聚合物水泥砂浆路用性能与改性机理研究
日期：2022-05-06
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142 核心提示：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 7100
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。
2. 4. 2 耐腐蚀性能
由于种种原因, 土壤和水中含有大量的SO42- 和Cl- 等腐蚀性离子, 这些腐蚀性离子呈酸性, 能够侵蚀碱性的水泥水化物, 从而使砂浆丧失粘结能力而破坏, 因此耐腐蚀能力是修补材料较为重要的耐久性能之一。试验采用尺寸为4 cm×4 cm×16 cm 的砂浆抗折试件, 养护至28 d 龄期后, 在5% 的稀硫酸和稀盐酸中浸泡28 d 和56 d, 然后将取出试件阴干后测试其抗折强度, 以抗折强度损失率作为耐腐蚀性能评价指标。同时准备两组不浸泡试件作为对比。试验结果见图6。
图6 PMA 的耐腐蚀能力
分析图6 可知: PMA 的耐酸腐蚀能力总体上均随着聚合物掺量的增加而提高, 虽然并非完全线性对应但相关性良好。普通砂浆浸泡28 d 后的抗折强度损失率为68% , 浸泡56 d 的损失率为100% ; 而当P / C= 0. 05 时, PMA 的28 d 浸泡抗折强度损失率降为51%, 但56 d 损失率也为100% ; 继续掺入聚合物PMA 的耐腐蚀性能逐步提高, 当P / C= 0. 10 时,28 d 强度损失率降至39% , 56 d 浸泡损失率降至74%, 此后即使聚灰比再大, PMA 的耐酸腐蚀能力仅有少许提高。
2. 4. 3 抗渗能力
冻融、腐蚀和其他大多耐久性破坏都是通过水为媒介作用于混凝土结构物内部, 因而反映渗水能力的抗渗指标历来被认为是混凝土最重要的耐久性评价指标, 同样, 作为混凝土修补材料的PMA 也需要具备良好的抗渗能力。但由于实验室只有混凝土抗渗仪器, 无法直接进行PMA 抗渗试验, 因而采用了在PMA 中掺加相同级配、粒径为2～4 mm 的碎石配制PCC 并测试其抗渗能力, 借以间接评价PMA的抗渗能力。抗渗试验参照《公路工程水泥混凝土试验规程》( JT J 053- 94) 中的水压力渗透法执行, 并测试一定水压下60 d 龄期试件的渗水高度,如图7。
图7 PCC 的渗水高度
分析图7 可见: ( 1) 掺入聚合物后水泥基材料的抗渗能力增长迅速, 即使在聚灰比较低时( P/ C=0. 05) , PCC 的渗水高度相比普通混凝土仍要降低2倍左右, 而当聚合物掺量较高时( P / C= 0. 15) , 其抗渗高度仅相当于普通混凝土的1/ 22, 表现为很强的抗渗水能力; ( 2) 由于使用粗集料材质级配均相同,因此本试验结果可以间接地评价聚合物对PMA 抗渗能力的改善效果。试验结果表明, PMA 的抗渗能力较普通砂浆有明显改善。
3 微观机理分析
通过SEM 电镜照片可观察PMA 的微观形貌以分析其改性机理, 取28 d 龄期以上的PMA 断面薄片在无水乙醇中中止水化并在60℃下烘干, 表面镀金后在JSM- 840 型扫描电镜下观察其微观形貌, 如图8。
图8 放大3 000 倍PMA 的SEM 照片
分析图8 可见, 聚合物的掺入可以改善普通砂浆的微观结构, 聚合物膜与水泥水化物相互交织并逐步形成连续网状结构, 砂浆内部渐趋于致密。普通砂浆孔隙率较大, 水泥水化物之间以棒条形或针状的AFT 相连, 其中可清晰地观察到未水化水泥颗粒散布其中, 砂浆整体呈现为间断、孔隙较大的骨架网状体系结构。掺入聚合物后, 特别当聚合物掺量较大时, 一方面足够数量的微米级聚合物颗粒可以填充水泥水化物的内部孔隙, 砂浆内部区域连续致密,力学性能和耐久性均得以提高; 另一方面聚合物膜渐趋连续呈网状, 拉伸能力较高的聚合物膜不但使原本脆性的砂浆韧性提高, 而且与纤维状的C-S-H 和针状的AFT 相互包裹交织成为空间网架结构, 覆盖砂浆内部的微裂隙和未水化水泥颗粒, 提高了砂浆内部结构的完整性, 从而改善其力学性能和耐久性。
4 结论
( 1) 聚合物对水泥净浆的初凝和终凝过程均有滞凝效果, 乳液掺量越大滞凝作用越明显, 对水泥初凝过程的滞凝效果更显著。
( 2) SD622S 的掺入可以大幅度提高水泥砂浆的抗折强度, 当聚合物掺量由5% 增至15% 时, PMA的28 d 抗折强度相对普通砂浆提高了37% ～58%,但其抗压强度总体低于普通砂浆。
( 3) PMA 的柔性高于基准砂浆, 表现为其压折比随聚合物掺量的不同相对普通砂浆降低了29%～39%。说明随着聚合物掺量的增加, PMA 逐渐向一种柔性材料转化。
( 4) PCC 的粘结强度普遍高于普通混凝土, 当P / C= 0. 10～0. 15 时, PCC 的粘结抗弯拉强度相对普通混凝土提高了32%～72% 。本试验结果可以从侧面证明PMA 的粘结性能优于普通砂浆。
( 5) PMA 的耐久性能与聚合物掺量有着很好的对应关系, 表现为聚灰比越高耐久性能越好。当聚合物掺量为5%～15% 时, PMA 的变形性能、耐腐蚀性能和抗渗能力均随聚合物掺量的增加持续改善。
( 6) 掺入聚合物后, 聚合物膜随聚合物掺量的增加逐渐连续完整, 并与水泥水化物相互交织成为网状骨架结构, 砂浆内部孔隙明显减少, 趋于连续密实的结构。
