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聚合物胶粉对硫铝酸盐水泥砂浆性能的影响研究

发布日期:2015-05-28 12:01:20

随着道路交通量的快速增长,公路与市政道路的路面、 桥面破损日益严重。与沥青路面相比,由于水泥混凝土聚合物材料的特殊性质,其养护维修工作更加复杂,对材料性能要 求更高[1-3],如要具有较高的抗折强度、较好的体积稳定性 以及较强的黏结力,还有较好的耐磨性与抗冲击性等[4-5]。 当需要快速通车时,还需要修补材料能快速达到一定的抗 压、抗折强度。目前,路面快速修补材料多选用聚合物改性 硫铝酸盐水泥基材料,该类材料充分利用硫铝酸盐水泥高 强、快硬、抗冻、微膨胀、耐蚀和黏结性好的优点[6],同时,兼 顾了聚合物改性砂浆黏结强度高、韧性好,以及抗渗、抗裂、 耐久性好等优势[8-10]。但聚合物种类众多,性能差异大,聚合物改性砂浆之间的性能差异也非常显著[u],本试验选取 了醋酸乙烯酯类与丙烯酸类胶粉等四种聚合物胶粉,系统 研究了其对硫铝酸盐水泥工作性能、力学性能以及体积稳 定性的影响,为聚合物改性硫铝酸盐水泥材料的应用提供

参考。
1原材料与试验方法 1.1原材料
⑴水泥:选用唐山北极熊建材有限公司生产的42.5 R 级快硬硫铝酸盐水泥,其化学组成见表1,物理性能见表2。
表1水泥的化学成分%
水泥品种SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3R2OLoss
SAC6.5734.291.6142.131.2613.020.840.15
 
