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        VAE改性水泥砂漿微觀結(jié)構(gòu)及性能研究

        2020-09-30 01:50:34況棟梁龍景潭張陽尹艷平陳豫
        應(yīng)用化工 2020年9期
        關(guān)鍵詞:柔韌性水泥砂漿碳化

        況棟梁,龍景潭,張陽,尹艷平,陳豫

        (1.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710064;2.金華市公路管理局,浙江 金華 321000; 3.金華市婺城區(qū)公路管理段,浙江 金華 321000)

        聚合物改性水泥砂漿由于具有優(yōu)異的柔韌性、耐酸堿性等[1-3],而被應(yīng)用于混凝土路表病害處治[4]。目前,鮮有學(xué)者采用VAE乳液對水泥砂漿進(jìn)行改性,制備出一種混凝土路表修復(fù)材料,聚合物與水泥漿體的作用機制有待深入研究,路表修復(fù)材料的性能評價體系亟需完善。

        VAE具有優(yōu)異的耐久性能,與水泥適應(yīng)性好,經(jīng)濟(jì)性能突出[5]。本文研究了VAE摻量對水泥砂漿物理力學(xué)特性及抗碳化性能的影響。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測水泥-聚合物膠凝體的微觀形貌,探索VAE對水泥砂漿性能改善的作用機制,并推薦其合理摻量,為聚合物改性水泥砂漿在路面材料中的應(yīng)用提供參考。

        1 實驗部分

        1.1 材料與儀器

        冀東牌P.0.42.5硅酸鹽水泥,性能見表1;機制石英砂,性能見表2;億豐化工VAE乳液,性能見表3;減水劑、消泡劑均由陜西交科新材料有限公司提供。

        表1 水泥物理性能指標(biāo)Table 1 Cement physical property index

        表2 石英砂物理性能指標(biāo)Table 2 Quartz sand physical properties

        表3 VAE乳液基本性能指標(biāo)Table 3 VAE emulsion basic performance indicators

        Positest AT-a拉拔儀;S-4800掃描電子顯微鏡。

        1.2 實驗方法

        砂漿試件的成型、養(yǎng)護(hù)、力學(xué)性能測試參照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999),砂漿流動度參照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2005)進(jìn)行測試,各組試件的配比見表4。規(guī)定VAE摻入為0的組為基準(zhǔn)組。

        表4 改性水泥砂漿配合比Table 4 Modified cement mortar mix ratio

        水泥砂漿干縮試驗具體參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30—2005)進(jìn)行。

        碳化試驗具體參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GBJ 82—85),各組試件具體配比按照表4進(jìn)行。

        粘結(jié)性能的測試按照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999)制備砂漿,用拉拔錠子輕放到剛制備的水泥砂漿表面,養(yǎng)護(hù)28 d后通過拉拔儀進(jìn)行測試。

        采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行SEM實驗,無水乙醇浸泡后烘干噴金進(jìn)行測試。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 聚合物水泥砂漿工作性能

        水泥砂漿的工作性能包括凝結(jié)時間、流動度[6]等。水泥砂漿的工作性能決定了其施工可行性、耐久性能[7]。流動度實驗結(jié)果見圖1、圖2。

        圖2 VAE摻量對水泥砂漿流動度損失率的影響Fig.2 Effect of VAE content on fluidity loss rate of cement mortar

        由圖1可知,隨著VAE摻量的增加,水泥砂漿的流動度呈下降的趨勢,VAE摻量>8%后,流動度損失率降低幅度逐漸變小。由圖2可知,水泥砂漿1 h流動度損失率隨聚合物摻量增加而逐漸降低。

        圖3a、3b分別為VAE摻量0,8%的初始流動度圖片對比。

        由圖3a可知,水泥砂漿表面松散、粘稠性差,由圖3b可知,水泥砂漿粘稠密實、整體性好。造成上述試驗現(xiàn)象的原因在于:VAE乳液為高粘結(jié)性乳液,在機械攪拌的作用下,聚合物乳液易附著在水泥顆粒、石英砂顆粒表面,增加膠凝材料、石英砂之間的粘結(jié)能力,使水泥砂漿的流動度隨VAE摻量的增加逐漸降低。流動度損失率體現(xiàn)的是砂漿的保水能力,保水能力越好,砂漿的耐久性能、施工性能更優(yōu)。當(dāng)VAE摻量為8%時,聚合物與凝膠體、石英砂的包裹填充作用達(dá)到一個相對飽和的狀態(tài),此后隨VAE摻量的增加,聚合物與膠凝體、石英砂的接觸面變化不大,聚合物相互之間的接觸面增加,使水泥砂漿1 h流動度損失率在VAE摻量超過8%后降低幅度變小。

