聚合物水泥砂漿力學性能及微觀結構表征研究

東艷君

【摘 要】對不同聚合物參量的水泥砂漿進行養護齡期分別為2h、4h、6h、1d、7d、14d、28d的抗壓強度和抗折強度進行試驗研究，并通過電子顯微鏡掃描對養護齡期為28天聚合物摻量分別為0%、2%、4%、6%的水泥砂漿試樣微觀形貌進行分析。結果表明：聚合物可以促進水泥的水化，對水泥砂漿有很好的促凝效果；聚合物水泥砂漿抗壓強度隨著聚合物摻量的增加呈下降趨勢，抗折強度呈上升趨勢；當聚合物摻量為4%時，早期壓折比降到最低，水泥砂漿有很好的早期韌性；聚合物的加入改善了水泥砂漿的內部結構，尤其對水泥砂漿的界面結構和孔結構改善明顯，使其孔徑大幅度減小。

【關鍵詞】聚合物；水泥砂漿；力學性能；微觀結構

0 引言

水泥基材料以其價格便宜、強度高、生產工藝簡單、適應性強等眾多優點，已成為世界范圍內應用最廣且用量最大的一種建筑材料。隨著我國國民經濟的快速發展，大量的以水泥混凝土為代表的橋梁和路面在交通基礎建設中大量涌現而出[1-2]。但是，由于惡劣的環境作用以及施工技術水平的不足，早期修建的混凝土結構出現了一系列的耐久性問題而引起了人們的廣泛關注。

聚合物在水泥基材料性能的優化、多功能化、結構建筑的維修、養護等方面起著重要作用。聚合物水泥砂漿是將聚合物按一定的比例加入水泥砂漿制成的復合材料，聚合物的加入大大提高了水泥砂漿的力學性能，且聚合物水泥砂漿已成為不可替代的結構修補材料。國內外學者對聚合物水泥砂漿雖然相繼開展了一些研究[3-5]。但是，從宏觀力學性能與微觀結構變化結合來研究聚合物水泥砂漿性能的研究較少，為此本文開展聚合物水泥砂漿力學性能及微觀結構表征研究尤為必要。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗原材料

試驗所用的快硬水泥為景泰景順特殊水泥有限公司生產的42.5快硬硫鋁酸鹽水泥；所用普硅水泥為甘肅京蘭水泥有限公司生產的42.5普硅水泥；粉煤灰是從某電廠煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰，主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等；試驗所用的聚合物為瓦克5010N可再分散的醋酸乙烯/乙烯共聚膠粉；粗砂（0.40mm～0.65mm）；細砂（0.25mm～0.40mm）。

1.2 聚合物水泥砂漿配合比設計

水泥主要以硫鋁酸鹽快硬水泥為主，配以適量的普通硅酸鹽水泥和粉煤灰，使水泥砂漿性能更加理想；外加劑用來調整砂漿的和易性及其他性能；為達到合理級配，減少孔隙，砂采用了粗砂和細砂兩種類型。在前期工作的基礎上，通過調整外加劑含量，使聚合物水泥砂漿達到較好的工作性。配合比確定如下：①水膠比：0.27；②膠砂比：0.83；③聚合物摻量（0%、2%、4%、6%）。

1.3 試件制備

根據各組試驗所需分別制備聚合物摻量為0%、2%、4%、6%的試件，試件尺寸為40mm×40mm×160mm，制作抗折及抗壓試驗的試件方法參照ISO法進行。并放入20℃恒溫水箱中養護，養護齡期為28天。

2 試驗結果分析與討論

2.1 聚合物摻量對聚合物水泥砂漿凝結時間的影響

由于水泥砂漿的凝結時間對施工有直接影響，因此，對聚合物水泥砂漿凝結時間的討論很有必要。硫鋁酸鹽體系的水泥砂漿初凝時間和終凝時間非常接近，一旦初凝就無法施工，所以評價初凝時間即可。表明，聚合物對水泥砂漿有明顯的促凝作用，且效果隨聚合物摻量的增加變明顯。當聚合物摻為6%時，凝結時間下降幅度很大。分析其原因為，聚合物顆粒與水泥顆粒相遇發生水化反應，生成了水化硅酸鈣、鈣礬石、氫氧化鈣等水化產物，形成一定量的凝膠[6]，對水泥水化有促進作用；水泥砂漿攪拌過程中聚合物顆粒覆蓋于部分二水硫酸鈣表面，阻礙了鋁酸三鈣與二水硫酸鈣結合形成鈣礬石，由于鋁酸三鈣水化極快，在一定程度上促進了水泥的水化；用水量不變的情況下，聚合物可再分散性膠粉的加入使水膠比有所減小，對凝結時間也有一定的影響。可見在一定的條件下，聚合物可再分散膠粉有很好的促凝效果。