表2水泥的物理力学性能
水泥
品种凝结时间 /min抗折强度抗压强度 /MPa /MPa比表标准稠度 面积用水量安定性
初凝终凝3d 28 d3d 28 d/(m2/kg)/%
SAC37 1246.8 8.841 54.936026.0合格
(2)细骨料:选用天然河砂,细度模数为2.8,级配良 好,符合GB/T 14684—2011《建设用砂》中II区级配的要 求,物理性能见表3。 
表3河砂的物理性能
泥块含量含泥量表观密度松堆密度空隙率吸水率坚固性
/%/%/(kg/m3)/(kg/m3)/%/%/%
01.42 6221 51742.11.34.2
(3)聚合物可再分散乳胶粉:选用取较为常用四种胶 粉,其中A、C、D三种为醋酸乙烯酯共聚物类可再分散乳 胶粉,B为丙烯酸类可再分散乳胶粉
(4)其他化学试剂:消泡剂为磷酸三丁酯,早强剂为锂 盐类早强剂,缓凝剂为多羟基类,减水剂为粉体聚羧酸系 减水剂。
1.2试验方法
()凝结时间及强度试验
按照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试 验规程》中水泥凝结时间的测试方法测试聚合物对水泥凝 结时间的影响,水泥胶砂强度检验方法进行成形及各龄期 强度的测定。
(2)工作性测试
按GB/T 2419《水泥胶砂流动度测试方法》中工作性测 试方法进行。
(3)黏结强度试验
按照JC/T 984—2005《聚合物防水砂浆试验规程》,采 用橡胶制成的成型框(40 mmx40 mmx10 mm),将成型框 放在普通水泥砂桨基块(00 mmx300 mmx20 mm)上,将 制备好的砂浆倒人成型模框中,抹平,放置24 h后脱模养 护。每个配合比成型3组试件,每组4块。
(4)干缩试验
按照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试 验规程》中水泥胶砂干缩试验方法进行测定。采用25 mmx 25 mmx280 mm的试件,每组三根。试件成型脱模后标养 1 d,放人干缩室,立即测定基准长度,干缩龄期从移人干 缩室之日起算起。
2结果与分析
2.1聚合物胶粉对硫铝酸盐水泥凝结时间的影响 4种聚合物胶粉对硫铝酸盐水泥净浆凝结时间的影 响见图1、2。
从图1、2结果可以看出,与基准试件相比,4种聚合物 胶粉对硫铝酸盐水泥净浆的凝结时间均产生明显影响。随 着聚合物胶粉含量的增加,硫铝酸盐水泥净浆的初终凝时 间均呈现延长的趋势。且相对于终凝时间而言,4种聚合物
胶粉对硫铝酸盐水泥的初凝时间影响更加显著。如当聚合 物胶粉掺量为4%时,硫铝酸盐水泥净浆的初凝时间分别延 长了 28°%、50°%、31°%、42°%,而相对应的终凝时间增加的量 则分别为7°%、34°%、17°%、4°%。综合对比可以发现,4种胶粉 对硫铝酸盐水泥初终凝时间影响的程度依次为B>D>C>A, 丙烯酸类胶粉的影响明显高于醋酸乙烯酯类胶粉,其对硫 铝酸盐水泥的缓凝效果更强。聚合物胶粉影响硫铝酸盐水 泥凝结时间的原因可能是:硫铝酸盐水泥砂浆中的聚合物 胶粉颗粒,会经历一个“遇水散溶解一失水凝聚成膜”的 过程,在此过程中,胶粉颗粒不断形成膜状物质,这些聚合 物所形成的膜将覆盖于水泥颗粒表面,膜的覆盖面积不断 增加,将水泥颗粒包裹起来阻碍水泥颗粒与水的接触,也对 已形成的水化产物的迁移形成了阻碍,导致水泥水化的速 度下降,造成凝结时间的延长[12];另一方面,聚合物与某些水 化产物的化学反应降低了水泥的水化程度与基体内部游离 氢氧化钙的含量,进而导致水泥净浆凝结时间的延长,且 随着聚灰比的增大,这种成膜作用和化学反应更加明显, 宏观上表现为凝结时间随聚灰比的增大而逐渐延长。
2.2聚合物胶粉对砂浆工作性能的影响
聚合物可以显著改善新旧水泥基材料界面黏结性能, 提水泥基材料的抗冲击性、抗渗性以及耐磨性,是快速修 补材料的重要组分,尤其是在水泥基薄层快速修补材料中 已成为必不可少的部分。试验对比研究了 4种胶粉对硫铝 酸盐水泥工作性和力学性能的影响。
(1)聚合物胶粉对砂桨工作性的影响 从图3、4可以看出,聚合物胶粉加人后对硫铝酸盐水 泥的工作性起到明显的改善作用,其初始扩展度和30 min 的扩展度都得到了大幅的提高。如当掺加2°%胶粉后,初始 扩展度分别提高了 6.25%、37.5%、10%、12.5% ; 30 min 后扩 展度则分别提高了 23.1%、34.6%、26.9%、26.9%。对比初 始和30 min工作性的改善情况可以发现,聚合物胶粉对 30 min工作性能改善的效果明显优于对初始工作性能的 
改善。同时,与醋酸乙烯酯胶粉相比,丙烯酸类的聚合物胶 粉对工作性能的改善效果更佳理想。聚合物胶粉能够明显 改善新拌砂浆施工性能,其原因来自多方面,其中最主要 的原因是由聚合物胶粉颗粒引人的空气“滚珠”效应和表 面活性剂对水泥颗粒的分散作用引起的。
另外,聚合物胶粉对工作性能改善的效果并不是随着 聚合物胶粉掺量的增加在逐渐增强,而是当聚合物胶粉掺 量较多时,工作性能反而会出现劣化趋势。这可能是由于 聚合物胶粉具有在水中再溶解和分散能力,砂浆中的胶粉 吸水形成乳液,进而成膜。随着砂浆中的聚合物胶粉掺量 增加,需要吸收更多的自由水,当聚合物胶粉掺量增加到 一定数量就会使聚合物胶粉“减水”作用出现下降,呈现出 劣化砂浆工作性的趋势。
2.3聚合物胶粉对砂浆力学性能的影响 (1)聚合物胶粉对抗折与抗压强度的影响 聚合物胶粉按照水泥质量的百分比外掺,控制流动度 在(80±10) mm。
从图5与图7的结果可以看出,聚合物胶粉可以显著 的改善水泥砂浆的抗折强度。与未掺人胶粉的基准试样相 比,掺人四种不同的胶粉后,1 d抗折强度最大分别可提高 15%、7°%、8.6°%、10°%,28 d 抗折强度最大可提高 23°%、11%、
20%、21%。聚合物胶粉在早期(1 d)就可以明显改善砂浆的 6.8 r 
i —
60 11111
012345
掺量/%
图8胶粉对28 d抗压强度的影响
抗折强度,但随着胶粉掺量的提高,砂浆抗折强度变化出 现拐点。四种胶粉(无论是醋酸乙烯酯类,还是丙烯酸类) 在掺量为3%~4%时,抗折强度出现最大值,当掺量再增加 时,砂浆抗折强度出现明显降低。这可能是由于随着聚合物 胶粉掺量的增加,聚合物胶粉在水泥砂浆中形成的聚合物 薄膜对水泥水化产物的隔断作用也越强,造成抗折与抗压 强度都会有所降低。同时,与醋酸乙酯类胶粉相比,丙烯酸 类胶粉对抗折强度提高较少,尤其是早期抗折强度。
另外,与胶粉对砂浆抗折强度改善效果相比,胶粉对 抗压强度基本没有改善效果,甚至出现劣化现象,特别是 在早期的时候,降低效果更加明显。胶粉对于砂浆早期抗 折强度的明显影响,可能是由于聚合物胶粉对硫铝酸盐水泥 的缓凝作用造成的,且丙烯酸类胶粉的缓凝效果更加显著。 (2)聚合物胶粉对砂浆黏结强度的影响 从图9、10结果可以看出,在加人胶粉后,早期和后期的 硫铝酸盐水泥砂浆的黏结强度都明显的提高了。且随着聚合 物胶粉掺量的增加,硫铝酸盐水泥砂浆的黏结强度逐渐提 高,其中A胶粉的早期和后期黏结强度最大提高了约1倍。 且四种胶粉中,A胶粉与C胶粉对砂浆的黏结强度改善效果 最好,B胶粉与D胶粉对砂浆黏结强度改善效果作用相仿。 2.4聚合物胶粉对砂浆干缩性能的影响
试验对比了 A、B两类胶粉对硫铝酸盐水泥砂浆干缩
 
