劉大智,儲洪強,蔣林華

(河海大學力學與材料學院,江蘇南京 210098)

混凝土是現(xiàn)代土木建筑工程中不可缺少、用量最大、用途最廣的一種建筑材料。用混凝土材料建造的建筑物,隨著運行年限的增長,由于設計、施工、材料耐久性及管理不良等多因素引起的工程老化與病害不斷發(fā)生。對于有實質性危害的混凝土缺陷,必須用好的補強加固材料進行補強處理,以控制這些缺陷對建筑物的危害。因此,新型修補加固材料的研制十分必要。聚合物水泥砂漿是有機和無機的復合材料,是將分散于水中或溶于水中的聚合物摻入普通水泥砂漿中配制而成的,用聚合物高分子材料對水泥砂漿改性有著十分重大的意義[1-8]。砂漿的耐久性能主要包括收縮性能、抗?jié)B性能、碳化性能、抗凍性能。本文重點探討不同聚灰比水泥砂漿的耐久性能是否優(yōu)于普通水泥砂漿,以適應修補加固的需要。

1 試驗原材料及配合比

試驗所用水泥為江蘇雙龍集團龍?zhí)端鄰S生產的P.O42.5級水泥;砂為Ⅱ區(qū)天然河砂,細度模數(shù)為2.8;高分子材料是經優(yōu)選后的機械穩(wěn)定性較好的醋酸乙烯-乙烯共聚乳液[9],固含量為54.0%,pH值為5.0,密度為 1.07g/cm3。

砂漿配合比設計時,遵循新拌水泥砂漿和易性相同(膠砂流動度指標為(140±5)mm)的原則來確定聚合物水泥砂漿的水灰比。聚合物水泥砂漿的配合比見表1。

2 試驗過程及結果分析

2.1 收縮性能

試驗參照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規(guī)程》進行。試件尺寸為40mm×40mm×160mm的棱柱體,兩端預埋金屬收縮測頭。在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護7d后,移入溫度20℃±2℃、相對濕度60%±5%的恒溫干縮室中用精度為0.01mm的立式砂漿收縮儀測定試件的初始長度,然后到規(guī)定干縮齡期時測定試件的長度,即可得出自然干縮后的長度。

表1 聚合物水泥砂漿配合比

參照文獻[10],本試驗設計在聚合物水泥砂漿中摻入了MgO,以觀察MgO對聚合物水泥砂漿干縮性能的影響。試驗結果見圖1,其中編號為PM1和PM2的試件代表編號為P10的砂漿中摻入MgO試劑分別占水泥用量的1%和2%。

圖1 砂漿干縮對比曲線

試驗結果表明,隨著聚合物摻量的增加,收縮值逐漸降低,原因主要是由于摻入的聚合物硬化后形成了交織的網狀膠膜結構,這種膠膜結構不存在干燥收縮問題,在一定程度上降低了水泥砂漿的收縮程度;另一方面,聚合物的引氣效果使得聚合物水泥砂漿的孔結構趨于封閉化,從而改善砂漿的收縮性能。聚合物水泥砂漿中摻入納米級SiO2后,其收縮性能遠差于相同聚灰比的聚合物水泥砂漿,甚至比普通水泥砂漿的收縮值還大,原因有待于進一步試驗研究。

另外,聚合物水泥砂漿中摻入占水泥用量的1%和2%的MgO試劑后,其收縮性能與未摻MgO的聚合物水泥砂漿相比并未呈現(xiàn)明顯改善,因此在后續(xù)試驗中未對MgO的摻入影響做進一步研究。

2.2 抗?jié)B性能

對于水工混凝土而言,往往要求其具有抵抗壓力水滲透的能力,用于水工混凝土的修補材料,其抗?jié)B性能好壞至關重要。因此,有必要對普通水泥砂漿和聚合物水泥砂漿的抗?jié)B性能進行對比試驗研究。

試驗參照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規(guī)程》,在SS-15型砂漿滲透儀上進行滲透試驗,采用上口直徑70mm、下口直徑80mm、高30mm的圓錐形試件,養(yǎng)護到28d,在試件側面和試模內表面涂1層有機硅橡膠,把試件壓入試模使上下底面齊平,靜置24h后裝入滲透儀上逐級加壓。水壓從0.2MPa開始,保持2h,增至0.3MPa,以后每隔 1h增加水壓0.1MPa,直至所有試件頂面均滲水為止。記錄每個試件各壓力段的水壓力和相應的恒壓時間。若水壓增至1.5MPa而試件仍未透水,則不再升壓,持荷6h后停止試驗。未透水的試件劈開測量試件的滲水高度。試驗結果表明,砂漿試件都未透水。