2.2 聚合物水泥砂漿的抗壓強度

由圖1可以看出，摻入聚合物后，硫鋁酸鹽水泥砂漿各齡期的抗壓強度均隨著聚合物摻量的增加呈下降趨勢。但是隨著聚合物摻量的增加，下降速率減緩，當聚合物摻量為6%、養護齡期為14天時，抗壓強度甚至有所回升。分析其原因為，當聚合物摻量過小時，聚合物形成的膠狀膜較少，只能分布于部分水泥砂漿硬化體中，不能貫穿于整個結構體系，反而使內部結構的致密度降低，使得各齡期抗壓強度有所降低。但是，隨著聚合物摻量的增加，聚合物在水泥砂漿硬化體中形成的膠狀膜將越來越多，能夠很好的把整個內部的結構貫穿起來，并能夠填充水泥砂漿中的缺陷和微裂縫，增加了水泥砂漿的致密性，對水泥砂漿的改善效果越來越明顯，從而各齡期的抗壓強度下降趨勢減緩，甚至有所回升。因此，當聚合物摻量達到最佳摻量前，聚合物對水泥砂漿抗壓強度的負面效應大于正面效應。

2.3 聚合物水泥砂漿的抗折強度

試驗分別測試了不同聚合物參量下水泥砂漿試件2h、4h、6h、1d、7d、14d、28d的抗折強度，其測試結果見圖2。

可以看出，隨著聚合物摻量的增加，硫鋁酸鹽水泥砂漿各齡期的抗折強度大體呈上升趨勢，28天強度上升穩定，4小時強度上升速率明顯增大，6小時、1天、7天強度都是先下降后上升。這是與聚合物摻量對水泥砂漿抗壓強度影響機理相同，由于聚合物與水泥砂漿拌合過程中，聚合物顆粒分散在水泥砂漿的連續相內，且與水泥不發生明顯化學反應。聚合物在整個砂漿硬化體中成膜，填充了其中的缺陷和微裂縫。聚合物膜具有較好的變形能力和較高的抗拉強度，抑制了水泥砂漿中的微裂紋進一步擴展。因此，有效的改善了水泥砂漿的抗折強度。此外，當聚合物摻量為4%時，繼續增加聚合物含量，28天強度上升基本穩定，7天強度將出現明顯的倒縮，兩小時強度也將會下降，可見聚合物摻量為4%最佳。

2.4 聚合物水泥砂漿的壓折比

從圖3可以看出，隨著聚合物摻量的增加，硫鋁酸鹽水泥砂漿各齡期的壓折比呈下降趨勢，由于壓折比是反映水泥砂漿韌性的重要指標，壓折比越小韌性越好，這說明聚合物摻量越大越有利于聚合物水泥砂漿韌性的提高。其中2h和4h齡期的壓折比下降趨勢最為明顯，當聚合物摻量大于4%時，它們的壓折比低于其他任何齡期。這說明當聚膠比大于4%時，水泥砂漿早期韌性好。水泥砂漿柔韌性的提高有利于在特殊的工程應用中發揮更好的作用。

2.5 聚合物水泥砂漿的微觀形貌

取養護齡期為28天聚合物摻量分別為0%、2%、4%、6%的試樣，用丙酮阻止其水化，并通過掃描電子顯微鏡對其微觀形貌進行分析表明：聚合物摻量為0%的水泥砂漿水泥石和集料界面存在大量的裂紋、缺陷，隨著聚合物摻量的增加裂紋明顯減少。水泥水化產生收縮是裂紋產生的主要原因，在水泥砂漿中加入聚合物后，形成了柔性的互穿網絡結構，有效地改善了水泥石結構與集料的結合形態，使內部結構趨于完善，這種交聯結構有利于強度的發展。這就從微觀結構上解釋了摻入聚合物后水泥砂漿強度大幅度提高的原因。當水泥水化產生收縮時，上述柔性的聚合物結構會發生大的形變，吸收大量的能量，有效的緩解了裂紋尖端的應力集中，從而阻止了裂紋的進一步擴展。

3 結論

1）聚合物可以促進水泥的水化，對水泥砂漿有很好的促凝效果。

2）聚合物水泥砂漿隨著養護齡期的變化，抗壓強度均隨著聚合物摻量的增加呈下降趨勢，抗折強度大體呈上升趨勢。

3）當聚合物水泥砂漿結構體受到外力作用時，聚合物網狀膠膜發生較大的塑性變形，吸收大量的能量，緩解了微裂紋尖端的應力集中，阻止了微裂紋的進一步擴展，使得水泥砂漿抗折強度明顯增加。同時聚合物的加入改善了膠凝材料與骨料的界面結構，增加了它們之間的粘結力，使得水泥砂漿的韌性大幅度提高。當聚合物摻量為4%時，早期壓折比降到最低，因此水泥砂漿有很好的早期韌性。

4）聚合物的加入改善了水泥砂漿的內部結構，尤其對水泥砂漿的界面結構和孔結構改善明顯，使其孔徑大幅度減小。

【參考文獻】

[1]王小剛，史才軍，何富強，元強，王德輝，黃勇，李慶玲.氯離子結合及其對水泥基材料微觀結構的影響[J].硅酸鹽學報，2013，41（2）：187-198.

[2]黃利頻，袁玲.聚合物干粉改性水泥砂漿性能及應用研究[J].武漢理工大學學報，2007，29（10）：15-19.

[3]孫振平，葉丹玫，傅樂峰，鄭柏存，馮中軍，謝慧東.聚合物改性水泥砂漿含氣量對力學性能的影響[J].建筑材料學報，2013，16（4）：561-566.

[責任編輯：田吉捷]