聚合物改性水泥砂漿的制備及性能研究

周俊杰 楊征勛＊

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)交通與物流工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052）

0 引言

與普通水泥砂漿相比，經(jīng)過聚合物改性后的水泥砂漿，其抗折強(qiáng)度高、抗腐蝕性能強(qiáng)，國內(nèi)外有很多專家對此進(jìn)行研究，因而在現(xiàn)代社會中被廣泛應(yīng)用，通常作為理想的修補(bǔ)材料、建筑物抹面摻料等[1-4]。

聚合物加入到水泥砂漿中，因?yàn)榘l(fā)生了一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了一些新的物質(zhì)，而這些物質(zhì)對于其的粘聚力有了很大提高，因此改性后的水泥砂漿強(qiáng)度有所提高，所以聚合物對于水泥砂漿的改性有很好的研究[5]。

本文產(chǎn)生于研究應(yīng)用水泥基修補(bǔ)材料在新技術(shù)工業(yè)中，以聚合物改性后的水泥砂漿的性能研究為目的，研發(fā)一種復(fù)合改性水泥，其性能優(yōu)良、可廣泛用于交通建設(shè)領(lǐng)域，研究其相應(yīng)的性能及完善，使之在工程中能夠被廣泛的推廣應(yīng)用。

1 材料的性能試驗(yàn)

1.1 新拌凈漿、砂漿工作性能測試

1.1.1 水泥砂漿密度的測定

本文按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》JTGE30-2005的實(shí)驗(yàn)步驟對水泥砂漿密度進(jìn)行測定。

水泥砂漿密度計算：

式中： ρ － 拌合物的密度（kg/m3）；

m0－ 試樣桶的質(zhì)量（kg）；

m1－ 水泥砂漿與試樣桶的總質(zhì)量（kg）；

v － 容量桶的容積（L）。

用3次所得試驗(yàn)的結(jié)果，計算出來其平均值當(dāng)作是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,試樣不能重復(fù)使用。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、數(shù)據(jù)處理制成圖表，如表1.1、表1.2所示

表1.1 PAA對砂漿的密度的影響

表1.2 自制乳液對砂漿的密度的影響

由表1.1可以得出在水泥砂漿中摻加摻量20%的PAA其密度比純水泥砂漿的密度有所降低；經(jīng)表1.2可以得出隨著在水泥砂漿中摻加自制乳液的摻量越高其密度越小。相比較而言，自制乳液的摻入比聚丙烯酸的摻入對水泥砂漿的密度影響更顯著。

1.1.2 凝結(jié)時間測定

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄制成圖表，如表1.3、圖1.1所示

表1.3 聚合物改性后水泥砂漿的初凝和終凝時間

圖1.1 自制乳液改性水泥砂漿的凝結(jié)時間對比圖

由表1.3可以得出水泥砂漿中PAA的摻量為20%時，其凝結(jié)時間明顯比水泥砂漿中PAA的摻量為0%的凝結(jié)時間延長，由此可以得出，水泥砂漿中隨著PAA的摻入，其凝結(jié)時間有所延長，即水泥砂漿經(jīng)過改性后，其初凝時間、終凝時間都延長；由表1.3、圖1.1可以得出在水泥砂漿中摻入不同摻量的自制乳液，水泥砂漿的初凝時間與終凝時間隨著自制乳液的摻量增加從而變長，且初凝時間與終凝時間的增加的幅度會趨于平緩。

1.1.3 水泥膠砂流變度試驗(yàn)

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄繪制成圖，如圖1.2、1.3所示

圖1.2 自制乳液改性水泥凈漿的流變性

圖1.3 自制乳液改性水泥凈漿的觸變性

物質(zhì)通過外力的作用下，使之產(chǎn)生流動與變形的性質(zhì)，稱為流變性，即在加工的過程中，其形變、形變速率 、應(yīng)力和粘度之間的聯(lián)系。經(jīng)圖1.2可以得出隨著自制乳液摻量的增加，其對水泥凈漿流變性影響慢慢趨于穩(wěn)定，自制乳液在水泥凈漿中摻量為20%時其流變曲線最為穩(wěn)定且集中，因此自制乳液在水泥凈漿中摻量為20%時對于水泥凈漿流變性改性效果最佳；在恒定剪切速率的作用下，某些液體的黏度，隨著剪切時間的增加而降低的性質(zhì)，稱為觸變性。由圖1.3可以看出隨著自制乳液在摻量20%時其觸變曲線波動最小、最為穩(wěn)定，同時其恢復(fù)原有粘度的能力最佳，因此自制乳液在水泥凈漿中摻量為20%時對于水泥凈漿觸變性改性效果最佳。

1.2 砂漿的力學(xué)性能測試

1.2.1 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度

本文對水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(即IOS法)，是按照J(rèn)FGE30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，對棱柱體試件（40mm×40mm×160mm）按規(guī)定進(jìn)行成型與養(yǎng)護(hù)，并測定其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

