2011苯丙乳液改性水泥砂浆的性能研究

聚灰 比/%
0 5 10 15 20 25
减水 剂/% 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7
消泡 剂/% 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
缓凝 剂/% 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
1.2.2 成型和养护 用 拌 和 水 将 苯 丙 乳 液 稀 释 ， 参 照 欧 洲 标 准 EN
-9-
2010 年第 2 期
混凝土与水泥制品
总第 172 期
Biblioteka Baidu
表 3 聚合物水泥砂浆试验配合比
水泥
砂
编号
/(kg/m3) /(kg/m3)
1# 450 1350
2# 450 1350
3# 450 1350
4# 450 1350
5# 450 1350
6# 450 1350
水灰 比/%
45 43 40 37 33 31
2010 年第 2 期 4月
混凝土与水泥制品 CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS
2010 No2 April
苯丙乳液改性水泥砂浆的性能研究
张 水, 于 洋, 宁 超, 李国忠
（济南大学 材料科学与工程学院, 250022）
摘 要：针对水泥混凝土路面裂缝问题，用快硬硫铝酸盐水泥、苯丙乳液及适量外加剂研制了一种新型道路修补材料。 研究了 苯丙乳 液对 水泥 砂浆的 改性 效果 ，结果 表明：当 聚 灰 比 为 15%~20%时 ，与 空 白 试 样 相 比 ，改 性 砂 浆 28d 抗 折 强 度 提 高 了 39.00%~ 48.23%，28d 弯折粘结强度提高了 45.01%~49.60%，且收缩率较小。 同时用扫描电镜、能谱分析仪及压汞仪对改性砂浆的 微观 结构 和孔径分布进行了观测和分析，探讨了苯丙乳液对水泥砂浆的改性机理。
基 金 项 目 ：济 南 铁 路 局 基 金 计 划 项 目(G0603)。
1.1 原材料 水 泥 为 石 家 庄 某 特 种 水 泥 厂 产 42.5 级 快 硬 硫 铝
酸盐水泥，其化学组成如表 1 所示。 细集料为河砂，细 度模数 2.7，含泥量<1.5%，符合 JGJ52 标准要求。 聚合 物乳液选用北京某公司产的苯丙乳液， 其主要技术指 标见表 2。 选用了特别适用于细粒聚合物乳液的高效 液态消泡剂，它能很好地分散在乳液中 。 另外还自行配 制复合无机类减水剂 （硫铝酸盐水泥专用） 和缓凝剂 （主要成分为二水石膏）。 实验用水为普通自来水。
老混凝土被修补的表面一般存在较多的结构孔 隙 ，用 PMCM 对 其 进 行 修 补 时 ，由 于 聚 合 物 分 子 扩 散 能力强，在修补过程中会渗透到老混凝土的孔隙中，乳 液凝聚后产生的细丝能在修补界面形成聚合物联接 桥，增强了新老材料之间的联接作用；同时聚合物本身 具有较好的粘附性，在修补界面易形成柔性界面层，既 提高了 PMCM 与老混凝土的粘结强度，又改善了界面 过渡区的抗变形能力 。 可见，聚合物乳液通过 在修补界 面形成聚合物联结桥及柔性界面层来改善界面结构及 界面结合，从而有效提高了 PMCM 与老混凝土的粘结 强度。 2.3 收缩性
4#
3.64 25.44 4.56 27.88 5.88 31.69
5#
3.77 26.12 4.95 28.03 6.27 32.85
6#
3.65 25.66 4.82 27.52 5.80 31.82
由 表 4 可 知 ，当 聚 灰 比 较 小 （≤5%）时 ，改 性 砂 浆 的抗折、抗压强度均低于基准砂浆，但随着聚灰比的增 加，改性砂浆的抗折强度明显增大，且随聚灰比的增加 呈先增大后减小的趋势， 当聚灰比为 15%~20%时，改 性砂浆获得较大的抗折强度， 与基准砂浆相比 28d 抗 折强度提高了 39.00%~48.23%； 改性砂浆的抗压强度 无论在何种掺量下均略低于基准砂浆。 引起上述变化 的主要原因是：聚合物乳液失水形成膜结构，分布于水 泥水化产物之间，在有应力时起到架桥作用，能够有效 吸收和传递能量，抑制裂纹的形成和扩展；但由于其自 身弹性模量比水泥石低， 当复合体受压时起不到刚性 支 撑 作 用[2]，所 以 改 性 砂 浆 的 抗 压 强 度 要 比 基 准 砂 浆 的 抗压强度略低。 2.2 粘结强度
