VAE乳膠粉改性砂漿耐久性能研究

寧鐿彭，許金余，王志航，姚 廒

(空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院，西安，710038)

普通砂漿在工程中應(yīng)用廣泛，用量巨大，大量砂漿用于地下防護(hù)工程、水工建筑物、隧道等工程的修補(bǔ)、防水抗?jié)B。地下防護(hù)工程、水工建筑物、隧道等工程長期處于惡劣的自然環(huán)境中，結(jié)構(gòu)容易發(fā)生腐蝕破壞，普通砂漿的耐久性能差，易變質(zhì)失效，較短時間內(nèi)便發(fā)生破壞，對于施工效率和耐久性要求較高的工程，修補(bǔ)效果較差，難以滿足結(jié)構(gòu)的使用要求。

聚合物改性砂漿是一種新型水泥基復(fù)合材料，由可分散在水中的有機(jī)聚合物、水泥和砂組成，其中由聚合物膜形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可用于改善砂漿的力學(xué)性能[1-3]和耐久性[4-5]，聚合物改性砂漿具有廣泛的應(yīng)用前景，是混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)和加固[6]的重要材料。因此，國內(nèi)外學(xué)者對聚合物種類、摻量等進(jìn)行大量研究，進(jìn)一步改善了砂漿耐久性。Banjo Akinyemi等[7]研究了建筑垃圾廢棄竹纖維增強(qiáng)乳膠改性水泥砂漿的性能，添加1.5%的竹纖維和10%的乳膠溶液改性的水泥砂漿性能最優(yōu)。Zhang X等研究了苯丙共聚乳膠(SA)對硅酸鹽水泥/鋁酸鈣水泥/石膏三元膠凝體系(TBS)砂漿力學(xué)性能、黏結(jié)強(qiáng)度和吸水率的影響，結(jié)果表明，SA聚合物的加入可以提高TBS砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度和柔韌性，降低其吸水率[8]。南雪麗等研究聚灰比對快硬水泥砂漿抗?jié)B性、抗凍性及孔徑分布的影響，聚灰比越大，聚合物砂漿的抗?jié)B性、抗凍性越強(qiáng)，聚灰比為0.5時，其綜合性能最佳[9]。Edy Purwanto等研究坎塔拉纖維織物增強(qiáng)材料對聚合物改性砂漿彎曲性能的影響，坎塔拉纖維織物增強(qiáng)材料顯著改善了砂漿的延展性和殘余強(qiáng)度[1]。

綜上所述，聚合物的加入能夠提高砂漿的耐腐蝕性能、抗?jié)B性、抗凍性能等，VAE乳膠粉本身具有黏結(jié)強(qiáng)度高、耐水性和耐堿性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且關(guān)于VAE乳膠粉改性砂漿耐久性研究仍有空白。本文結(jié)合聚合物改性砂漿的研究現(xiàn)狀，提出利用VAE乳膠粉進(jìn)行改性，通過收縮率實(shí)驗，測試收縮率指標(biāo)；通過開裂性敏感度實(shí)驗，計算開裂總權(quán)值指標(biāo)；通過抗?jié)B性實(shí)驗，測試滲透高度和透水壓力指標(biāo)；通過耐氯鹽腐蝕性實(shí)驗，測試氯離子滲透高度指標(biāo)；通過碳化實(shí)驗，測試碳化深度指標(biāo)。研究揭示了VAE乳膠粉對砂漿耐久性能的影響規(guī)律，結(jié)合掃描電鏡實(shí)驗，揭示VAE乳膠粉對砂漿內(nèi)部微觀改性機(jī)理。

1 實(shí)驗

1.1 實(shí)驗材料

VAE乳膠粉改性砂漿的原材料包括普通硅酸鹽水泥、砂、VAE乳膠粉、水、減水劑。堯柏牌42.5級普通硅酸鹽水泥，灞河砂，VAE乳膠粉，具體參數(shù)見表1～3。減水劑為陜西中易化工產(chǎn)40%固含量的聚羧酸高性能減水劑母液。

表1 VAE乳膠粉的技術(shù)指標(biāo)

表2 P.O 42.5普通硅酸鹽水泥性能指標(biāo)

表3 減水劑的技術(shù)指標(biāo)