性能的影响。
从图11、12可以看出,掺加醋酸乙烯酯与丙烯酸类两种 胶粉改性后,硫铝酸盐水泥砂浆的干缩率随着聚灰比的增大 逐渐减小,其中醋酸乙烯酯类胶粉在聚灰比为4%、5%时, 甚至在早期出现的一定的膨胀现象。丙烯酸类胶粉在聚灰比 3%~5%时,干缩率较小,也基本相似,其28 d干缩率约为 0.020%左右。两种胶粉相比,醋酸乙烯酯类胶粉的干缩率相 对更小,稳定性更好。聚合物使水泥砂浆的收缩率减小的主 要原因可能是:首先,聚合物活性基团的作用,很大程度上减 小了水泥水化的用水量,提高了水化所需水的利用率,减小 了因多余自由水在环境中蒸发损失留下孔隙的可能性;其 次,由于聚合物能在水中均匀分散,在砂桨中能够较好的成 膜,填充了砂浆内部的孔隙,使砂浆变得密实。另外,聚合物
具有一定的引气作用,引人的微小气泡能够分担一部分砂浆 内部毛细孔的压应力,从而降低了砂浆的收缩。
3结论
(1)胶粉有明显的缓凝作用,缓凝的效果随着聚合物 掺量的增加而增强,且丙烯酸类胶粉的缓凝作用较醋酸乙 烯酯类胶粉更加显著。
(2)聚合物胶粉可以明显改善硫铝酸盐水泥砂浆的工 作性能,尤其是30 min的工作性能。且丙烯酸类胶粉具有 更好的改善效果。
(3)胶粉的加人可以显著改善砂浆的抗折强度,降低 砂桨的压折比,提高砂桨的韧性。但对于硫铝酸盐水泥砂 浆而言,聚合物胶粉最佳掺量约为3%~4%。且丙烯酸类聚 合物胶粉对砂浆韧性的改善效果优于醋酸乙烯酯类胶粉。
(4)聚合物胶粉可以显著提高硫铝酸盐水泥砂浆的黏 结强度,且随胶粉掺量的提高,砂浆的黏结强度显著增强。
(5)随着聚合物胶粉掺量的提高,硫铝酸盐水泥砂浆 的干缩率逐渐减小。与丙烯酸类聚合物胶粉相比,醋酸乙 烯酯类胶粉的干缩率相对更小,稳定性更好。