凍融和干濕循環作用下聚合物改性砂漿強度變化研究

趙治冶 山東鐵路投資控制集團有限公司

1 引言

實踐表明，聚合物因其自身的特性，對水泥基材料的流動性、粘結性能、變形性能以及韌性等具有良好的改善作用[1-4]。因而，聚合物改性水泥基材料得到了較為廣泛的應用，特別是隨著聚合物技術的進步，聚合物類型不斷增多，再加上既有工程結構病害整治需求的增加，聚合物在水泥基材料中的應用越來越廣泛[5-8]。因此，較為系統地研究聚合物改性砂漿物理力學特性及其影響規律具有重要現實意義。

國內外相關學者就摻聚合物水泥基材料物理、力學及耐久性能開展了不少有針對性的研究，取得了不少成果[9-13]。但既有的這些研究成果都是在某一特定試驗條件下獲得的，不同性能的聚合物以及水泥品種不同，聚合物對砂漿的改性作用及其在環境侵蝕作用下的性能劣化規律往往不同，目前國內外對這方面系統的研究并不多見。鑒于上述現狀，本文針對工程實際，研究探討了凍融循環作用和浸-烘干濕交替作用下聚合物改性砂漿粘結性能的劣化規律，為相關的工程應用提供技術支持。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

水泥為湖南東坪水泥有限公司生產的P·O 42.5 水泥（OPC）；湖南寶隆科技發展有限公司提供的Ⅰ級粉煤灰（FA），其化學組成見表1。采用的聚合物包括北京弗特恩公司生產的兩種型號的乙烯/醋酸乙烯共聚的可再分散性膠粉（EVA1和EVA2）、中國化工株洲橡膠研究設計院有限公司研發的丁苯乳液（SBR）以及蘇州圣杰特種樹脂有限公司生產的含固量100%的HTW-608 自乳型環氧樹脂（環氧當量190～205）及其配套的含固量60%的固化劑HTW-208 乳液（胺值300～360），以下簡稱EP，其技術參數見表2。細骨料為河砂（S），中砂，細度模數2.45，拌合水（W）為飲用自來水。

表1 普通水泥與粉煤灰化學組成（wt%）

表2 試驗采用聚合物的性質

2.2 試驗設計與試件制備

各試樣均采用固定水膠（85%水泥和15%粉煤灰）質量比mw/mb 為0.35，膠砂質量比為1:2.5（即保持砂漿基體性能不變），聚合物采用外摻法摻入砂漿中，摻量分別為3%、6%、9%、12%（占膠凝材料質量百分數，均以含固量計）。

按DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗規程》進行試樣攪拌成型，成型后置于常溫室內且成型面覆蓋，1d后脫模，再置于20℃水中養護6d，再在（20±2）℃、相對濕度65%的空氣中養護21d，即水養6d+干養21d 的標準養護。對于凍融和浸烘處理試件，則試件按上述養護制度養護28d 后，再分別進行凍融循環28d、浸烘交替28d以及繼續干養28d，凍融循環制度為（20±1）℃水中浸泡16h+（-20±3）℃低溫箱冰凍6h，24h為1個循環；浸烘交替制度為（20±1）℃水中浸泡16h+（60±5）℃烘干6h，24h為1個循環。

2.3 試驗方法

2.3.1 粘結強度測試方法

采用軸拉和劈拉兩種方式測試聚合物改性砂漿對基底的粘結強度。軸拉粘結強度參照DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗規程》的規定成型粘結試件，成型時保持砂漿流動度在190±5mm 范圍，加載情況如圖1 所示。上部粘結砂漿的尺寸為40mm×40mm×10mm，下部基底試件為齡期較大的自制水泥砂漿。劈拉粘結強度采用新老砂漿各半的40mm×40mm×40mm 的立方體試件進行測試，試件與加載情況如圖2所示，粘結砂漿和基底砂漿制備如上述。劈拉粘結強度按式（1）計算：

f——為劈拉強度（MPa）；

F——為破壞荷載（N）；

A——為粘結面面積（mm2）。

圖1 粘結試件拉伸夾具示意圖（單位mm）

圖2 劈拉粘結強度加載示意圖（單位mm）

2.3.2 其它試驗方法

砂漿流動度參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行測試，除特別說明外，各砂漿流動度在130mm～240mm 之間，砂漿容重按DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗規程》測定；砂漿抗壓抗折強度按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO）》測定。

3 結果與討論

3.1 容重

圖3為EVA 膠粉和SBR乳液摻量對新拌普通水泥砂漿容重的影響結果，圖中空白方格圖例表示按配比計算得到的理論容重，根據3 種砂漿的配比和聚合物密度，計算得到3 種砂漿的容重幾乎相同，因而按相同值表示各砂漿理論容重。

圖3 EVA膠粉和SBR乳液摻量對普通水泥砂漿容重的影響

由圖3 可知，膠粉EVA1 和EVA2 對普通水泥砂漿容重的影響規律基本相似，隨膠粉摻量增加，砂漿容重快速降低，在膠粉摻量為3%時砂漿容重從2280kg/m3驟降至1838kg/m3（EVA1）和1750kg/m3（EVA2），但當膠粉摻量進一步增加時，砂漿的容重則降低不顯著；隨著SBR 摻入，砂漿容重也明顯降低，至SBR 摻量6%后，砂漿容重降低速率不再明顯。當摻量較小時（如3%），摻SBR 的砂漿實測容重較大，而當摻量較大時（不小于6%），摻膠粉聚合物砂漿的實測容重更大，這表明摻量較大時SBR乳液的引氣作用明顯增強。對比由配比計算得到的砂漿試樣的理論容重亦可發現，在所調查的摻量范圍內，摻EVA砂漿的實測容重與理論容重相差在20%左右，而摻SBR砂漿實測容重小理論容重最大達28%。

