工学论文：聚合物改性水泥砂浆含气量对力学性能的影响

    摘要：通过试验研究了相同流动度情况下，聚丙烯酸酯乳液（ＶＩＶＩＤ４００）、乙烯／醋酸乙烯酯共聚乳液（ＣＰ１４９）和丁苯乳液（ＳＤ６２３）改性水泥砂浆含气量对其力学性能的影响．结果表明：３种聚合物乳液引入气泡量有所不同；随着消泡剂掺量的增加，改性水泥砂浆体积密度有不同程度的提高，含气量降低，而抗折、抗压强度则有较大幅度的提高；ＶＩＶＩＤ４００改性水泥砂浆拉伸黏结强度随消泡剂掺量的增加呈先升高后降低的趋势，这可能与消泡剂对改性水泥砂浆孔结构的影响有关．
      关键词：聚合物；体积密度；含气量；力学性能
   聚合物乳液改性水泥砂浆已在混凝土修补、加固和防腐蚀等工程领域广泛应用．大量研究表明，虽然聚合物的掺入对水泥砂浆韧性改善效果较好，但由于不同聚合物的引气性差别很大，导致掺聚合物水泥砂浆的含气量、体积密度及力学性能有所不同．王茹等探讨了聚丙烯酸酯乳液在水泥砂浆中的应用，结果表明，由于乳液的保水作用和引气性，其在一定程度上降低了水泥砂浆的体积密度和抗压强度．郑薇等研究了乙烯基共聚物对水泥砂浆含气量和体积密度的影响，结果表明，聚合物可提高水泥砂浆的含气量，降低体积密度，且不同聚合物对其含气量及体积密度的影响效果不同．李芳等研究了丁苯乳液改性水泥砂浆的物理性能，结果表明，在相同流动度和相同水灰比２种情况下，随着丁苯乳液掺量的增加，新拌水泥砂浆和硬化水泥砂浆的体积密度都先降低后回升；当水灰比相同时，硬化水泥砂浆的孔隙率随丁苯乳液掺量增加先增后降；随着水灰比的增大，硬化水泥砂浆孔隙率增大．李建等研究发现，在相同流动度情况下，随丁苯乳液掺量的增加，硬化水泥砂浆的体积密度先减小后回升，其抗压强度急剧下降，抗折强度先下降后略有上升．众所周知，水泥砂浆中是否引气、引气量的多少以及气泡的结构对聚合物乳液改性水泥砂浆的力学性能具有重要影响．适当的含气量不仅可以改善新拌水泥砂浆的工作性能，还能提高其抗渗性、抗冻性等耐久性指标．本文将水泥砂浆的流动度控制在相同范围内，就目前应用较多的聚丙烯酸酯乳液（ＶＩＶＩＤ４００）、乙烯／醋酸乙烯酯共聚乳液（ＣＰ１４９）和丁苯乳液（ＳＤ６２３）改性水泥砂浆（以下简称改性水泥砂浆）的含气量（体积分数）对力学性能的影响进行了试验研究．前期研究发现，当聚丙烯酸酯乳液掺量为８％（质量分数）时，改性水泥砂浆的抗折强度显着提高，抗压强度可达到不掺乳液时的抗压强度，并且其拉伸黏结强度较高．因此，本文将聚合物乳液掺量固定为８％，通过改变消泡剂掺量来调整改性水泥砂浆的含气量．
     １试验１．１原材料水泥：上海海豹水泥有限公司产Ｐ·Ｏ　４２．５普通硅酸盐水泥．聚合物：聚丙烯酸酯乳液ＶＩＶＩＤ４００，其含固量为５０．０％（质量分数），玻璃化温度为５℃；丁苯乳液ＳＤ６２３，其含固量为５１．０％，玻璃化温度为１３℃；乙烯／醋酸乙烯酯共聚乳液ＣＰ１４９，其含固量为５５．５％，玻璃化温度为９℃．集料：由上海汇精亚纳米新材料有限公司生产的３种 粒 径 范 围 （１２０～２１２，２１２～３８０，３８０～８３０μｍ）石英砂配制而成，其配制比例（质量比）为：０．６２∶０．１９∶０．１９，堆积密度为１　７４７ｋｇ／ｍ３．减水剂：上 海 三 瑞 化 学 有 限 公 司 产 聚 羧 酸 系 减 水 剂（ＰＣ），其含固量为４０％．消泡剂：上海博易和化工有限公司产ＢＸ－８３５消泡剂，粉剂．拌和水：自来水．表１水泥的化学组成Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（ｂｙ　ｍａｓｓ）ｏｆ　ｃｅｍｅｎｔ ％ＳｉＯ２ＣａＯ　Ａｌ２Ｏ３Ｆｅ２Ｏ３ＭｇＯ　ＳＯ３Ｋ２Ｏ　Ｎａ２Ｏ　ＴｉＯ２ＭｎＯ　ＳｒＯ２３．４０　５７．６０　８．０６　２．０４　３．１２　３．０８　０．６４　０．２５　０．３３　０．１７　０．１４
