容重明顯下降；EVA 膠粉摻量在3%～12%時(shí)，砂漿容重降低約20%，且隨膠粉摻量增加砂漿容重變化不明顯；砂漿容重隨丁苯乳液摻量增加而顯著降低，特別是當(dāng)丁苯乳液摻量大于6%后，砂漿容重降低達(dá)25%以上。

（2）隨著聚合物摻量的增加，普通水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度顯著下降，聚合物摻量3%～12%范圍時(shí)，砂漿抗壓強(qiáng)度下降率達(dá)50%～80%，而其折壓比則顯著增加；當(dāng)聚合物摻量在6%后，普通水泥砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度有較大的提升。

（3）聚合物改性普通水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與相應(yīng)新拌砂漿容重之間存在良好的線(xiàn)性相關(guān)性；相同容重條件下，摻SBR改性砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度要高于摻EVA聚合物改性砂漿的強(qiáng)度。

（4）凍融作用或浸烘干濕交替作用下，聚合物改性普通水泥砂漿的劈拉粘結(jié)強(qiáng)度均隨處理齡期的延長(zhǎng)而減小，且相同組成砂漿，浸烘交替對(duì)其劈拉粘結(jié)強(qiáng)度的劣化作用均大于凍融作用的不利影響。