混凝土預(yù)制構(gòu)件MPC接縫材料性能研究*

黃興亮，周勝波

(1.陜西省建筑科學(xué)研究院有限公司，陜西 西安 710082；2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

傳統(tǒng)基建一般采用構(gòu)件現(xiàn)場加工制作、現(xiàn)場拼裝的方式進行建造，材料的飛塵和碎屑難免在空氣中擴散傳播，造成較大的環(huán)境污染，且現(xiàn)場施工混凝土養(yǎng)護所需時間較久，影響施工進度，部分建筑企業(yè)為加快進度而導(dǎo)致混凝土養(yǎng)護時間不足的問題時有發(fā)生，影響建筑成型質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全。裝配式結(jié)構(gòu)因施工速度快、綠色環(huán)保、成型質(zhì)量佳等優(yōu)點在建筑業(yè)發(fā)展中脫穎而出。但吊裝碰撞、設(shè)計與加工尺寸精度問題使構(gòu)件接縫處存在施工缺陷，限制了裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展，眾多學(xué)者對裝配式結(jié)構(gòu)接縫設(shè)計和接縫材料進行了研究，并取得一系列研究成果。潘金炎等[1]采用乳膠粉、水泥、橡膠粉、石英砂等制備了一種用于疊合板拼縫的接縫膠泥，工程實踐證明該方法滿足疊合板對接縫材料變形、黏結(jié)、耐久等性能的要求，可防止結(jié)構(gòu)因荷載、溫度效應(yīng)等原因造成的接縫開裂。寧麗平[2]以硅烷作為外加劑，研究不同摻量硅烷對氯磺化聚乙烯性能的影響，結(jié)果表明硅烷改性后的氯磺化聚乙烯(CSM)具有更好的熱穩(wěn)定性及較高的熱變形溫度。李化建等[3]通過總結(jié)國內(nèi)外硅酮嵌縫材料，從跟隨性、黏結(jié)性和耐久性等方面，提出實現(xiàn)硅酮嵌縫密封材料高性能化的技術(shù)途徑。目前常見的接縫材料主要包括硅酸鹽水泥基材料和硫酸鹽水泥基材料，但工程實踐發(fā)現(xiàn)這2種材料存在早期強度不足、黏結(jié)力差、長期體積穩(wěn)定性不佳等問題[4-7]。磷酸鹽水泥因早期強度高、黏結(jié)性能好和體積穩(wěn)定等優(yōu)勢近年來成為接縫材料新的發(fā)展方向[8]。

磷酸鎂水泥(magnesium phosphate cement，MPC)是由死燒鎂砂、磷酸鹽和一定量外加劑組成的新型膠凝材料，其膠凝本質(zhì)為酸堿中和反應(yīng)[9-10]?，F(xiàn)有研究表明，MPC早期強度較高、體積穩(wěn)定性和黏結(jié)性能穩(wěn)定，但其脆性較大，劣化了其使用效果；通過在MPC中摻入纖維材料可較好地優(yōu)化其脆性性能，但纖維材料的存在使其流動性顯著降低。

基于此，本文采用橡膠粉對MPC進行改性，通過測試流動度、抗壓強度、黏結(jié)性能等對橡膠MPC綜合性能進行評價，最后通過掃描電鏡研究橡膠顆粒對MPC的作用機理，以期為混凝土預(yù)制構(gòu)件高性能接縫材料應(yīng)用提供理論支撐。

1 試驗

1.1 原材料

試驗用MPC采用死燒氧化鎂(MgO)，由菱鎂礦石經(jīng)1 650℃煅燒而成。酸性組分為純度96%工業(yè)純磷酸二氫銨(NH4·H2PO4，ADP)。緩凝劑采用復(fù)合緩凝劑(RET)，主要由磷酸鹽和硼砂組成。粉煤灰(fly ash，F(xiàn)A)作為摻合料用于MPC。為測試MPC基材料的黏結(jié)性能，P·O 42.5普通硅酸鹽水泥(ordinary portland cement，OPC)用來制備棱鏡試樣。試驗用主要材料的氧化物組成如表1所示。