1.2 試件制備與實(shí)驗方法

1.2.1 試件制備

VAE乳膠粉改性砂漿配合比見表4，A0組為普通水泥砂漿，A1～A5組為VAE乳膠粉改性砂漿。按照表4所示配合比進(jìn)行VAE乳膠粉改性砂漿的制備，具體制備過程見圖1。

圖1 VAE乳膠粉改性砂漿試件制備流程

表4 VAE乳膠粉改性砂漿配合比

1.2.2 實(shí)驗方法

收縮率實(shí)驗具體參考《建筑砂漿基本性能實(shí)驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)進(jìn)行。見圖2。

開裂性敏感度實(shí)驗按照《公路工程水泥及水泥混凝土實(shí)驗規(guī)程》(JGJ 3420—2020)進(jìn)行，試件先進(jìn)行環(huán)形約束收縮實(shí)驗，如圖3所示。試件成型后拆除外模，內(nèi)模對試件起約束作用，兩邊使用風(fēng)扇加速開裂。觀察并測量裂縫的長度和寬度，未出現(xiàn)裂縫時，每隔6 h測量一次，裂縫出現(xiàn)后，每隔1 h測量一次，28 h后測量并記錄最大裂縫寬度及開裂時間。以最大裂縫寬度和裂縫面積為主要指標(biāo)，以裂縫長度和裂縫出現(xiàn)時間為次要指標(biāo)，共同評價裂縫開裂，其中裂縫面積等于裂縫長度與裂縫的權(quán)值寬度相乘。

圖2 收縮率實(shí)驗

圖3 試件成型示意圖

裂縫寬度的權(quán)值分布見表5。

表5 裂縫寬度權(quán)值表

W=∑Aili

(1)

式中：W為開裂總權(quán)值；Ai為不同寬度裂縫權(quán)值；li為裂縫長度。

抗?jié)B性實(shí)驗按照《公路工程水泥及水泥混凝土實(shí)驗規(guī)程》(JGJ 3420—2020)進(jìn)行，見圖4。

圖4 抗?jié)B性實(shí)驗

耐氯鹽腐蝕性實(shí)驗按照《公路工程水泥及水泥混凝土實(shí)驗規(guī)程》(JGJ 3420—2020)進(jìn)行，實(shí)驗采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，養(yǎng)護(hù)齡期28 d時，用環(huán)氧樹脂密封試件的上下底面，然后用2.5%的NaCl溶液浸泡試件，上底面距液面50 mm，下底面距槽底10 mm。28 d后劈開試件，測量氯離子滲透高度，耐氯鹽腐蝕性實(shí)驗見圖5。

碳化實(shí)驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能實(shí)驗方法》(GB/T 50082—2009)進(jìn)行，見圖6。

圖5 耐氯鹽腐蝕性實(shí)驗

圖6 碳化實(shí)驗

掃描電鏡實(shí)驗使用型號為JSM6510的掃描電子顯微鏡，如圖7所示。首先將新制備的微觀切片試樣進(jìn)行噴金處理(實(shí)驗儀器見圖8)90 s，隨后將經(jīng)噴金處理后的微觀切片試樣置于掃描電鏡實(shí)驗艙內(nèi)進(jìn)行微觀形貌掃描觀測。

圖7 SEM實(shí)驗

圖8 全自動離子濺射儀

2 實(shí)驗結(jié)果與討論

收縮率、開裂性敏感度、抗?jié)B性、耐氯鹽腐蝕性和碳化實(shí)驗均進(jìn)行3組，3組實(shí)驗結(jié)果取平均值后將每組實(shí)驗結(jié)果與平均值取差值，如果誤差值超過平均值的5%，則認(rèn)為這組實(shí)驗是失敗的，重新補(bǔ)做一組后再進(jìn)行對比，直至每組實(shí)驗結(jié)果誤差值滿足要求后，取均值作為實(shí)驗最終結(jié)果。