抗?jié)B試驗結果如下:編號為P0,P5,P10,P15,PN的試件,滲水高度分別為15mm,8mm,6mm,5mm,3mm。由此可見,隨著水泥砂漿中聚合物摻入量的提高,水泥砂漿的抗?jié)B性能逐步提高,其主要原因是聚合物在水泥砂漿中硬化后形成相互交織的網狀膠膜結構,提高了水泥砂漿的密實性,而且在聚灰比0～15%范圍內聚合物摻量越大則膠膜結構越完善,進而使水泥砂漿結構更致密,其抗?jié)B性能更好。摻入納米級SiO2的聚合物水泥砂漿由于SiO2的水化作用能進一步密實水泥砂漿結構,因此其抗?jié)B性能最好。

2.3 碳化性能

這里涉及的聚合物水泥砂漿系作為混凝土修補材料使用,故應考慮其抗碳化性能,基于此設計以下試驗。試驗參照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規(guī)程》進行,試件尺寸為40mm×40mm×160mm,測試齡期分別為3d,7d,14d,28d,60 d。碳化箱中的CO2體積分數(shù)控制在20%±3%,溫度和濕度分別控制在20℃±2℃和70%±5%范圍內。

聚合物水泥砂漿的碳化試驗結果見圖2。由圖2可見,隨著水泥砂漿中聚合物摻入量的提高,水泥砂漿的抗碳化性能逐步提高。其主要原因是由于摻入聚合物在水泥砂漿中硬化后形成相互交織的網狀膠膜結構,提高了水泥砂漿的密實度,而且在聚灰比0～15%范圍內聚合物摻量越大則形成的膠膜結構越完善,進而使水泥砂漿結構更為密實,從而提高其抗碳化性能。在聚合物水泥砂漿中,摻加納米級SiO2的水泥砂漿由于SiO2的水化作用消耗了一定量的Ca(OH)2,因此導致該材料的抗碳化性能相對較差,但其抗碳化性能仍遠優(yōu)于普通水泥砂漿。

圖2 砂漿碳化曲線

2.4 抗凍性能

本文除了比較聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿抗凍性的優(yōu)劣外,還探討聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿新老黏結后的抗凍性。試驗參照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規(guī)程》進行,試件尺寸為40mm×40mm×160mm。砂漿試件中心凍融溫度控制在(-17±2)～(8±2)℃,每個凍融循環(huán)時間為4～5h。每隔25個循環(huán)測其動彈性模量和質量。測試前洗凈試件表面浮渣,擦去表面水分并檢查外部損傷情況。

聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿抗凍性試驗結果見表2。由表2可見,隨著水泥砂漿中聚合物的摻入,聚合物水泥砂漿的抗凍性得到極大的提高,抗凍等級達到D300。其主要原因是摻入的聚合物在水泥砂漿中硬化后形成相互交織的網狀膠膜結構,提高了水泥砂漿的密實度,而且摻量越大膠膜結構越完善,進而使得水泥砂漿結構更密實,從而提高其抗凍性能。

表2 凍融試驗結果

聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿新老黏結后的抗凍性試驗結果見表3。由表3可見,聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿新老黏結后的抗凍性明顯好于普通水泥砂漿新老黏結后的抗凍性。

表3 聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿新老黏結后抗凍性試驗結果

3 微觀機理分析

3.1 XRD分析

圖3 XRD圖譜

編號為P0,P10,PN試件的XRD圖譜見圖3。比較圖3(a)和圖3(b)可以看出,聚合物水泥砂漿的衍射圖譜中未發(fā)現(xiàn)與普通水泥砂漿不同的水化產物的衍射峰。28d齡期的普通水泥砂漿和聚合物水泥砂漿圖譜的最明顯區(qū)別是:普通水泥砂漿的Ca(OH)2特征峰強度(衍射峰峰值)明顯高于聚合物水泥砂漿,而未水化水泥熟料 β-C2S的特征峰強度則低于聚合物水泥砂漿。這說明普通水泥砂漿的水化程度比聚合物水泥砂漿的高,出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是由于在水泥砂漿中摻加了高分子材料聚合物乳液,其養(yǎng)護條件是先濕養(yǎng)7d,后干養(yǎng)21d,以利于高分子材料聚合物乳液的成膜,因此普通水泥砂漿中的水泥比聚合物水泥砂漿中的水泥水化程度充分得多。在水泥水化不完全的條件下,聚合物水泥砂漿仍普遍表現(xiàn)出高于普通水泥砂漿的強度,從另一個方面也說明高分子聚合物對水泥砂漿的強度增長有較大的貢獻。