① 計算方法

抗壓強(qiáng)度

式中： Rc－ 抗壓強(qiáng)度（MPa）；

Fc－ 破壞荷載（N）；

A－ 受壓面積，40mm×40mm=160mm2。

以6個斷塊試件為一組，對這一組試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出的算術(shù)平均值為最終的抗壓強(qiáng)度，精確到0.1MPa。如果在這6個數(shù)值中有一個的值超過了平均值的±10%，則應(yīng)把其舍掉后在用余下的5個數(shù)值來取，算平均值當(dāng)做最終結(jié)果。如果個數(shù)值中還有超過其平均值的±10%,則這組試件是無效的，重測。

抗折強(qiáng)度

式中： Rf－抗折強(qiáng)度（MPa）；

Ff－破壞荷載（N）；

L－支撐圓柱中心距（mm）；

b1－試件的斷面為正方形邊長，其長為40mm。

以3個試件為一組，對這一組試件的抗折強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出的算術(shù)平均值為最終的抗折強(qiáng)度，精確到0.1MPa。若這三個的強(qiáng)度值中存在大于平均值的±10%，則應(yīng)該舍掉后再取平均，把這次的平均值來作為其抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。

1.2.2 折壓比

本次試驗(yàn)中采用的試件為40mm×40mm×160mm棱柱體，在測得其抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度之后，把其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度對應(yīng)相除，即可以得到所測砂漿折壓比，用來表現(xiàn)砂漿其的韌性。以三個制備試件為一組，把這一組試件對應(yīng)所測的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出的算術(shù)平均值為最終結(jié)果，是對聚合物改性水泥砂漿韌性進(jìn)行評價的指標(biāo)。

2 聚合物在優(yōu)選配合比下改性的水泥砂漿力學(xué)性能評價

2.1 最優(yōu)配合比的確定

經(jīng)過前期大量探索性試驗(yàn)的實(shí)施，最終確定在水泥砂漿中摻加摻量為20%的PAA，而經(jīng)過對自制乳液改性過后的水泥砂漿和水泥凈漿密度、初凝時間、終凝時間、流變性與觸變性的試驗(yàn)最終選定在水泥砂漿中摻加摻量為20%的自制乳液，水灰比固定為0.45。

2.2 力學(xué)性能

本文按照《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5126-2001規(guī)定的養(yǎng)護(hù)方法，對試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。依次對試件進(jìn)行試驗(yàn)，測得其3d、7d所對應(yīng)的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度，并計算出其折壓比。

具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2.1以及圖2.1～2.3。

表2.1 自制乳液改性水泥砂漿的強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2.1 改性砂漿的抗壓抗折強(qiáng)度性能

⑴ 聚合物的摻量對水泥砂漿改性后的抗折強(qiáng)度

圖2.1 自制乳液對水泥砂漿改性后的抗折強(qiáng)度對比圖

由圖2.1觀察可以得出，摻加自制乳液在一定程度上會提高改性后的水泥砂漿的抗折強(qiáng)度，隨著自制乳液用量的增大其抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)變強(qiáng)的趨勢，并且隨著齡期的增長其抗折強(qiáng)度會有明顯增強(qiáng)。

⑵ 聚合物摻量對改性水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

圖2.2 自制乳液對水泥砂漿改性后抗壓強(qiáng)度對比圖

由圖2.2觀察可以得出，摻加自制乳液對水泥砂漿改性之后其抗壓強(qiáng)度都有一定的降低，隨著自制乳液用量的增大改性之后其的抗壓強(qiáng)度有了很大程度的降低，并且隨著齡期的變長其改性之后的抗壓強(qiáng)度也有了很大的降低。

2.2.2 聚合物對改性砂漿的折壓比影響

通過折壓比（即抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的比），可以對改性之后的水泥砂漿的柔韌性進(jìn)行衡量，折壓比越大，則其水泥砂漿改性后的韌性就越好，即水泥砂漿改性后的抗開裂性就越好。試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見圖2.3。

圖2.3 自制乳液改性水泥砂漿的折壓比度對比圖

由圖2.3可以得出自制乳液的摻入增大了改性水泥砂漿的折壓比，其中在自制乳液摻量為20%時3d折壓比提高最為明顯，但在7d時提高的不是很大。

總之改性水泥砂漿的折壓比會隨著其齡期的變大呈出先增大然后減小的這種趨勢，此類現(xiàn)象的原因主要是自制乳液對其抗折強(qiáng)度的提高比較明顯，但是其對于水泥砂漿改性之后的抗壓強(qiáng)度卻有了很大程度的降低。

因此在砂漿改性的時候加入一定量自制乳液，會使其對水泥砂漿性能會有一定程度的改善。并且隨著自制乳液用量的不斷增加，改性之后的砂漿的折壓比會有較大的增幅。

3 聚合物改性水泥砂漿微觀結(jié)構(gòu)機(jī)理研究

3.1 SEM分析

本試驗(yàn)是在重慶交通大學(xué)材料學(xué)院電鏡實(shí)驗(yàn)室完成。水泥砂漿經(jīng)過自制乳液改性后通過SEM擴(kuò)大一定倍數(shù)下的不同時間段的形貌。如圖3.1～3.3

