聚合物改性水泥砂漿的制備及性能研究

周俊杰 楊征勛＊

（新疆農業大學交通與物流工程學院， 烏魯木齊 830052）

0 引言

與普通水泥砂漿相比，經過聚合物改性后的水泥砂漿，其抗折強度高、抗腐蝕性能強，國內外有很多專家對此進行研究，因而在現代社會中被廣泛應用，通常作為理想的修補材料、建筑物抹面摻料等[1-4]。

聚合物加入到水泥砂漿中，因為發生了一系列復雜的化學反應，產生了一些新的物質，而這些物質對于其的粘聚力有了很大提高，因此改性后的水泥砂漿強度有所提高，所以聚合物對于水泥砂漿的改性有很好的研究[5]。

本文產生于研究應用水泥基修補材料在新技術工業中，以聚合物改性后的水泥砂漿的性能研究為目的，研發一種復合改性水泥，其性能優良、可廣泛用于交通建設領域，研究其相應的性能及完善，使之在工程中能夠被廣泛的推廣應用。

1 材料的性能試驗

1.1 新拌凈漿、砂漿工作性能測試

1.1.1 水泥砂漿密度的測定

本文按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》JTGE30-2005的實驗步驟對水泥砂漿密度進行測定。

水泥砂漿密度計算：

式中： ρ － 拌合物的密度（kg/m3）；

m0－ 試樣桶的質量（kg）；

m1－ 水泥砂漿與試樣桶的總質量（kg）；

v － 容量桶的容積（L）。

用3次所得試驗的結果，計算出來其平均值當作是實驗的結果,試樣不能重復使用。對試驗數據進行記錄、數據處理制成圖表，如表1.1、表1.2所示

表1.1 PAA對砂漿的密度的影響

表1.2 自制乳液對砂漿的密度的影響

由表1.1可以得出在水泥砂漿中摻加摻量20%的PAA其密度比純水泥砂漿的密度有所降低；經表1.2可以得出隨著在水泥砂漿中摻加自制乳液的摻量越高其密度越小。相比較而言，自制乳液的摻入比聚丙烯酸的摻入對水泥砂漿的密度影響更顯著。

1.1.2 凝結時間測定

對試驗數據進行記錄制成圖表，如表1.3、圖1.1所示

表1.3 聚合物改性后水泥砂漿的初凝和終凝時間

圖1.1 自制乳液改性水泥砂漿的凝結時間對比圖

由表1.3可以得出水泥砂漿中PAA的摻量為20%時，其凝結時間明顯比水泥砂漿中PAA的摻量為0%的凝結時間延長，由此可以得出，水泥砂漿中隨著PAA的摻入，其凝結時間有所延長，即水泥砂漿經過改性后，其初凝時間、終凝時間都延長；由表1.3、圖1.1可以得出在水泥砂漿中摻入不同摻量的自制乳液，水泥砂漿的初凝時間與終凝時間隨著自制乳液的摻量增加從而變長，且初凝時間與終凝時間的增加的幅度會趨于平緩。

1.1.3 水泥膠砂流變度試驗

對試驗數據進行記錄繪制成圖，如圖1.2、1.3所示

圖1.2 自制乳液改性水泥凈漿的流變性

圖1.3 自制乳液改性水泥凈漿的觸變性

物質通過外力的作用下，使之產生流動與變形的性質，稱為流變性，即在加工的過程中，其形變、形變速率 、應力和粘度之間的聯系。經圖1.2可以得出隨著自制乳液摻量的增加，其對水泥凈漿流變性影響慢慢趨于穩定，自制乳液在水泥凈漿中摻量為20%時其流變曲線最為穩定且集中，因此自制乳液在水泥凈漿中摻量為20%時對于水泥凈漿流變性改性效果最佳；在恒定剪切速率的作用下，某些液體的黏度，隨著剪切時間的增加而降低的性質，稱為觸變性。由圖1.3可以看出隨著自制乳液在摻量20%時其觸變曲線波動最小、最為穩定，同時其恢復原有粘度的能力最佳，因此自制乳液在水泥凈漿中摻量為20%時對于水泥凈漿觸變性改性效果最佳。

1.2 砂漿的力學性能測試

1.2.1 抗壓強度和抗折強度

本文對水泥膠砂強度檢驗方法(即IOS法)，是按照JFGE30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》，對棱柱體試件（40mm×40mm×160mm）按規定進行成型與養護，并測定其抗壓強度和抗折強度。

