丙烯酸乳液改性水泥加固砂浆的性能研究

2020-03-25裴须强朱玉雪

硅酸盐通报 2020年2期

裴须强，朱玉雪，张帅

(1.中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024；2.中建材中岩科技有限公司，北京 100024; 3.建筑材料行业防护修复与加固材料工程技术中心，北京 100024)

0 引言

混凝土作为建筑工程和道路工程必不可少的材料，已在生活中随处可见，但在其使用寿命内难免会受到不同程度的损坏，导致性能严重降低。如何对损坏后的混凝土进行修补加固，保证其正常作业，已成为研究的重点[1-3]。当前市面上绝大多数是利用普通水泥加固砂浆进行混凝土的加固，但普通的水泥加固砂浆存在一个很严重的问题，砂浆材料本身是一种多孔材料，在水、氯离子及CO2等介质的长时间作用下[4-6]，其结构很容易受到破坏，且它还存在与混凝土黏接力不足、收缩率高及耐久性差等缺点，工程应用的效果不好[7]。而实际工程中一般用到的混凝土修补加固砂浆需要具有较高的抗折和抗压强度，较强的黏接力等[8-10]。

基于上述工程应用中存在的问题，近年来聚合物改性水泥加固砂浆因具有较好的性能得到了施工单位的青睐，逐渐成为最常用的混凝土修补加固材料[11]。它充分利用了水泥加固砂浆高强、耐磨、抗冻等优势，同时还具备聚合物改性材料对混凝土黏接效果好的特性。此外，聚合物的引入，还会使有机聚合物膜和无机材料结构形成一定的互穿结构，利用有机材料的韧性，有效阻止砂浆裂纹的产生，保证良好的工程应用效果[12-13]，具体产品已在混凝土修补加固工程上得到了大量应用。目前对水泥加固砂浆的改性研究主要集中在普通硅酸盐水泥和硫铝硅酸盐水泥，而对两种硅酸盐水泥互配的加固砂浆体系改性研究仍然较少，且改性所用聚合物一般为胶粉类[14-15]。

因此，研究选用了环保型水性丙烯酸乳液对水泥加固砂浆进行了改性，从宏观性能和微观分析两个角度对水泥加固砂浆凝结时间、力学性能、黏接性能以及体积稳定性进行了研究，旨在为后续相关领域的研究提供一定的参考。

1 实验

1.1 原材料

(1)普通硅酸盐水泥

选用冀东生产的42.5普通硅酸盐水泥，其主要化学成分见表1。

表1 硅酸盐水泥主要化学成分Table 1 Main chemical composition of Portland cement /%

(2)快硬硫铝酸盐水泥

选用北极熊生产的42.5快硬硫铝酸盐水泥，其主要化学成分见表2。

表2 硫铝酸盐水泥主要化学成分Table 2 Main chemical composition of sulphoaluminate cement /%

(3)石英粉(80～120目)

选用北极熊生产的石英粉，其物理性能见表3。

表3 石英粉的基本性能Table 3 Basic properties of quartz flour

(4)减水剂1021

选用兴邦1021型聚羧酸减水剂，其具有分散性好、减水率高、含气量低、与各种水泥的适应性好的特性，在水泥砂浆中的掺量一般占胶凝材料0.4%～0.8%。

(5)丙烯酸乳液

采用巴斯夫环保型水性丙烯酸乳液，其固含量为(58±1)%；pH值为7.0～9.0；粘度为500～750 mPa·s。另外，该乳液与其它组分填料具有很好的相容性，施工时具有较好的稳定性，可按任意比例同水混合使用。且乳液分子中还含有很多活性官能团，如图1所示，含有酯键、羧基等活性官能团。

图1 丙烯酸乳液红外谱图Fig.1 IR spectrum of acrylic emulsion

1.2 实验过程

(1)砂浆制备

将水泥、石英粉、乳液以及减水剂按照配合比称量，倒入搅拌容器内，搅拌机上干拌1 min；然后加入水，继续搅拌3～5 min；最后将搅拌均匀的砂浆混合物浇注在40 mm×40 mm×160 mm三联试模中，并在振动台上振动1 min左右。

(2)养护

将上述成型的砂浆试样放到实验室静置1 d，拆除模具、编号。然后将试样放到温度为(20±3) ℃，湿度为60%～80%的标准养护室内养护至规定龄期。

1.3 方法

(1)凝结时间测试

按照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中的测试方法对水泥加固砂浆的凝结时间进行测试，探索乳液掺量对加固砂浆凝结时间的影响。

(2)力学性能测试

按照DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》中水泥砂浆抗压、抗折强度的测试方法进行测试。砂浆搅拌完成后，倒入40 mm×40 mm×160 mm的模具(模具内部提前刷完油)，1 d后拆模继续养护至规定的龄期后采用压力机和抗折机对试样进行抗压和抗折强度测试。

(3)黏接性能测试

按照DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》中水泥砂浆中黏接性能的测试方法对加固砂浆的黏接强度进行测试。其中应当注意的是试样破坏载荷为试验机标定满负荷的20%～80%之间，力值示值误差不大于1%。

(4)干缩性能测试

按照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中水泥胶砂干缩性能的测试方法及成型要求对砂浆的干缩性能进行测试。测试时需注意首先测定试样的基准长度，然后到规定的干缩龄期后再次进行测试。