2.1 VAE乳膠粉改性砂漿的收縮性

圖9為砂漿的收縮率與齡期關(guān)系。由圖可得，隨著齡期的延長，砂漿的收縮量均大幅提升，VAE乳膠粉改性砂漿的增幅相對較小。

28 d時，與普通砂漿相比，聚灰比為12%的收縮率減少了9.9%；普通砂漿42 d的收縮率較14 d時增大了39.6%，聚灰比為9%時僅增長了23.9%。齡期為42 d的VAE乳膠粉改性砂漿，當(dāng)聚灰比[9]為11%時收縮量僅為普通砂漿的86.3%。這是由于VAE乳膠粉具有保水性，水化反應(yīng)時砂漿的收縮較小，后期VAE乳膠粉上活性基團(tuán)與水化產(chǎn)物反應(yīng)，在填充內(nèi)部孔隙基礎(chǔ)上進(jìn)一步加固密實(shí)砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖9 改性砂漿收縮率實(shí)驗結(jié)果

2.2 VAE乳膠粉改性砂漿的抗開裂性

實(shí)驗結(jié)果見表6，由表6可知，VAE乳膠粉改性砂漿裂縫出現(xiàn)的時間晚于普通砂漿，且最大裂縫寬度、裂縫數(shù)量均小于普通砂漿。設(shè)普通砂漿的開裂總權(quán)值為1，VAE乳膠粉改性砂漿的開裂總權(quán)值比如圖10所示，結(jié)合圖表分析可得，聚灰比為11%和12%的VAE乳膠粉改性砂漿的開裂總權(quán)值分別僅為普通砂漿的53.6%和54.1%，開裂破壞時間相比普通砂漿均延長了60%，最大裂縫寬度較普通砂漿分別減小了33.3%和41.7%。聚灰比由11%增加至12%，開裂總權(quán)值有所回升，這是由于VAE乳膠粉摻量超過11%后，VAE乳膠粉不能均勻分散至水泥砂漿內(nèi)部，影響其與砂漿中的骨料形成高黏結(jié)力的膜結(jié)構(gòu)，進(jìn)而開裂敏感性提高。

表6 砂漿開裂性實(shí)驗結(jié)果

圖10 改性砂漿開裂敏感性實(shí)驗結(jié)果

2.3 VAE乳膠粉改性砂漿的抗?jié)B性

圖11、12分別表示加壓2.0 MPa時滲水高度、透水壓力與聚灰比的關(guān)系，從圖中可以看出，砂漿的抗?jié)B性能隨著聚灰比增大有著顯著提高，對普通砂漿試件施加1.4 MPa的恒壓8 h，3個試件全部破壞，VAE乳膠粉改性砂漿試件仍保持完好，繼續(xù)加壓到2.0 MPa并恒壓8 h，VAE乳膠粉改性砂漿試件表面未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，聚灰比為12%時測量試件內(nèi)部滲水高度均值為3.0 cm。另一組VAE乳膠粉改性砂漿試件加壓至滲透破壞，測得試件的透水壓力均值為2.5 MPa，比普通砂漿提高了1.1 MPa；隨著VAE乳膠粉摻量的增加，透水壓力顯著提升，分別達(dá)到64.3%～78.6%。這是由于VAE乳膠粉包裹在水化產(chǎn)物外部，增加了其水化膜層厚度，有效阻止了外部水分子的浸入，進(jìn)而提高了改性砂漿的抗?jié)B性能。

圖11 改性砂漿滲水高度實(shí)驗結(jié)果

圖12 改性砂漿透水壓力實(shí)驗結(jié)果

2.4 VAE乳膠粉改性砂漿的耐氯鹽腐蝕性

砂漿抗氯離子滲透性與混凝土耐久性息息相關(guān)，氯離子的侵蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)較早損壞，對結(jié)構(gòu)的安全性帶來極大的危害，甚至造成重大事故[16]。

VEA乳膠粉改性砂漿氯離子滲透深度與聚灰比的關(guān)系如圖13所示，當(dāng)聚灰比為12%時，VAE乳膠粉改性砂漿28 d氯離子滲透深度最小，為11.74 mm，普通砂漿氯離子滲透深度為25 mm，VAE乳膠粉改性砂漿的氯離子滲透深度僅為普通砂漿的47.2%。說明VAE乳膠粉膜可以有效填充水泥砂漿內(nèi)部孔隙，包裹砂石以及水化產(chǎn)物、使其相互間接觸面積增大，從而使砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，耐氯鹽腐蝕性顯著增強(qiáng)。