      １．２试验过程１．２．１改性水泥砂浆的制备改性水泥砂浆的灰砂质量比为１．０∶２．５，通过调整用水量使其流动度控制在（１７０±１０）ｍｍ，乳液掺量（乳液固体占水泥的质量分数）固定为８％，通过调整消泡剂掺量来改变改性水泥砂浆的含气量．改性水泥砂浆的配合比及流动度测试结果见表２．制备试样时，先将集料与水泥搅拌均匀，再将乳液掺入水中，然后按ＧＢ／Ｔ　１７６７１-１９９９《水泥胶砂强度检验方法》搅拌成型，自然养护至所需龄期．
      １．２．２改性水泥砂浆的体积密度和含气量改性水泥砂浆的体积密度和含气量根据ＪＧＪ／Ｔ７０-２００９《建筑砂浆基本性能试验方法》测定．抗折强度和抗压强度改性水泥砂浆的抗折和抗压强度根据ＧＢ／Ｔ１７６７１-１９９９《水泥胶砂强度检验方法》测定．拉伸黏结强度用５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍ混凝土黏结试验专用成型板，参考ＪＣ／Ｔ　９８５-２００５《地面用水泥基自流平砂浆》的测试方法测试改性水泥砂浆２８ｄ的拉伸黏结强度．表２改性水泥砂浆的配合比、流动度及含气量
       ２试验结果与讨论２．１体积密度图１为改性水泥砂浆体积密度与消泡剂掺量的聚合物改性水泥砂浆含气量对力学性能的影响 ５６３关系．不 掺 消 泡 剂 时，ＶＩＶＩＤ４００，ＣＰ１４９，ＳＤ６２３改 性 水 泥 砂 浆 的 体 积 密 度 分 别 为１　３５５，２　２１５，２　２４２ｋｇ／ｍ３．随着消泡剂掺量的增加，３种改性水泥砂浆的体积密度都有不同程度的增大．消泡剂掺量（质量分数）为０％～０．５％时，ＶＩＶ－ＩＤ４００改性水泥砂浆的体积密度大幅提高，最高可达２　１６４ｋｇ／ｍ３；继续增加消泡剂掺量，改性水泥砂浆体积密度提高幅度减小．不掺消泡剂时，ＣＰ１４９，ＳＤ６２３改性水泥砂浆的体积密度较高，掺入消泡剂后，其体积密度提高幅度不大．这是由于乳液的引气作用导致体积密度下降．因此，在实际应用中可掺入适量消泡剂以提高改性水泥砂浆的体积密度．新拌砂浆体积密度与消泡剂掺量的关系.
      ２．２含气量图２为改性水泥砂浆含气量与消泡剂掺量的关系．可以看出，不掺 消 泡 剂 时，ＶＩＶＩＤ４００，ＣＰ１４９，ＳＤ６２３改 性 水 泥 砂 浆 的 含 气 量 分 别 为４３．６％，８．７％，７．３％．随着消泡剂掺量的增加，３种改性水泥砂浆的含气量都有不同程度的降低．消泡剂掺量为０％～０．５％时，ＶＩＶＩＤ４００改性水泥砂浆的含气量显着下降，当消泡剂掺量为０．５％时，其含图２砂浆含气量与消泡剂掺量的关系Ｆｉｇ．２　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ａｉｒ　ｖｏｉｄ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆｃｅｍｅｎｔ　ｍｏｒｔａｒ　ａｎｄ　ｄｏｓａｇｅ　ｏｆ　ｄｅｆｏａｍｅｒ气量降至８．０％，继续增加消泡剂掺量，含气量降低幅度减小．不掺消泡剂时，ＣＰ１４９，ＳＤ６２３改性水泥砂浆的含气量较低，掺入消泡剂后，其含气量降低幅度不大．由于３种乳液引入的气泡量不同，可根据实际需要通过掺入适量的消泡剂来控制改性水泥砂浆的含气量．
     ２．３抗折强度和抗压强度图３为３种改性水泥砂浆抗折强度与含气量的关系．随着含气量的降低，ＶＩＶ－ＩＤ４００改性水泥砂浆３ｄ抗折强度逐渐升高，７，２８ｄ抗折强 度 呈 先 升 高 后 降 低 的 趋 势，当 含 气 量 为８．０％时，其最大抗折强度可达１２．５ＭＰａ，当含气量高于２２．５％时，其２８ｄ抗折强度小于７ｄ抗折强度，出现抗折强度倒缩现象．从图３（ｂ）可以看出，随着含气量的降低，ＣＰ１４９改性水泥砂浆的抗折强度小幅度升高后下降，含气量为６．０％时达到最大值，其３，７，２８ｄ抗折强度稳定增长．随着含气量的降低，ＳＤ６２３改性水泥砂浆的抗折强度先降后升，不掺消泡剂时（含气量为７．