关键词：苯丙乳液；水泥砂浆；改性效果；道路修补材料 Abstract: Rapid hardening sulphoaluminate cement, styrene -acrylic emulsion and the proper amount of additives are selected to prepare a new kind of pavement repairing materials aiming at concrete pavement cracks. The modification effects of the styrene-acrylic emulsion on the cement mortar are studied. The results indicate that when the range of polymer/cement ratio (mp/mc) is from 15% to 20%, the 28 days flexural strength increases by 39.00% ~ 48.23%, the 28 days bending bond strength increases by 45.01% ~ 49.60% compared with the blank sample, and the shrinkage rate of the modified mortar is lower. The microstructure and the pore-size distribution of the modified mortar are observed and analyzed by using the scanning electron scope, energy dispersive spectrum and mercury intrusion porosimeter. The modification mechanism of the styrene-acrylic emulsion to the cement mortar is discussed. Key words: Styrene-acrylic emulsion; Cement mortar; Modification effects; Pavement repairing materials 中图分类号：TU57 文献标识码：A 文章编号：1000-4637（2010）02-09-04
普通砂浆
荷载
PMCM
图 1 弯折粘结强度试验模型
1.2.5 收缩率测定 参照 JC/T 603-1995 《水泥胶砂干缩试验方法》进
行收缩性能的测试， 以比长仪测量试样长度变化来确 定收缩率。 试样收缩率按下式计算：
收缩率 St = L0 -Lt ×100% 250
式中，Lt — 某龄期测量读数，mm； L0 — 初始测量读数，mm； 250 — 试块有效长度，mm。
876
1000
1.2 试验过程 1.2.1 配合比确定
在前期试验确定减水剂、 消泡剂及缓凝剂最佳添 加量的基础上设定聚合物乳液的掺量， 通过控制水泥 胶砂流动度保持在（170±5）mm 的原则确定其水灰比， 水泥胶砂流动度测定按 GB/T 2419-2005《水泥胶砂流 动度测定方法》进行。 材料配合比见表 3，表中各成分 掺量均为占水泥的质量分数。
粘结强度/MPa
5.6
3d
5.4
7d
5.2
28d
5.0
4.8
4.6
4.4
4.2
4.0
3.8
3.6
3.4
3.2
3.0
0
5
10 15
20 25
聚 合 物 掺 量 /%
图 2 PMCM 与普通砂浆块的弯折粘结强度
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张 水，于 洋，宁 超，等
苯丙乳液改性水泥砂浆的性能研究