圖3.1 原水泥砂漿SEM掃描圖片

圖3.2 聚合物改性水泥砂漿SEM掃描圖片

從圖3.1和圖3.2可以看出，原水泥砂漿的水泥石和集料的界面處存在著許許多多是缺陷與裂縫，而圖3.2水泥砂漿經(jīng)過自制乳液改性之后的就不會看到有很清晰的裂縫了。主要有裂縫的原因是因?yàn)樗嘣谒^程中會發(fā)生收縮，在原水泥砂漿中加入自制乳液后，發(fā)生反應(yīng)進(jìn)而形成了明顯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對水泥砂漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了很大程度上的改善，這樣的交聯(lián)結(jié)構(gòu)十分利于強(qiáng)度的發(fā)展。

圖3.3 聚合物改性水泥砂漿SEM掃描圖片

由圖3.3觀察可以得出：

隨著自制乳液用量的增加，自制乳液會與水泥發(fā)生反應(yīng)，其產(chǎn)生的物質(zhì)會因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)作用進(jìn)而結(jié)合，然后形成互相交錯的三維結(jié)構(gòu)，這樣不僅對水泥砂漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了很大改善，還構(gòu)成了較強(qiáng)的強(qiáng)度。由（1）、（2）、（3）、（4）可以看出，想要進(jìn)一步清晰明了的觀察到自制乳液的成膜以及其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)應(yīng)該把電子掃描所研究的照片，把其放大到極大的倍數(shù)，然后通過使用能譜儀來進(jìn)行輔助，最后得到自制乳液慢慢地浸潤到砂漿的微裂隙中以及內(nèi)部孔壁中，進(jìn)而形成了相比之下完整的密實(shí)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

3.2 聚合物乳液對水泥砂漿的改性機(jī)理

水泥砂漿中加入不同種類的聚合物乳液或不同分量的聚合物乳液，都會對水泥砂漿有一定程度上的性能影響，如：耐腐蝕性能有所提升、柔性增加、抗折強(qiáng)度變強(qiáng)、韌性變好等。其主要在以下幾個方面：

（1）聚合物加入到水泥砂漿中，因?yàn)榘l(fā)生了一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了一些新的物質(zhì)，而這些物質(zhì)對于其的粘聚力有了很大提高，因此改性后的水泥砂漿強(qiáng)度有所提高。

（2）微觀方面由于聚合物乳液會與水泥砂漿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生具有膠凝的化學(xué)產(chǎn)物，在微觀結(jié)構(gòu)上使改性后的水泥砂漿孔隙有了一定的減小，進(jìn)而會形成較為密實(shí)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而其性能有所提高。

4 結(jié)論

經(jīng)過前期大量探究性試驗(yàn)確定了聚丙烯酸（PAA）的摻量為20%，在此基礎(chǔ)上本文通過對自制乳液處于不同用量時進(jìn)行試驗(yàn)，對水泥砂漿改性過后的施工性能和力學(xué)性能的研究，探明了自制乳液的摻入對水泥砂漿改性之后的工作性能和力學(xué)性能存在的影響。主要研究成果如下：

（1）水泥砂漿、凈漿在經(jīng)過自制乳液改性之后，在其物理性能上，自制乳液的不同摻量，均對水泥砂漿改性之后的密度造成減小，且伴隨著自制乳液摻量的增加，改性之后的水泥砂漿的密度也呈現(xiàn)減小的趨勢；改性水泥砂漿的初凝時間和終凝時間都隨著自制乳液用量的增加而呈現(xiàn)凝結(jié)變慢的趨勢，且初凝時間和終凝時間延緩的幅度會變長但也慢慢趨于平緩；隨著自制乳液用量的增加，其對水泥凈漿流變性影響慢慢趨于穩(wěn)定，且在自制乳液在水泥凈漿中用量為20%的時候?qū)τ谒鄡魸{改性其流變性效果最佳；自制乳液在摻量20%的時候?qū)τ谒鄡魸{改性其觸變性效果最佳。

（2）水泥砂漿在經(jīng)過自制乳液改性之后，在其力學(xué)性能上，摻加了自制乳液的水泥砂漿，在改性過后其抗折強(qiáng)度有所增強(qiáng)，且伴隨著自制乳液摻量的增加，其抗折強(qiáng)度增大，隨著齡期的增長，其抗折強(qiáng)度也增大；而摻加了自制乳液的水泥砂漿，在改性過后其抗壓強(qiáng)度有所降低，且伴隨著自制乳液摻量的增加，其抗壓強(qiáng)度降低，隨著齡期的增長，其抗壓強(qiáng)度也降低；隨著自制乳液摻量的增加，改性之后的水泥砂漿，其折壓比得到提高。

（3）在自制乳液對水泥砂漿改性的微觀結(jié)構(gòu)上，利用SEM照片可以看出，因?yàn)榇嬖诰酆衔锛尤耄瑥亩纬闪瞬贿B續(xù)的膜，這些膜包裹著水泥的水化產(chǎn)物，這些物質(zhì)相互貫穿從而形成密度的三維網(wǎng)狀，其對水泥砂漿的內(nèi)部有了改善，因而其性能有所提高。