３％），其抗折强度最大．３种改性水泥砂浆抗压强度与含气量的关系．可以看出，随着含气量的降低，ＶＩＶ－ＩＤ４００改性水泥砂浆３ｄ抗压强度逐渐升高，７，２８ｄ抗压强度呈先升高后降低的趋势，含气量为８．０％时达到最大值．当含气量大于２２．５％时，ＶＩＶＩＤ４００改性水泥砂浆２８ｄ抗压强度小于其７ｄ的抗压强度，出现抗压强度倒缩现象．可以看出，随着含气量的降低，ＣＰ１４９改性水泥砂浆的抗压强度小幅升高后下降，含气量为６．０％时达到最大值，而且，其７，２８ｄ的抗压强度比较接近．可以看出，随着含气量的降低，ＳＤ６２３改性水泥砂浆的抗压强度先降后升，不掺消泡剂时（含气量为７．３％），其抗压强度最大．由于本文是通过掺加消泡剂来降低改性水泥砂浆的含气量，消泡剂的存在不仅有助于抑制改性水泥砂浆中气泡的产生，而且对其孔结构也会产生一定影响．另外，过多掺加消泡剂可能对改性水泥砂浆强度的发展产生不利影响，因而在图３，４中出现了含气量过低时强度反而有所降低的现象．对于３种改性水泥砂浆来说，当含气量过高时，气泡会在水泥浆体中形成有害孔隙，降低密实度，导致其强度下降；对于ＶＩＶＩＤ４００改性水泥砂浆，由于含气量过低，流动性较差，在相同流动度情况下需水量增加，水灰比升高，导致其强度下降；对于ＣＰ１４９，ＳＤ６２３这２种改性水泥砂浆，虽然不掺消泡等：聚合物改性水泥砂浆含气量对力学性能的影响 ５６５剂时含气量较低，但其强度也小幅下降，这可能是因为含气量只能反映新拌水泥砂浆孔隙的多少，无法反映硬化水泥砂浆的孔隙率和孔隙分布情况，在含气量降低到一定程度后，继续增加消泡剂掺量可能会影响孔隙分布．因此，在研究改性水泥砂浆时，可先了解聚合物乳液引入的气泡量，然后通过调整消泡剂的掺量来获得适当的含气量，这样既消除了乳液引入大量气泡对强度的不利影响，又可利用气泡的滚珠轴承效应来改善水泥砂浆流动性，使其在相同流动度情况下起到一定的减水作用，从而有利于强度的提高，最大程度地发挥聚合物乳液的改性作用．
     ２．４拉伸黏结强度图５为ＶＩＶＩＤ４００改性水泥砂浆拉伸黏结强度与含气量的关系．可以看出，随着含气量的降低，改性水泥砂浆拉伸黏结强度呈先增加后降低的趋势，与抗折、抗压强度的变化规律基本一致，当含气量为８．０％时，其拉伸黏结强度为１．３０ ＭＰａ，当含气量为７．４％时，其拉伸黏结强度达到最大值，为１．３３ＭＰａ．根据发生破坏的位置，水泥砂浆黏结试样的破坏模式可分为界面破坏、内聚破坏和基材破坏．界面破坏发生在水泥砂浆黏结试样与基材或环氧黏结剂的界面；内聚破坏为黏结试样自身的破坏；基材破坏发生在基材本身．ＶＩＶＩＤ４００改性水泥砂浆黏结试样的破坏模式．可以看出，不掺消泡剂时，由于改性水泥砂浆含气量过高，与基体的黏结强度较低，使黏结试样容易从基体表面脱落，其破坏模式为界面破坏．可以看出，掺０．７％消泡剂时（改性水泥砂浆含气量仅为７．４％），改性水泥砂浆与基体具有较高的拉伸黏结强度，其黏结试图６　ＶＩＶＩＤ４００改性水泥砂浆黏结试样的破坏模式样的破坏模式中界面破坏和内聚破坏兼而有之．
      ３结论（１）在相同流动度下，随着消泡剂掺量的增加，３种改性水泥砂浆的体积密度都有不同程度的提高．（２）３种乳液引入水泥砂浆的气泡量有所不同，ＶＩＶＩＤ４００引气最为显着，ＣＰ１４９，ＳＤ６２３引气相对较少．改性水泥砂浆含气量随消泡剂掺量的增加而降低，在实际应用中，可根据聚合物乳液引气的多少通过掺入适量消泡 剂 来 控 制 改 性 水 泥 砂 浆 的 含气量．（３）对于ＶＩＶＩＤ４００改性水泥砂浆，随着消泡剂掺量的增加和含气量的减小，其２８ｄ抗折、抗压强度和拉伸黏结强度呈先升高后降低的趋势．（４）消泡剂的过量掺加会影响改性水泥砂浆的孔隙结构和强度发展．
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