聚合物水泥砂浆力学性能及微观结构表征研究

东艳君

【摘 要】对不同聚合物参量的水泥砂浆进行养护龄期分别为2h、4h、6h、1d、7d、14d、28d的抗压强度和抗折强度进行试验研究，并通过电子显微镜扫描对养护龄期为28天聚合物掺量分别为0%、2%、4%、6%的水泥砂浆试样微观形貌进行分析。结果表明：聚合物可以促进水泥的水化，对水泥砂浆有很好的促凝效果；聚合物水泥砂浆抗压强度随着聚合物掺量的增加呈下降趋势，抗折强度呈上升趋势；当聚合物掺量为4%时，早期压折比降到最低，水泥砂浆有很好的早期韧性；聚合物的加入改善了水泥砂浆的内部结构，尤其对水泥砂浆的界面结构和孔结构改善明显，使其孔径大幅度减小。

【关键词】聚合物；水泥砂浆；力学性能；微观结构

0 引言

水泥基材料以其价格便宜、强度高、生产工艺简单、适应性强等众多优点，已成为世界范围内应用最广且用量最大的一种建筑材料。随着我国国民经济的快速发展，大量的以水泥混凝土为代表的桥梁和路面在交通基础建设中大量涌现而出[1-2]。但是，由于恶劣的环境作用以及施工技術水平的不足，早期修建的混凝土结构出现了一系列的耐久性问题而引起了人们的广泛关注。

聚合物在水泥基材料性能的优化、多功能化、结构建筑的维修、养护等方面起着重要作用。聚合物水泥砂浆是将聚合物按一定的比例加入水泥砂浆制成的复合材料，聚合物的加入大大提高了水泥砂浆的力学性能，且聚合物水泥砂浆已成为不可替代的结构修补材料。国内外学者对聚合物水泥砂浆虽然相继开展了一些研究[3-5]。但是，从宏观力学性能与微观结构变化结合来研究聚合物水泥砂浆性能的研究较少，为此本文开展聚合物水泥砂浆力学性能及微观结构表征研究尤为必要。

1 试验材料及方案

1.1 试验原材料

试验所用的快硬水泥为景泰景顺特殊水泥有限公司生产的42.5快硬硫铝酸盐水泥；所用普硅水泥为甘肃京兰水泥有限公司生产的42.5普硅水泥；粉煤灰是从某电厂煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等；试验所用的聚合物为瓦克5010N可再分散的醋酸乙烯/乙烯共聚胶粉；粗砂（0.40mm～0.65mm）；细砂（0.25mm～0.40mm）。

1.2 聚合物水泥砂浆配合比设计

水泥主要以硫铝酸盐快硬水泥为主，配以适量的普通硅酸盐水泥和粉煤灰，使水泥砂浆性能更加理想；外加剂用来调整砂浆的和易性及其他性能；为达到合理级配，减少孔隙，砂采用了粗砂和细砂两种类型。在前期工作的基础上，通过调整外加剂含量，使聚合物水泥砂浆达到较好的工作性。配合比确定如下：①水胶比：0.27；②胶砂比：0.83；③聚合物掺量（0%、2%、4%、6%）。

1.3 试件制备

根据各组试验所需分别制备聚合物掺量为0%、2%、4%、6%的试件，试件尺寸为40mm×40mm×160mm，制作抗折及抗压试验的试件方法参照ISO法进行。并放入20℃恒温水箱中养护，养护龄期为28天。

2 试验结果分析与讨论

2.1 聚合物掺量对聚合物水泥砂浆凝结时间的影响

由于水泥砂浆的凝结时间对施工有直接影响，因此，对聚合物水泥砂浆凝结时间的讨论很有必要。硫铝酸盐体系的水泥砂浆初凝时间和终凝时间非常接近，一旦初凝就无法施工，所以评价初凝时间即可。表明，聚合物对水泥砂浆有明显的促凝作用，且效果随聚合物掺量的增加变明显。当聚合物掺为6%时，凝结时间下降幅度很大。分析其原因为，聚合物颗粒与水泥颗粒相遇发生水化反应，生成了水化硅酸钙、钙矾石、氢氧化钙等水化产物，形成一定量的凝胶[6]，对水泥水化有促进作用；水泥砂浆搅拌过程中聚合物颗粒覆盖于部分二水硫酸钙表面，阻碍了铝酸三钙与二水硫酸钙结合形成钙矾石，由于铝酸三钙水化极快，在一定程度上促进了水泥的水化；用水量不变的情况下，聚合物可再分散性胶粉的加入使水胶比有所减小，对凝结时间也有一定的影响。可见在一定的条件下，聚合物可再分散胶粉有很好的促凝效果。