由图 2 可知，掺加苯丙乳液后提高了 PMCM 与普 通砂浆块的弯折粘结强度。在试验掺量范围内，弯折粘 结强度随聚灰比的增加出现先增加后又降低的趋势， 当聚灰比为 15%~20%时，PMCM 与普通砂浆块具有较 大的弯折粘结强度，与基准试样相比，其 28d 弯折粘结 强度增大了 45.01%~49.60%。
为确保行车安全，延长道路使用寿命，对路面裂缝 应及时进行修补。 聚合物改性水泥砂浆(PMCM)作为一 类新型的修补材料，具有抗折强度高、收缩率小、抗渗 性能优、对老混凝土粘结强度高等优点，在水泥混凝土 路面的修补加固中得到广泛应用 。 对于路面裂缝，一般 要求在不停止交通运营的条件下进行修补， 较多的情 况是白天运营，夜间修补，有的只能在运营空隙的几个 小时内进行修补， 这就要求采取有效措施进行快速修 补。 为此，本文选用快硬硫铝酸盐水泥、苯丙乳液及适 量外加剂制备 PMCM， 研究了 PMCM 的抗折强度、收 缩性以及与老混凝土的粘结强度， 获得了一种综合性 能良好的道路修补材料。 1 试验
编号
3d 强度/MPa 抗折 抗压
7d 强度/MPa 抗折 抗压
28d 强度/MPa 抗折 抗压
1#
3.15 28.35 3.48 32.62 4.23 37.15
2#
3.12 27.98 3.45 31.36 4.22 36.87
3#
3.40 25.75 3.97 27.30 5.31 33.08
一般情况下， 修补材料与老混凝土之间的结合是 一个薄弱环节。在粘结界面上常有气孔或水膜层存在， 造成界面结构疏松、水化物晶体富集与定向排列；加之 修补材料与老混凝土的收缩性能不同， 使得界面处易 产生内应力；在载荷作用下，界面两侧材料因弹性模量 不同而产生不一致的变形， 界面易形成应力集中。 因 此， 提高修补材料与旧混凝土的界面粘结性能是裂缝 修补的关键[3]。 PMCM 与普通砂浆块的弯折粘结强度测 定结果见图 2。
采 用 弯 折 方 法 测 定 PMCM 与 普 通 砂 浆 非 成 型 面 的粘结强度。 弯折粘结试验方法为：将尺寸为 40mm× 40mm×160mm 的普通砂浆块从中间锯断，取其中一半 放入试模中与改性砂浆重新成型，养护至规定龄期，然 后用抗折试验机测定其抗折强度（如图 1），若试样在 粘结界面处被破坏，则试验结果即为 PMCM 的粘结强 度。
1.2.6 形貌观察 将养护 28d 的 PMCM 断开， 取其中一个小断面，
用乙醇终止水化， 烘干后对其进行扫描电镜和能谱分 析，采用压汞法测定其孔径分布。 2 结果与讨论
2.1 力学强度 表 4 列出了苯丙乳液不同掺量时改性水泥砂浆
3d、7d、28d 三个龄期的抗压强度和抗折强度。
表 4 PMCM 的抗折、抗压强度
0 前言 水泥混凝土作为当今建筑材料中使用最广泛、应
用量最大的一种工程材料， 应用于路面建设已有一百 多年的历史。 水泥混凝土路面具有强度高、稳定性好、 耐久性好、日常养护工作量少、施工机械简单、抗水害 能力强、水泥来源广以及便于夜间行车等优点，在国内 得到了迅速发展。 但是，水泥混凝土路面暴露在自然环 境中，受温度应力、干湿循环、冻融循环等自然因素的 影响，同时由于车辆的冲击、磨损，路面常常出现各种 类 型 的 破 损 现 象 ，其 中 裂 缝 破 损 最 为 严 重 、普 遍[1]。
表 1 水泥的化学组成
%
CaO Al2O3 SiO2 Fe2O3 SO3 MgO K2O Na2O 烧失量 40.79 29.41 8.97 2.17 11.99 1.54 0.04 0.06 4.4
苯丙乳液
表 2 苯丙乳液的主要技术指标
固含量/% 56
pH 值 平均粒径/nm 黏度/MPa·s
7.0~8.3
196-1（与国际标准 ISO 679 等同）搅拌、成型试块。 随 后，将试块放入养护箱中，在 20℃、相对湿度 95%条件 下养护 24h，脱模。 最后在 20℃、相对湿度 65%条件下 养护至预定龄期。 1.2.3 力学强度测定
在 尺 寸 为 40mm×40mm×160mm 试 模 中 成 型 砂 浆 试块，试验方法及步骤参照 GB /T 17671-1999《水泥胶 砂强度检验方法》进行。 1.2.4 粘结强度测定