表1 試驗用主要材料的氧化物組成 %

試驗骨料由石英砂(SS)和再生橡膠粉(RTR)組成。RTR顆粒表觀如圖1所示。

圖1 再生橡膠粉顆粒表觀

1.2 試驗方法

1.2.1配合比

試驗MPC砂漿主要包括膠凝材料(MgO，ADP，F(xiàn)A，RET)、骨料(SS，RTR)和水。氧化鎂與ADP的質(zhì)量比固定為2.2，緩凝劑質(zhì)量占膠凝材料的5%，骨料與膠凝材料的質(zhì)量比固定為1.25，水固比為0.075，具體試驗配合比如表2所示。設(shè)計2個系列的MPC砂漿，分別為未摻入橡膠粉的對比試樣(MIX CON)和摻入不同量橡膠粉的RMC試樣。橡膠粉摻量以骨料總體積計算，最高占骨料總體積20%。

表2 試驗配合比設(shè)計

1.2.2測試方法

MPC砂漿制備過程參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，制備完成的MPC砂漿倒入4cm×4cm×16cm的棱柱體PVC模具中，振搗后倒入模具放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室(20±2℃)養(yǎng)護28d進行砂漿性能測試。

依據(jù)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度試驗標(biāo)準(zhǔn)》，采用“跳桌法”測試制得的MPC砂漿流動度，測試結(jié)果取砂漿倒置平板桌經(jīng)25次振動后的平均值。MPC砂漿黏結(jié)性能采用黏結(jié)抗折指標(biāo)和黏結(jié)抗壓強度綜合測定。黏結(jié)抗折強度依據(jù)GB/T 22 459.4—2008《耐火泥漿 第4部部分：常溫抗折粘接強度試驗方法》進行測試，黏結(jié)抗壓強度依據(jù)BS EN 12615∶1999《Products and systems for the protection and repair of the concrete structures》進行測試。

黏結(jié)抗折強度與黏結(jié)抗壓強度的計算如下：

(1)

(2)

式中：ff為黏結(jié)抗折強度(MPa)；fb為黏結(jié)抗壓強度(MPa)；F為直觀測試結(jié)果。

耐水性能是評價MPC基材料性能的重要指標(biāo)之一。將養(yǎng)護28d的MPC砂漿試樣浸沒置入去離子水中，浸泡至特定齡期后，取出MPC試樣測試其抗壓強度，耐水系數(shù)為MPC砂漿浸泡后強度與未浸泡強度的比值。

(3)

式中：RCw為MPC砂漿的耐水系數(shù)；fCn是MPC砂漿浸泡n天后的抗壓強度(MPa)；fC28是MPC砂漿空氣養(yǎng)護28d、浸泡前的抗壓強度(MPa)。

掃描電子顯微鏡背散射模式(BSE)一般用來展示橡膠粉摻入后MPC砂漿微觀結(jié)構(gòu)變化，BSE試樣選自抗壓強度測試破碎試樣。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 工作性能

不同橡膠粉摻量下MPC砂漿流動度如圖2所示。

圖2 不同橡膠粉摻量下MPC砂漿流動度

由圖2可知，未摻入橡膠粉對比試樣CON砂漿的流動度為210mm，接近傳統(tǒng)硅酸鹽水泥基接縫材料的流動度。當(dāng)MPC砂漿中橡膠粉摻量為5%時，砂漿流動度出現(xiàn)小幅度增加，隨著MPC砂漿橡膠粉摻量增加至10%～20%時，MPC砂漿流動度隨橡膠粉摻量的增加而持續(xù)減小。分析原因認為主要是橡膠粉顆粒表面粗糙度和表觀密度引起，橡膠粉表面粗糙度使其表面吸附一定水分，同時橡膠粉表面密度較低使橡膠粉流動過程中浮于拌合料表面，阻礙了其他固體顆粒的遷移。

2.2 抗壓強度

不同橡膠粉摻量下MPC砂漿各齡期抗壓強度如圖3所示。由圖3可知，未摻入橡膠粉對比試樣CON砂漿1h時強度為31.9MPa，約為28d強度的70%；橡膠粉摻入后，試樣RMC-I，RMC-III的1h強度分別為22.6，16.1MPa，僅為CON砂漿1h強度的70.5%，50.5%。CON砂漿28d強度為54.3MPa，而摻入橡膠粉后試樣RMC-I，RMC-III的28d強度分別為53.6，40.8MPa，為對比砂漿同齡期強度的98.7%，75.1%。分析各試樣測試結(jié)果可知，橡膠粉會降低MPC砂漿早期強度，主要由于橡膠粉自身強度較低，對砂漿拌合料產(chǎn)生負面影響。