2.2 聚合物水泥砂浆的抗压强度

由图1可以看出，掺入聚合物后，硫铝酸盐水泥砂浆各龄期的抗压强度均随着聚合物掺量的增加呈下降趋势。但是随着聚合物掺量的增加，下降速率减缓，当聚合物掺量为6%、养护龄期为14天时，抗压强度甚至有所回升。分析其原因为，当聚合物掺量过小时，聚合物形成的胶状膜较少，只能分布于部分水泥砂浆硬化体中，不能贯穿于整个结构体系，反而使内部结构的致密度降低，使得各龄期抗压强度有所降低。但是，随着聚合物掺量的增加，聚合物在水泥砂浆硬化体中形成的胶状膜将越来越多，能够很好的把整个内部的结构贯穿起来，并能够填充水泥砂浆中的缺陷和微裂缝，增加了水泥砂浆的致密性，对水泥砂浆的改善效果越来越明显，从而各龄期的抗压强度下降趋势减缓，甚至有所回升。因此，当聚合物掺量达到最佳掺量前，聚合物对水泥砂浆抗压强度的负面效应大于正面效应。

2.3 聚合物水泥砂浆的抗折强度

试验分别测试了不同聚合物参量下水泥砂浆试件2h、4h、6h、1d、7d、14d、28d的抗折强度，其测试结果见图2。

可以看出，随着聚合物掺量的增加，硫铝酸盐水泥砂浆各龄期的抗折强度大体呈上升趋势，28天强度上升稳定，4小时强度上升速率明显增大，6小时、1天、7天强度都是先下降后上升。这是与聚合物掺量对水泥砂浆抗压强度影响机理相同，由于聚合物与水泥砂浆拌合过程中，聚合物颗粒分散在水泥砂浆的连续相内，且与水泥不发生明显化学反应。聚合物在整个砂浆硬化体中成膜，填充了其中的缺陷和微裂缝。聚合物膜具有较好的变形能力和较高的抗拉强度，抑制了水泥砂浆中的微裂纹进一步扩展。因此，有效的改善了水泥砂浆的抗折强度。此外，当聚合物掺量为4%时，继续增加聚合物含量，28天强度上升基本稳定，7天强度将出现明显的倒缩，两小时强度也将会下降，可见聚合物掺量为4%最佳。

2.4 聚合物水泥砂浆的压折比

从图3可以看出，随着聚合物掺量的增加，硫铝酸盐水泥砂浆各龄期的压折比呈下降趋势，由于压折比是反映水泥砂浆韧性的重要指标，压折比越小韧性越好，这说明聚合物掺量越大越有利于聚合物水泥砂浆韧性的提高。其中2h和4h龄期的压折比下降趋势最为明显，当聚合物掺量大于4%时，它们的压折比低于其他任何龄期。这说明当聚胶比大于4%时，水泥砂浆早期韧性好。水泥砂浆柔韧性的提高有利于在特殊的工程应用中发挥更好的作用。

2.5 聚合物水泥砂浆的微观形貌

取养护龄期为28天聚合物掺量分别为0%、2%、4%、6%的试样，用丙酮阻止其水化，并通过扫描电子显微镜对其微观形貌进行分析表明：聚合物掺量为0%的水泥砂浆水泥石和集料界面存在大量的裂纹、缺陷，随着聚合物掺量的增加裂纹明显减少。水泥水化产生收缩是裂纹产生的主要原因，在水泥砂浆中加入聚合物后，形成了柔性的互穿网络结构，有效地改善了水泥石结构与集料的结合形态，使内部结构趋于完善，这种交联结构有利于强度的发展。这就从微观结构上解释了掺入聚合物后水泥砂浆强度大幅度提高的原因。当水泥水化产生收缩时，上述柔性的聚合物结构会发生大的形变，吸收大量的能量，有效的缓解了裂纹尖端的应力集中，从而阻止了裂纹的进一步扩展。

3 结论

1）聚合物可以促进水泥的水化，对水泥砂浆有很好的促凝效果。

2）聚合物水泥砂浆随着养护龄期的变化，抗压强度均随着聚合物掺量的增加呈下降趋势，抗折强度大体呈上升趋势。

3）当聚合物水泥砂浆结构体受到外力作用时，聚合物网状胶膜发生较大的塑性变形，吸收大量的能量，缓解了微裂纹尖端的应力集中，阻止了微裂纹的进一步扩展，使得水泥砂浆抗折强度明显增加。同时聚合物的加入改善了胶凝材料与骨料的界面结构，增加了它们之间的粘结力，使得水泥砂浆的韧性大幅度提高。当聚合物掺量为4%时，早期压折比降到最低，因此水泥砂浆有很好的早期韧性。

4）聚合物的加入改善了水泥砂浆的内部结构，尤其对水泥砂浆的界面结构和孔结构改善明显，使其孔径大幅度减小。

【参考文献】

[1]王小刚，史才军，何富强，元强，王德辉，黄勇，李庆玲.氯离子结合及其对水泥基材料微觀结构的影响[J].硅酸盐学报，2013，41（2）：187-198.

[2]黄利频，袁玲.聚合物干粉改性水泥砂浆性能及应用研究[J].武汉理工大学学报，2007，29（10）：15-19.

[3]孙振平，叶丹玫，傅乐峰，郑柏存，冯中军，谢慧东.聚合物改性水泥砂浆含气量对力学性能的影响[J].建筑材料学报，2013，16（4）：561-566.

[责任编辑：田吉捷]