3.2 抗壓強度與折壓比

圖4 分別為EVA 膠粉和SBR 乳液摻量對普通水泥砂漿（OPC）7d及28d的抗壓強度和折壓比的影響結果。

圖4 EVA膠粉和SBR乳液摻量對普通硅酸鹽水泥砂漿抗壓強度與折壓比的影響

由圖4 可知，不同聚合物摻量下，OPC 砂漿28d 齡期的抗壓強度比7d齡期均有較大的增加；同時，隨著聚合物摻量的增加，OPC 砂漿7d、28d 抗壓強度均呈現較大下降，其中摻膠粉EVA1 和EVA2 砂漿的強度下降規律相似，當膠粉摻量達3%時，砂漿抗壓強度呈現快速下降，隨后則隨著膠粉摻量進一步增加，砂漿強度呈現緩慢降低，而摻SBR砂漿抗壓強度則在摻量0～6%范圍呈現較大下降，隨后則降低緩慢。

3.3 粘結強度

圖5為EVA膠粉和SBR乳液摻量對OPC砂漿7d、28d軸拉粘結強度的影響結果。由圖5 可知，隨著聚合物摻量的增加，普通水泥砂漿的7d粘結強度呈現不斷減小趨勢；然而，28d齡期時，除摻3%聚合物砂漿的粘結強度有稍許降低外，隨后隨著聚合物摻量的增加，砂漿粘結強度呈現較大的增加，產生這種結果可能是前7d的水養制度不利于砂漿中聚合物成膜的原因，而后在相對濕度65%的環境下養護，有效滲入到基體毛細孔中的聚合物在砂漿中成膜形成了空間網絡結構，產生較好的“橋接”作用，從而可改善砂漿的粘結性能；聚合物摻量較少時（如3%），可能是聚合物不足以形成完整的空間網絡結構，而未能起到改善砂漿粘結強度作用。

圖5 聚合物種類和摻量對普通硅酸鹽水泥砂漿軸拉粘結強度的影響

3.4 不同環境條件下的粘結強度變化

圖6為聚合物普通水泥（OPC）砂漿在標準養護28d后分別進行凍融作用、浸烘干濕交替作用和繼續標準養護的劈拉粘結強度變化規律。

圖6 環境條件對摻6%聚合物改性普通水泥砂漿劈拉粘結強度的影響

從圖6結果可以看到，對于在標準養護28d后再繼續標準養護28d齡期，OPC和SAC兩類砂漿體系的劈拉粘結強度均隨養護齡期延長而呈現增加趨勢，基準水泥砂漿組P0 的增長率為1.8%，聚合物改性普通水泥砂漿組中，增長率最小的是P（EP）組為10.8%，增長率最大的是P（EVA2）組為62.4%。可見，砂漿體系中聚合物改性組的增長幅度均明顯大于未摻聚合物的基準組；對于標養28d后再經受凍融作用或浸烘交替作用，普通水泥砂漿的劈拉粘結強度均隨處理齡期的延長而減小，且相同組成試下，浸烘交替對其劈拉粘結強度的劣化作用均不同程度的大于凍融作用的影響。這主要是因為粘結界面是新老砂漿粘結的薄弱環節，在新老砂漿結合處存在許多微細裂縫，凍融循環作用下，這些微細裂縫經歷吸水飽和、結冰膨脹的反復作用，導致微細裂縫進一步擴展，從而導致粘結面上機械咬合力下降；較高溫度的烘浸干濕循環的溫度變化則不僅會引起新老砂漿的熱膨脹變形差異，而且也會導致粘結面聚合物空間網絡結構的破壞，從而在粘結面產生更多微裂紋，造成粘結強度的快速劣化。

4 結論

基于上述試驗結果與分析，可得到如下結論。

（1）EVA膠粉、丁苯乳液對普通水泥砂漿均具有明顯的引氣作用，使得砂漿容重明顯下降；EVA 膠粉摻量在3%～12%時，砂漿容重降低約20%，且隨膠粉摻量增加砂漿容重變化不明顯；砂漿容重隨丁苯乳液摻量增加而顯著降低，特別是當丁苯乳液摻量大于6%后，砂漿容重降低達25%以上。

（2）隨著聚合物摻量的增加，普通水泥砂漿的抗壓強度顯著下降，聚合物摻量3%～12%范圍時，砂漿抗壓強度下降率達50%～80%，而其折壓比則顯著增加；當聚合物摻量在6%后，普通水泥砂漿的粘結強度有較大的提升。

（3）聚合物改性普通水泥砂漿的抗壓強度、抗折強度與相應新拌砂漿容重之間存在良好的線性相關性；相同容重條件下，摻SBR改性砂漿的抗壓、抗折強度要高于摻EVA聚合物改性砂漿的強度。

（4）凍融作用或浸烘干濕交替作用下，聚合物改性普通水泥砂漿的劈拉粘結強度均隨處理齡期的延長而減小，且相同組成砂漿，浸烘交替對其劈拉粘結強度的劣化作用均大于凍融作用的不利影響。