        圖3 不同VAE摻量水泥砂漿流動度對比Fig.3 Comparison of fluidity of cement mortar with different VAE content

        2.2 聚合物水泥砂漿強度特性

        2.2.1 抗壓強度與抗折強度 混凝土路面修復(fù)用改性水泥砂漿,對其抗壓強度要求較低,柔韌性要求較高[8-9]。砂漿的力學(xué)性能決定了其工程用途、耐久性能[10]。力學(xué)性能實驗結(jié)果見圖4、圖5。

        圖4 VAE摻量對水泥砂漿抗折強度的影響Fig.4 Effect of VAE content on flexural strength of cement mortar

        圖5 VAE摻量對水泥砂漿抗壓強度的影響Fig.5 Effect of VAE content on compressive strength of cement mortar

        由圖4可知,水泥砂漿的抗折強度先上升后下降,VAE摻量為8%時抗折強度達(dá)到最大值 9.1 MPa。原因在于:聚合物裹附在水化產(chǎn)物、石英砂表面,填充于砂漿中的有害孔隙,增加了水泥砂漿空間彈性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強度,提高了其柔韌性,VAE摻量為8%時,聚合物填充、裹附作用達(dá)到相對飽和的狀態(tài),抗折強度此時達(dá)到最大,此后,聚合物摻量的增加擠占了單位面積內(nèi)水泥含量,水化產(chǎn)物的減少影響了水泥砂漿的力學(xué)性能,使抗折強度在VAE摻量過8%后呈下降的趨勢。由圖5可知,隨著VAE摻量的增加,水泥砂漿的抗壓強度呈下降的趨勢,砂漿后期強度的增長呈遞增的趨勢。柔韌性增加對應(yīng)著脆性降低,造成水泥砂漿的抗壓強度隨VAE摻量的增加而逐漸降低。聚合物的加入增加了水化物膜層的厚度,減緩了外部水分的進(jìn)入和內(nèi)部水化產(chǎn)物的析出,促進(jìn)了后期水化,使摻聚合物組水泥砂漿后期強度增長大于基準(zhǔn)組。

        2.2.2 壓折比 壓折比體現(xiàn)的是水泥砂漿的柔韌性,壓折比越低表明柔韌性越好[11]。壓折比實驗結(jié)果見圖6。

        圖6 VAE摻量對水泥砂漿壓折比的影響Fig.6 Effect of VAE dosage on the cementation ratio of cement mortar

        由圖6可知,隨著VAE摻量的增加水泥砂漿7,28 d的壓折比整體呈下降的趨勢,VAE摻量從0增加到16%,28 d壓折比從5.4下降到3.7,說明VAE顯著地改善了水泥砂漿的柔韌性。由于VAE乳液為柔性材料,隨著聚合物摻量的增加水泥砂漿的柔韌性增加,造成壓折比逐漸降低。

        2.3 聚合物水泥砂漿干縮特性

        干縮是引起水泥砂漿開裂的主要原因[12],開裂后的水泥砂漿容易被侵蝕介質(zhì)侵入,降低耐久性能[13]。干縮實驗結(jié)果見圖7。

        圖7 VAE摻量對不同齡期水泥砂漿干縮性能的影響Fig.7 Effect of VAE content on dry shrinkage of cement mortar at different ages

        由圖7可知,水泥砂漿的干縮率隨著VAE摻量的增加逐漸降低,前7 d齡期干縮率變化幅度較大,說明VAE減少了水泥砂漿的干縮裂縫,提高了其耐久性能。原因分析:聚合物有效地填充了水泥砂漿內(nèi)部的有害孔隙,阻止了砂漿內(nèi)部水分向外界遷移,同時,聚合物形成的空間彈性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠吸收部分干縮應(yīng)力,使水泥砂漿的干縮率隨VAE的摻入而逐漸降低。前7 d自由水分揮發(fā)較快,水化放熱高,造成干縮率變化幅度較大。

        2.4 聚合物水泥砂漿抗碳化特性

        碳化深度是評價水泥混凝土耐久性能的主要指標(biāo)[14]。水泥混凝土發(fā)生碳化后使其堿度降低,對水泥石結(jié)構(gòu)造成破壞[15]。碳化實驗結(jié)果見圖8。

        圖8 VAE摻量對不同齡期水泥砂漿碳化深度的影響Fig.8 Effect of VAE content on carbonation depth of cement mortar at different ages

