聚合物水泥砂浆路用性能与改性机理研究
2022-05-06 14:23 浏览:201
聚合物水泥砂浆路用性能与改性机理研究
熊剑平1, 申爱琴1, 邱粤滨2
( 1. 长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室 西安市 710064; 2. 广东省惠州市公路局 惠州市 516004)
为了在长期运营中保持良好的使用性能, 水泥混凝土路面及桥涵构造物的局部修补工作十分频繁, 水泥砂浆便是最主要的修补材料之一。但普通水泥砂浆与旧混凝土表面间的粘结能力弱, 柔性与耐久性也较差, 在重交通荷载和环境的双重疲劳作用下破坏迅速, 难以满足使用要求。因此从上世纪中期起国外工程界便开始对聚合物水泥砂浆( PMA ) 进行研究, 并逐渐将其应用于旧混凝土构造物的修补
和饰面等领域[ 1～3] 。PMA 是以聚合物为改性剂的复合材料, 由于聚合物的掺入改善了普通砂浆的内部结构, 宏观表现为砂浆的强度、粘结力和耐久性等性能均有大幅度改善, 因而成为国外修补旧混凝土和保护新混凝土的一种理想材料, 日、美、英等国还纷纷建立了PMA 的技术标准和质量要求; 而国内近年来也有学者对建筑、水工和路面修补砂浆的性能进行了研究[ 4～9] 。以下将通过室内试验全面研究修补用PMA 的路用性能, 并利用微观电镜测试技术分析其改性机理。
1 原材料及配比
1. 1 原材料技术性质
水泥选择广东产罗浮山42. 5( R) 普通硅酸盐水泥, 28 d 强度为8 MPa; 细集料选用细度模数为3. 02的中砂; 通过前期试验比选[ 1] , 聚合物改性剂使用SD622S 羧基丁苯乳液, 并掺配有机硅类消泡剂F111 和A334 起复合消泡作用; 搅拌水选择自来水。
1. 2 试验配比
在配合比设计时, 通过控制新拌PMA 和易性相同( 跳桌流动度控制为155 cm±5 cm) 的原则确定其拌和用水量。PMA 的配合比见表1。
2 室内路用性能试验结果与分析
2. 1 凝结性能
PMA 的凝结性能可参考聚合物水泥净浆的凝结时间, 测试结果见表2。
表2 凝结时间测试结果
分析表2 可见: ( 1) 聚合物对水泥净浆有明显的滞凝作用, 且此效果随聚灰比的提高越发显著, 当聚合物掺量增至15% 时, 水泥净浆的初凝时间延长了76%, 终凝时间延长了50%; ( 2) 聚合物对水泥净浆初凝时间的缓凝效果强于终凝。当P / C= 0. 05 时,聚合物对水泥净浆初凝和终凝过程的影响相当, 此后聚合物对初凝的滞缓作用随聚合物掺量的增加而增强, 当P / C= 0. 15 时, 改性净浆的初凝时间较普通水泥净浆延长了76% , 而终凝时间只延长了50%。
2. 2 力学性能
2. 2. 1 抗折抗压强度
抗折、抗压强度的测试参照《水泥胶砂强度检验方法》( GB/ T 17671- 1999) 执行, 测试结果如图1。
图1 PMA 的抗折和抗压强度
分析图1 可知: ( 1) PMA 的抗折强度普遍高于普通砂浆, 且随聚合物掺量的增加呈单调递增趋势,虽然当P / C = 0. 05 时, PMA 的抗折强度略低于普通砂浆, 但此后强度增长很快, 当P / C= 0. 15 时, 其28 d 抗折强度较普通砂浆提高了58% , PMA 的抗折强度随聚灰比增大而提高的幅度以7 d 最大, 28 d次之, 90 d 最小, 说明PMA 强度的后期增长率大于普通砂浆; ( 2) PMA 的抗压强度普遍低于普通砂浆, 聚灰比低时抗压强度也低, 但聚合物掺量较高时抗压强度有所回升, 当P / C= 0. 15 时, PMA 的28 d抗压强度与普通砂浆接近。
2. 2. 2 刚度
压折比是水泥砂浆刚度的主要评价指标之一,试验结果如图2。
图2 PMA 的压折比
分析图2 可知: PMA 的压折比随龄期的延长和聚灰比的提高而降低, 说明随着养护时间的增加和聚合物掺量的增加, 砂浆的柔性持续增大。低聚灰比( P/ C< 0. 1) PMA 的压折比随聚合物掺量增加而降低的趋势较为明显, 但继续掺入聚合物压折比的降幅不大。
2. 3 粘结强度
粘结强度是修补砂浆最重要的性能, 考虑到目前路面或构造物往往是出现了大块局部破损才进行修补工作, 采用小粒径的聚合物水泥混凝土( PCC)修补更为常见, 因此本试验采用在不同聚灰比的PMA 中掺入级配和技术性质均相同的粗集料制作PCC, 并测试其粘结抗弯拉强度。由于粗集料技术性能一致, 因此该试验结果也适用于评价PMA 。PCC粘结强度的测试方法如图3, 结果如图4。
分析图4 可知: 掺入聚合物后, PCC 的粘结抗弯拉强度相对普通混凝土有大幅度提高, 且聚灰比越高改性效果越明显。虽然当P / C< 0. 05 时PCC 的粘结强度较普通混凝土有小幅度降低, 但此后粘结强度随聚合物掺量增加而提高的幅度较大, 当P / C=0. 10～0. 15 时, 强度增幅在32% ～72%之间。聚合物的掺入可以显著改善水泥基材与旧混凝土表面的粘结能力, 保证了其用于修补水泥混凝土路面与其他构造物的独特优势。
2. 4 耐久性能
修补砂浆在使用中总是暴露在恶劣的外界环境里, 因此优良的耐久性是维持其良好长期性能的重要保证。
2. 4. 1 干缩
为了保证修补砂浆在凝结硬化后能够与原路面之间粘结紧密, 除了要求修补砂浆粘结能力良好,该材料还需要具有较好的变形能力即较低的干缩, 至少在28 d 内的干缩最好小于普通水泥材料。采用千分表测试PMA 的干缩, 如图5。
分析图5 可见: 掺入聚合物后, PMA 的干缩量随聚合物掺量的增加先降后增, 在聚灰比为0. 10 时最小。当聚合物掺量由0 增至10%时, PMA 前14 d的干缩量随聚灰比的提高而降低, 以普通砂浆最大,P / C= 0. 10 的PMA 最小; 14～40 d 的收缩量, 普通砂浆最大, 但聚合物掺量较高的PMA 的干缩量较掺量较低的砂浆要大, 28 d 龄期干缩量以普通砂浆最大, 聚合物掺量为10%的PMA次之, 聚合物掺量为5%时最小。高聚灰比( P / C> 0. 1) 的PMA 的干缩量随龄期延长而降低的趋势在28 d 后大大减缓,其40 d 干缩量与低聚灰比( P/ C= 0. 05) 的PMA 接近, 但在40 d 龄期后, P / C= 0. 10 的PMA 的干缩量明显小于低聚灰比砂浆。PMA 的干缩尤其是早期干缩大大低于普通砂浆,从而克服了很多修补材料由于早期干缩较大而易与旧混凝土表面脱离的缺点, 因而更有利于修补工作。