① 計算方法

抗壓強度

式中： Rc－ 抗壓強度（MPa）；

Fc－ 破壞荷載（N）；

A－ 受壓面積，40mm×40mm=160mm2。

以6個斷塊試件為一組，對這一組試件的抗壓強度進行數據處理，得出的算術平均值為最終的抗壓強度，精確到0.1MPa。如果在這6個數值中有一個的值超過了平均值的±10%，則應把其舍掉后在用余下的5個數值來取，算平均值當做最終結果。如果個數值中還有超過其平均值的±10%,則這組試件是無效的，重測。

抗折強度

式中： Rf－抗折強度（MPa）；

Ff－破壞荷載（N）；

L－支撐圓柱中心距（mm）；

b1－試件的斷面為正方形邊長，其長為40mm。

以3個試件為一組，對這一組試件的抗折強度進行數據處理，得出的算術平均值為最終的抗折強度，精確到0.1MPa。若這三個的強度值中存在大于平均值的±10%，則應該舍掉后再取平均，把這次的平均值來作為其抗折強度的試驗結果。

1.2.2 折壓比

本次試驗中采用的試件為40mm×40mm×160mm棱柱體，在測得其抗壓強度與抗折強度之后，把其抗折強度和抗壓強度對應相除，即可以得到所測砂漿折壓比，用來表現砂漿其的韌性。以三個制備試件為一組，把這一組試件對應所測的數據進行處理，得出的算術平均值為最終結果，是對聚合物改性水泥砂漿韌性進行評價的指標。

2 聚合物在優選配合比下改性的水泥砂漿力學性能評價

2.1 最優配合比的確定

經過前期大量探索性試驗的實施，最終確定在水泥砂漿中摻加摻量為20%的PAA，而經過對自制乳液改性過后的水泥砂漿和水泥凈漿密度、初凝時間、終凝時間、流變性與觸變性的試驗最終選定在水泥砂漿中摻加摻量為20%的自制乳液，水灰比固定為0.45。

2.2 力學性能

本文按照《聚合物改性水泥砂漿試驗規程》DL/T5126-2001規定的養護方法，對試件進行養護至規定齡期。依次對試件進行試驗，測得其3d、7d所對應的抗折強度與抗壓強度，并計算出其折壓比。

具體實驗結果見表2.1以及圖2.1～2.3。

表2.1 自制乳液改性水泥砂漿的強度試驗數據

2.2.1 改性砂漿的抗壓抗折強度性能

⑴ 聚合物的摻量對水泥砂漿改性后的抗折強度

圖2.1 自制乳液對水泥砂漿改性后的抗折強度對比圖

由圖2.1觀察可以得出，摻加自制乳液在一定程度上會提高改性后的水泥砂漿的抗折強度，隨著自制乳液用量的增大其抗折強度呈現變強的趨勢，并且隨著齡期的增長其抗折強度會有明顯增強。

⑵ 聚合物摻量對改性水泥砂漿抗壓強度的影響

圖2.2 自制乳液對水泥砂漿改性后抗壓強度對比圖

由圖2.2觀察可以得出，摻加自制乳液對水泥砂漿改性之后其抗壓強度都有一定的降低，隨著自制乳液用量的增大改性之后其的抗壓強度有了很大程度的降低，并且隨著齡期的變長其改性之后的抗壓強度也有了很大的降低。

2.2.2 聚合物對改性砂漿的折壓比影響

通過折壓比（即抗折強度和抗壓強度的比），可以對改性之后的水泥砂漿的柔韌性進行衡量，折壓比越大，則其水泥砂漿改性后的韌性就越好，即水泥砂漿改性后的抗開裂性就越好。試驗結果數據見圖2.3。

圖2.3 自制乳液改性水泥砂漿的折壓比度對比圖

由圖2.3可以得出自制乳液的摻入增大了改性水泥砂漿的折壓比，其中在自制乳液摻量為20%時3d折壓比提高最為明顯，但在7d時提高的不是很大。

總之改性水泥砂漿的折壓比會隨著其齡期的變大呈出先增大然后減小的這種趨勢，此類現象的原因主要是自制乳液對其抗折強度的提高比較明顯，但是其對于水泥砂漿改性之后的抗壓強度卻有了很大程度的降低。