圖13 改性砂漿耐氯鹽腐蝕性實(shí)驗結(jié)果

2.5 VAE乳膠粉改性砂漿的抗碳化性

碳化[15]是一種化學(xué)腐蝕，空氣中的CO2氣體進(jìn)入VAE乳膠粉改性砂漿內(nèi)部，堿性物質(zhì)與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O，降低VAE乳膠粉改性砂漿的堿性，增大其內(nèi)部鋼筋在實(shí)際工程應(yīng)用中被腐蝕破壞的風(fēng)險。VAE乳膠粉改性砂漿的碳化深度與聚灰比的關(guān)系如圖14所示。

圖14 改性砂漿抗碳化性實(shí)驗結(jié)果

由圖14可知，VAE乳膠粉的加入能夠增強(qiáng)砂漿的抗碳化性能，砂漿的碳化深度隨著聚灰比的增大而減小，隨著碳化時間的延長而增長。28 d時，相較普通砂漿，聚灰比為12%時，VEA乳膠粉改性砂漿碳化深度減少了36.8%。普通砂漿28 d碳化深度較3 d時增大了3.8 mm，而聚灰比為10%時，僅增大了2.5 mm。這是由于VAE乳膠粉的加入可以填充砂漿內(nèi)部有害孔隙，可有效抵擋CO2進(jìn)入砂漿內(nèi)部，其中聚灰比為8%時，VAE乳膠粉填充孔隙基本已達(dá)到相對飽和狀態(tài)。

3 機(jī)理分析

為了研究VAE乳膠粉在砂漿中的結(jié)構(gòu)形式，探究改性機(jī)理，SEM實(shí)驗下試件放大20 000倍的微觀形貌見圖15～16。普通砂漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，分布著大量針狀物質(zhì)及直徑較大的孔隙，且孔隙間的連接較多，因此抗?jié)B性能較差。VAE乳膠粉改性砂漿中大量膜結(jié)構(gòu)(VAE乳膠粉和水泥水化產(chǎn)物)填充VAE乳膠粉改性砂漿的孔隙，部分膜結(jié)構(gòu)穿插于孔隙之間，連接著孔隙兩側(cè)，致使孔隙減少，直徑變小。VAE乳膠粉改性砂漿中存在許多較粗的柱狀物質(zhì)，代替普通砂漿中的針狀物質(zhì)，硬化水泥漿體內(nèi)部孔隙顯著減少，形成多道隔膜網(wǎng)，阻斷水分、氣體和氯離子運(yùn)輸通道，從而提高砂漿的抗?jié)B、抗碳化和耐氯離子腐蝕性能。部分水化產(chǎn)物由剛性接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝越佑|，增強(qiáng)了內(nèi)部結(jié)構(gòu)柔韌性及變形性能，進(jìn)一步促進(jìn)了水化產(chǎn)物的發(fā)育，在聚合物周圍團(tuán)簇了更多的水化產(chǎn)物鈣礬石相，VAE乳膠粉加入促進(jìn)了水泥砂漿后期水化，從而進(jìn)一步提高了改性砂漿的耐久性。

圖15 普通砂漿微觀形貌

圖16 VAE乳膠粉改性砂漿微觀形貌

4 結(jié)論

1)VAE乳膠粉改性砂漿的耐久性能相較普通砂漿有顯著提升，VAE乳膠粉的加入顯著提高了水泥砂漿的抗開裂性、抗?jié)B性、抗碳化性和耐氯鹽腐蝕性，收縮性有所改善。

2)VAE乳膠粉改性砂漿抗?jié)B性良好，透水壓力最大為2.5 MPa，較普通砂漿提高78.6%。同一齡期下，聚灰比為11%的VAE乳膠粉改性砂漿抗開裂性最好,聚灰比為12%的VAE乳膠粉改性砂漿抗碳化性和耐氯離子腐蝕性最好。

3)VAE乳膠粉與砂漿中的骨料可以在漿體內(nèi)部形成高黏結(jié)力的網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)，填充改性砂漿的孔隙，阻斷水分、氣體和氯離子運(yùn)輸通道，使?jié){體內(nèi)部更加密實(shí)，進(jìn)而增強(qiáng)了改性砂漿的耐久性。