        由圖8可知,隨著VAE摻量的增加,水泥砂漿的碳化深度逐漸減小,當(dāng)VAE摻量超過8%時,聚合物對水泥砂漿碳化深度的影響逐漸變小。說明水泥砂漿的內(nèi)部密實程度隨VAE的摻入而逐漸提高,抗侵蝕能力逐漸改善。由于VAE膠膜有效填充結(jié)構(gòu)內(nèi)有害孔隙,裹附水化產(chǎn)物、石英砂,柔性接觸面增加,水泥砂漿密實程度提高,使砂漿的碳化深度隨VAE的增加呈降低的趨勢。侵蝕介質(zhì)主要沿砂漿的孔隙進(jìn)入,VAE摻量為8%時,聚合物填充有害空隙達(dá)到相對飽和的狀態(tài),此后隨著VAE摻量的增加,水泥砂漿碳化深度的變化幅度逐漸減小。

        2.5 界面粘結(jié)性能

        與舊路面的粘結(jié)性能是水泥修復(fù)砂漿的重要評價指標(biāo)[16],粘結(jié)性能與路面修復(fù)材料的耐久性能密切相關(guān)[17]。界面粘結(jié)性能實驗結(jié)果見圖9。

        由圖9可知,隨著VAE摻量的增加水泥砂漿的界面粘結(jié)強度先上升后下降,VAE摻量為8%時,界面粘結(jié)強度達(dá)到最大值1.95 MPa。隨著VAE摻量的增加,單位面積內(nèi)有更多的高聚物滲入到水泥砂漿中的有害孔隙,使砂漿與錠子的接觸面變得密實,當(dāng)錠子受到拉拔時,膠膜可承擔(dān)部分拉應(yīng)力,使砂漿的界面粘結(jié)強度在VAE摻量為8%時達(dá)到最大,當(dāng)VAE摻量超過8%后,與錠子接觸的膠凝材料含量降低,聚合物含量增加,且膠凝材料粘結(jié)力降低程度遠(yuǎn)大于VAE膠乳提供的粘結(jié)力,造成砂漿的界面粘結(jié)強度在VAE摻量>8%后顯著降低。

        圖9 VAE摻量對改性砂漿粘結(jié)強度的影響Fig.9 Effect of VAE content on bond strength of modified mortar

        2.6 微觀結(jié)構(gòu)分析

        采用SEM微觀分析技術(shù)觀測水泥砂漿的微觀形貌,通過微觀形貌分析聚合物對水泥砂漿宏觀性能的影響[18]。水泥砂漿微觀實驗結(jié)果見圖10。

        圖10 不同放大倍數(shù)下改性砂漿的微觀形貌Fig.10 The micro morphology of modified mortar at different magnifications

        由圖10可知,A為C—S—H凝膠,B為軟相聚合物,C為鈣礬石,各水化產(chǎn)物之間相互穿插形成空間彈性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。圖10a中C—S—H凝膠周圍、鈣礬石穿插層留下孔洞較少,針狀鈣礬石相對粗短,固化后高聚物裹附在鈣礬石、水化硅酸鈣凝膠表面,增強了各水化產(chǎn)物之間的粘結(jié)能力,且有效地填充了水化產(chǎn)物之間的空隙,使砂漿整體結(jié)構(gòu)變得密實。部分水化產(chǎn)物由固相體接觸變?yōu)檐浵嘟缑娼佑|,增加了水泥砂漿的結(jié)構(gòu)柔性,軟相體引導(dǎo)了水化產(chǎn)物的發(fā)育,在聚合物周圍團(tuán)簇了較多的鈣礬石相,見圖10b中C所示。宏觀表現(xiàn)為聚合物的摻入促進(jìn)了水泥砂漿后期水化,改善了水泥砂漿的柔韌性、抗CO2侵蝕能力。

        3 結(jié)論

        (1)本文通過優(yōu)選聚合物VAE制備出了一種混凝土路面修復(fù)用聚合物改性水泥砂漿,綜合考慮水泥砂漿的力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性能,建議VAE的最佳摻量為膠凝材料用量的8%。VAE的摻入提高了水泥砂漿的抗折強度,降低了脆性,促進(jìn)了水泥砂漿的后期水化。

        (2)VAE改性水泥砂漿有良好的界面粘結(jié)性能,最高可達(dá)1.95 MPa。水泥砂漿的1 h流動度損失率、碳化深度、干縮率隨VAE的加入逐漸降低。表明VAE比普通砂漿有更好的保水能力,能提高水泥砂漿的工作性能;提高砂漿抗碳化侵蝕能力;減少砂漿干縮裂紋的形成。

        (3)從SEM微觀結(jié)構(gòu)實驗顯示,固化后的VAE膠膜裹附在鈣礬石、C—S—H凝膠、氫氧化鈣、石英砂表面,各物質(zhì)之間的脆性接觸變?yōu)槿嵝越佑|,有效填充了水泥砂漿結(jié)構(gòu)中的有害孔隙,使水泥砂漿的致密性、柔韌性提高。

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