因此在砂漿改性的時候加入一定量自制乳液，會使其對水泥砂漿性能會有一定程度的改善。并且隨著自制乳液用量的不斷增加，改性之后的砂漿的折壓比會有較大的增幅。

3 聚合物改性水泥砂漿微觀結構機理研究

3.1 SEM分析

本試驗是在重慶交通大學材料學院電鏡實驗室完成。水泥砂漿經過自制乳液改性后通過SEM擴大一定倍數下的不同時間段的形貌。如圖3.1～3.3

圖3.1 原水泥砂漿SEM掃描圖片

圖3.2 聚合物改性水泥砂漿SEM掃描圖片

從圖3.1和圖3.2可以看出，原水泥砂漿的水泥石和集料的界面處存在著許許多多是缺陷與裂縫，而圖3.2水泥砂漿經過自制乳液改性之后的就不會看到有很清晰的裂縫了。主要有裂縫的原因是因為水泥在水化過程中會發生收縮，在原水泥砂漿中加入自制乳液后，發生反應進而形成了明顯的網狀結構，對水泥砂漿的內部結構有了很大程度上的改善，這樣的交聯結構十分利于強度的發展。

圖3.3 聚合物改性水泥砂漿SEM掃描圖片

由圖3.3觀察可以得出：

隨著自制乳液用量的增加，自制乳液會與水泥發生反應，其產生的物質會因為化學反應作用進而結合，然后形成互相交錯的三維結構，這樣不僅對水泥砂漿的內部結構有了很大改善，還構成了較強的強度。由（1）、（2）、（3）、（4）可以看出，想要進一步清晰明了的觀察到自制乳液的成膜以及其內部的結構應該把電子掃描所研究的照片，把其放大到極大的倍數，然后通過使用能譜儀來進行輔助，最后得到自制乳液慢慢地浸潤到砂漿的微裂隙中以及內部孔壁中，進而形成了相比之下完整的密實的三維網狀結構。

3.2 聚合物乳液對水泥砂漿的改性機理

水泥砂漿中加入不同種類的聚合物乳液或不同分量的聚合物乳液，都會對水泥砂漿有一定程度上的性能影響，如：耐腐蝕性能有所提升、柔性增加、抗折強度變強、韌性變好等。其主要在以下幾個方面：

（1）聚合物加入到水泥砂漿中，因為發生了一系列復雜的化學反應，產生了一些新的物質，而這些物質對于其的粘聚力有了很大提高，因此改性后的水泥砂漿強度有所提高。

（2）微觀方面由于聚合物乳液會與水泥砂漿發生化學反應，產生具有膠凝的化學產物，在微觀結構上使改性后的水泥砂漿孔隙有了一定的減小，進而會形成較為密實的三維網狀結構，從而其性能有所提高。

4 結論

經過前期大量探究性試驗確定了聚丙烯酸（PAA）的摻量為20%，在此基礎上本文通過對自制乳液處于不同用量時進行試驗，對水泥砂漿改性過后的施工性能和力學性能的研究，探明了自制乳液的摻入對水泥砂漿改性之后的工作性能和力學性能存在的影響。主要研究成果如下：

（1）水泥砂漿、凈漿在經過自制乳液改性之后，在其物理性能上，自制乳液的不同摻量，均對水泥砂漿改性之后的密度造成減小，且伴隨著自制乳液摻量的增加，改性之后的水泥砂漿的密度也呈現減小的趨勢；改性水泥砂漿的初凝時間和終凝時間都隨著自制乳液用量的增加而呈現凝結變慢的趨勢，且初凝時間和終凝時間延緩的幅度會變長但也慢慢趨于平緩；隨著自制乳液用量的增加，其對水泥凈漿流變性影響慢慢趨于穩定，且在自制乳液在水泥凈漿中用量為20%的時候對于水泥凈漿改性其流變性效果最佳；自制乳液在摻量20%的時候對于水泥凈漿改性其觸變性效果最佳。

（2）水泥砂漿在經過自制乳液改性之后，在其力學性能上，摻加了自制乳液的水泥砂漿，在改性過后其抗折強度有所增強，且伴隨著自制乳液摻量的增加，其抗折強度增大，隨著齡期的增長，其抗折強度也增大；而摻加了自制乳液的水泥砂漿，在改性過后其抗壓強度有所降低，且伴隨著自制乳液摻量的增加，其抗壓強度降低，隨著齡期的增長，其抗壓強度也降低；隨著自制乳液摻量的增加，改性之后的水泥砂漿，其折壓比得到提高。

（3）在自制乳液對水泥砂漿改性的微觀結構上，利用SEM照片可以看出，因為存在聚合物加入，從而形成了不連續的膜，這些膜包裹著水泥的水化產物，這些物質相互貫穿從而形成密度的三維網狀，其對水泥砂漿的內部有了改善，因而其性能有所提高。