通過圖3(b)和圖3(c)比較可以發(fā)現(xiàn),摻入納米級SiO2后其水化產物與未摻的砂漿沒有明顯差別。未水化的水泥熟料 β-C2S的特征峰強度則低于聚合物水泥砂漿,與普通水泥砂漿特征峰強度大體相等。這主要是由于生成的部分Ca(OH)2與SiO2發(fā)生反應,使Ca(OH)2含量偏低,同時也促使β-C2S的水化反應向生成產物的方向進行。換言之,β-C2S的水化反應加速進行。

3.2 SEM分析

編號為P0,P10,P15,PN試件的SEM照片分別見圖4～7。

圖4 P0水泥砂漿的SEM照片

圖5 P10水泥砂漿的SEM照片

圖6 P15水泥砂漿的SEM照片

圖7 PN水泥砂漿的SEM照片

由圖4可以看出,28d齡期的P0普通水泥砂漿的水泥石結構與集料界面存在較多裂縫、缺陷,相對而言其他3種試樣的裂紋、缺陷較少,特別是P10試樣幾乎看不到明顯的裂紋。產生裂紋主要是由于水泥水化產生收縮引起,在普通水泥砂漿中加入高分子聚合物后,形成柔性的網狀膠膜結構,有效地改善了水泥石結構與集料的結合形態(tài),使內部結構趨于完善。這就從微觀結構上解釋了摻入高分子聚合物后其強度、抗?jié)B、抗凍、抗碳化等性能大幅度提高的原因。比較圖4和圖5可發(fā)現(xiàn),在相似的放大倍數(shù)下,P0試件的結構明顯較為疏松,在P10試件中未發(fā)現(xiàn)有明顯的缺陷存在。圖6中可以清晰地看到高分子聚合物硬化后所形成的膠膜結構。在P15試樣的SEM照片中可發(fā)現(xiàn)明顯的球狀結構,這是過多摻入的高分子材料凝結成團所形成的,這也說明P15試樣中高分子聚合物的摻量明顯偏高,未能均勻分散,從經濟角度考慮存在明顯的浪費。PN砂漿的SEM照片中出現(xiàn)了一定量的微裂紋,表明由于摻入SiO2后水泥的水化收縮加大,這也說明PN砂漿不能用做混凝土的修補材料。

4 結 論

通過系統(tǒng)深入的對比試驗,研究了聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿的耐久性能,初步分析了摻入高分子聚合物和納米級SiO2對水泥砂漿性能的影響,得出以下結論:

a.聚合物的摻入使水泥砂漿的收縮值明顯降低,而且隨著摻量的增加其收縮率逐漸降低。聚合物水泥砂漿中摻入納米級SiO2后,其收縮性能遠差于相同聚灰比的聚合物水泥砂漿,甚至比普通水泥砂漿的收縮值更大;聚合物水泥砂漿中摻入2%的MgO后其收縮性能并未得到明顯改善。

b.水泥砂漿的抗?jié)B性能隨著水泥砂漿中聚合物摻量的增加而逐步提高。摻加納米級SiO2的聚合物水泥砂漿由于SiO2的水化作用能進一步密實水泥砂漿結構,因此其抗?jié)B性能最好。

c.隨著水泥砂漿中聚合物摻量的增加,水泥砂漿的抗碳化性能逐步提高。在聚合物水泥砂漿中,摻入納米級SiO2的水泥砂漿由于SiO2的水化作用消耗了一定量的Ca(OH)2,因此抗碳化性能相對較差,但其抗碳化性能仍遠優(yōu)于普通水泥砂漿。

d.隨著水泥砂漿中聚合物的摻入,水泥砂漿的抗凍性得到極大的提高。聚合物水泥砂漿的黏結強度經過凍融循環(huán)后下降幅度很小,可以認為是一種抗凍性能良好的修補材料。

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