圖3 不同橡膠粉摻量下MPC砂漿各齡期抗壓強度

2.3 黏結(jié)強度

不同橡膠粉摻量下MPC砂漿各齡期黏結(jié)強度如圖4所示。由圖4可知，各齡期黏結(jié)性能隨著橡膠粉摻量的增加而降低；橡膠粉對MPC砂漿1h黏結(jié)抗折強度和黏結(jié)抗壓強度的影響較小，對MPC砂漿28d黏結(jié)強度的影響更顯著。分析原因，黏結(jié)強度是黏結(jié)界面對外力的抵抗作用，橡膠粉的存在不會改變MPC砂漿的水化產(chǎn)物，但其摻入后占據(jù)黏結(jié)界面位置，降低了黏結(jié)面處膠凝水化產(chǎn)物的數(shù)量，使黏結(jié)性能下降。

圖4 不同橡膠粉摻量下MPC砂漿各齡期黏結(jié)強度

2.4 耐水性

不同橡膠粉摻量下MPC砂漿浸泡后的各齡期強度與耐水系數(shù)如圖5所示。由圖5可知，MPC砂漿抗壓強度與耐水系數(shù)隨浸泡時間的增加而降低，CON試樣28d浸泡后耐水系數(shù)為0.90，浸泡60d后耐水系數(shù)僅為0.82，MPC砂漿耐水性能隨浸泡時間性能衰退，與現(xiàn)有研究成果一致。隨著橡膠粉參數(shù)比例的增加，耐水系數(shù)先增大后減小，橡膠粉摻量為10%時，其耐水系數(shù)最大為0.95，說明摻入定量的橡膠粉可強化MPC砂漿耐水性能。研究發(fā)現(xiàn)橡膠粉表面疏水性較大，水分難以滲入，同時在MPC基材料與橡膠粉顆粒界面處，大量摻入的橡膠粉增加了水分遷移通道。

圖5 不同橡膠粉摻量下MPC砂漿浸泡后的各齡期強度與耐水系數(shù)

2.5 微觀結(jié)構(gòu)

選擇養(yǎng)護28d CON試樣和RMC-Ⅲ試樣進行BSE測試，結(jié)果如圖6所示。BSE圖中不同顏色代表不同礦物類似，如MgO與石英砂顏色類似。分辨其礦物類別可通過形貌進行辨別，由圖6可知，石英砂顏色完整統(tǒng)一、MgO中夾雜有灰黑色。由圖6a可知，大粒徑石英砂產(chǎn)生了較大裂縫。對比圖6a，6b可知，摻入的橡膠粉與MPC基材料黏結(jié)性較好，裂縫基本消失。分析原因認為當(dāng)石英砂顆粒較大時，顆粒間存在較大空隙，摻入橡膠粉后會擴散嵌入顆粒內(nèi)部，進而減小了裂縫。

圖6 28d背散射圖片

3 結(jié)語

1)少量的橡膠粉顆粒對MPC砂漿流動度影響較小，但當(dāng)橡膠粉摻量>10%時，MPC砂漿流動度顯著降低。

2)摻入橡膠粉可降低MPC砂漿各齡期強度。摻入10%橡膠粉的MPC砂漿1h強度為16.1MPa，僅為不摻橡膠粉對比試樣的50.5%，而同配合比的MPC砂漿28d強度為對比樣的75.1%。說明橡膠粉對MPC砂漿的早期強度影響更顯著。橡膠粉可不同程度地降低MPC砂漿的各齡期黏結(jié)抗折強度和黏結(jié)抗壓強度。

3)橡膠粉可在一定程度上提高MPC砂漿的耐水性，未摻橡膠粉的MPC砂漿浸水60d后耐水系數(shù)僅為0.82，而摻入10%橡膠粉的MPC砂漿浸水60d后耐水系數(shù)可達0.88。

4)BSE結(jié)果顯示在MPC砂漿對比試樣中觀察到石英砂與MPC基材料間存在較大微縫隙。當(dāng)摻入一定量橡膠粉顆粒后，橡膠粉顆粒與MPC基材料間黏結(jié)性能優(yōu)異，幾乎看不到裂縫。