聚合物改性水泥砂浆力学性能的研究

万 瑾

目前我国道路路面，桥面铺装等大多采用沥青混凝土，而国产沥青性能大多达不到要求，需要采用进口沥青，出现了进口沥青独霸我国高等级公路路面材料市场的局面，这就大大提高了路面和桥面铺装的成本。我国是水泥生产大国，如何利用现有资源是亟待解决的重要课题。现阶段，聚合物改性水泥基材料的研究和应用在不断地发展和变化，其良好的性能引起了广泛关注。聚合物乳液对水泥砂浆的改性作用是通过聚合物在水泥浆与集料间形成具有较高粘结力的膜，并填充砂浆内的孔隙来实现的。水泥水化形成的水化产物与聚合物颗粒聚集形成的聚合物相互交织在一起，形成一个完整的互相穿透的网状结构，集料被粘结在其中形成一个复合体，使得其性能较普通砂浆在耐久性、粘结强度、耐化学介质性、抗冻融性、耐水性、抗渗性、抗压强度、抗拉强度、抗弯曲强度及干缩性和韧性有很大的改善。其中，环氧改性水泥砂浆的力学性能更好一些，这是由于环氧树脂有很好的界面粘结性，耐高、低温性，耐磨性，收缩率低，以及机械性能好，但是耐候性和韧性较差。通过与水泥水化物形成网状复合结构，大大提高了耐久性;同时通过固化剂的选择及适当的改性方法可以加以适当改进韧性。故通过在水泥砂浆中掺加不同量的聚合物，研究聚合物不同掺量对水泥砂浆抗压、抗折强度的影响，以及不同龄期的聚合物水泥砂浆力学性能。

1 试验原材料及试验方法

1.1 试验原材料

1)水泥为42.5号普通硅酸盐水泥;2)砂子为中细砂;3)A类组分:环氧树脂乳液，固含量为 60%;B类组分:环氧树脂乳液改性剂，分为两种，一种为掺Ⅰ型固化剂，另一种为掺Ⅱ型固化剂; (均为自配);4)自来水。

1.2 试验方法

1)控制相同的水灰比为 0.4，保证水泥浆体具有相似的水化程度;控制相同的流动度为(170±50)mm，使砂浆之间具有相似的工作性能，并更接近于实际应用;2)材料掺加顺序见图1;3)养护条件:25℃，50%相对湿度;4)强度试验采用40 mm×40mm× 160mm的三联模，测试方法按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》测定抗折、抗压强度。

表1 掺Ⅰ型固化剂聚合物水泥砂浆抗折、抗压强度

表2 掺Ⅱ型固化剂聚合物水泥砂浆抗折、抗压强度

2 试验结果及讨论

2.1 控制水灰比为0.4，掺加不同掺量的聚合物水泥改性砂浆

按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》，实测抗折、抗压强度值如表 1，表 2所示。

由表 1，表 2可以看出掺Ⅰ型固化剂聚合物水泥砂浆性能较差，抗折、抗压强度均低于基准砂浆(未掺聚合物的水泥砂浆)，因此只对掺Ⅱ型固化剂聚合物水泥砂浆进行分析。

2.1.1 不同聚合物掺量对抗折强度的影响

从表 2和图 2中看出，聚合物改性水泥砂浆 3个龄期的抗折强度值均高于基准砂浆(未掺聚合物的水泥砂浆)，其中3 d，7 d的强度高出 60%，28 d的强度高出一倍之多。掺量为 12%时，3 d，7 d的抗折强度最高，掺量为 16%时，28 d强度最高。由此可以看出，添加聚合物的水泥砂浆的抗折强度得到了明显的提高，并且随着龄期的增长不断增大。这是由于水泥水化的进行，水乳环氧树脂中的水分逐渐失去，聚合物颗粒对水泥水化产物及集料之间的较大粘结力和对浆体孔隙的填充作用，增加了浆体的密实度，使得抗折强度大幅度提高;另一方面，乳液的引气作用导致过多气泡，改变了孔隙结构，影响了抗折强度，因此出现了波动。

2.1.2 不同聚合物掺量对抗压强度的影响

从表 2和图 3中可以看出，掺加聚合物的水泥砂浆 3个龄期的抗压强度均低于基准砂浆(未掺聚合物的水泥砂浆)，起先随着聚合物掺加量的增加，抗压强度不断下降，后来又随着聚合物掺量的增加呈现上升趋势，逐渐接近于基准砂浆的抗压强度，达到基准砂浆的 90%左右。这是由于聚合物的自身弹性模量比水泥石低，当复合体受压时起不到刚性支撑作用，因此相同水灰比时改性砂浆的抗压强度比基准砂浆的强度要低，但由于在该试验的养护条件下，乳液中水挥发，聚合物颗粒进一步凝结，形成较高强度和粘结力的膜，因此抗压强度随着龄期的增长仍有一定程度的增大。

表3 掺Ⅱ型固化剂聚合物水泥砂浆压折比

另外，从表3中可以明显地看出，掺加了聚合物的水泥砂浆的压折比大大降低，改善了水泥砂浆的柔性。

2.2 控制流动度为(170±50)mm的不同掺量聚合物水泥砂浆

由于掺Ⅰ型固化剂的聚合物水泥砂浆实验表明此种聚合物改性效果不佳，因此，本次实验仅研究掺Ⅱ型固化剂聚合物水泥砂浆，且只通过 7 d强度来初步研究不同聚合物掺加量对水泥砂浆抗压、抗折强度的影响。

表4 相同流动度不同聚合物掺量砂浆抗折、抗压强度

从表 4中可以看出，所有聚合物水泥砂浆的抗折、抗压强度都高于基准水泥砂浆，压折比都低于基准水泥砂浆。其中，掺量为 12%时砂浆的抗折强度最高，且抗压强度也超过了基准砂浆，压折比却低于基准水泥砂浆，证明环氧掺量为 12%时的水泥砂浆的柔度得到较好的改善。

3 结语

1)控制相同的水灰比时，聚合物水泥砂浆的抗折强度均高于基准砂浆，但抗压强度低于基准砂浆;2)控制相同的流动度时，聚合物水泥砂浆的抗折、抗压强度均高于基准砂浆，且聚合物掺量为 12%时为最佳值，因其与实际应用有较为相似的工作性能，所以环氧掺量取 12%比较合适;3)添加聚合物后，水泥砂浆的压折比降低很多，获得了良好的柔性;4)聚合物改性水泥砂浆是在25℃，50%相对湿度的条件下养护，与在空气中养护条件类似，因此施工较为简便，能够在常温条件下获得较优异的力学性能。

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