(5)扫描电镜实验

采用美国FEI公司的QUANTA 250G型环境扫描电子显微镜(ESEM)进行聚合物水泥加固砂浆材料的微观结构测试。

1.4 配合比

实验以两种不同的硅酸盐水泥，80～120目石英粉，1021减水剂，丙烯酸乳液及水为基本原料。试验过程中保持水泥质量、砂质量不变，乳液掺量是按照乳液与硅酸盐水泥的质量百分比加入。由于丙烯酸乳液掺量降低，其黏接强度会降低，且操作性变差，实验前期研究发现，当乳液量降低到130 g以下时，加固砂浆28 d的黏接强度在1～2.5 MPa之间，低于标准要求的≥2.5 MPa。因此，基于标准要求，本研究在保证黏接强度满足标准要求的基础上，优选出了以下几种配方，具体实验配合比见表4。

表4 实验配合比Table 4 Experimental mix ratio

2 结果与讨论

2.1 凝结时间

图2显示的是不同乳液掺量下水泥加固砂浆的初凝和终凝时间变化，观察可以发现与空白样(乳液掺量为0%)相比，丙烯酸乳液的加入一定程度上延长了水泥加固砂浆的初凝和终凝时间。当掺量为16.2%时，加固砂浆的初凝时间降低为120 min，终凝时间降低为160 min。上述现象是因为丙烯酸乳液含有一定量的羧基基团，而羧基基团的存在导致水泥砂浆中Ca2+与其反应，一定程度上延缓了水泥水化进程，进而也就会导致水泥加固砂浆的初凝和终凝时间延长。此外，丙烯酸乳液本身是一种聚合物，遇见水泥颗粒后很容易在水泥颗粒的表面形成一层隔离膜，而隔离膜的存在会阻止水泥颗粒发生水化反应[11]。且随着乳液掺量的增加，被隔离膜包裹的水泥颗粒越来越多，相应的未水化的水泥颗粒也就越多，因此，可以很直观地看到随着乳液掺量增加，其初凝和终凝时间变长。

图2 不同乳液掺量下加固砂浆的凝结时间
Fig.2 Setting time of reinforcement mortar under different emulsion content

图3 不同乳液掺量下加固砂浆的抗压强度
Fig.3 Compressive strength of reinforcement mortar under different emulsion content

2.2 力学性能

无机材料体系中掺入有机聚合物，一定程度上会对其力学性能造成影响。因此，本研究从抗压和抗折强度两方面对不同丙烯酸乳液掺量的水泥加固砂浆力学性能进行了研究。

2.2.1 抗压强度

无机材料体系本身具有较好的抗压强度，如图3所示，乳液掺量为0%时，加固砂浆的抗压强度达到了80 MPa；但是当引入有机聚合物后一定程度上会降低它的抗压性能，其中乳液掺量为16.2%时，改性水泥加固砂浆抗压强度较好，其28 d强度才达到了55.3 MPa，远低于单纯的无机材料体系。上述现象是由于丙烯酸乳液本身是一种聚合物，当在无机体系中引入一定的聚合物后，很多的水泥颗粒将会被聚合物形成的隔离膜所包裹，阻止水泥颗粒进行水化反应，导致水泥水化不彻底，而未水化的水泥颗粒本身强度不大，当砂浆体系内其含量增加时相应的抗压强度也会跟着降低[11]。另外，还可以发现乳液掺量越低，加固砂浆的抗压强度越好，且相同掺量的加固砂浆28 d龄期的抗压强度远大于养护7 d的试样。这是因为丙烯酸乳液掺量越大，聚合物膜结构越多，被聚合物膜隔离的水泥颗粒比例也会增加，相应的导致水化程度越低，水泥加固砂浆的抗压性能变差；同时随着砂浆养护周期的延长，未水化的水泥颗粒会越来越少，水化程度增大，因此宏观表现为抗压强度增加。

2.2.2 抗折强度

图4 不同乳液掺量下加固砂浆的抗折强度Fig.4 Flexural strength of reinforcement mortar under different emulsion content

实际修补加固工程中对抗折强度也有一定的要求。观察图4，对比未掺入乳液的水泥加固砂浆可以发现乳液的加入并没有对抗折强度产生很大的影响，除了掺量为20%的水泥加固砂浆，7 d抗折强度基本都超过10 MPa；且随着养护时间的增加，加固砂浆的抗折强度也有小幅度的增长，其中乳液掺量为16.2%时，水泥加固砂浆28 d的抗折强度达到了14.2 MPa。这是由于乳液的加入对水化产生一定的阻碍，所以延长养护时间能增加水泥水化的程度，进而增加最终的抗折强度。另外，丙烯酸乳液的加入，使大部分的水泥颗粒被丙烯酸聚合物膜所包裹，导致水泥水化不充分；乳液掺量越低，被包裹的水泥颗粒就越少，水化程度就会相应增加，抗折强度就会变大[11]。

2.2.3 压折比

压折比一般用来衡量材料的韧性，观察表5可以看出，乳液的加入并没有从根本上改变水泥加固砂浆的压折比；当乳液掺量为16.2%时，其28 d的压折比为3.89，小于4；且相比未加入乳液的水泥加固砂浆，乳液的引入导致其压折比有略微降低，也就是水泥加固砂浆的韧性变好。这是由于丙烯酸乳液的加入导致水泥颗粒的表面被包裹一层聚合物隔离膜，大量丙烯酸聚合物隔离膜堆积到一起会形成聚合物隔离膜和水泥加固砂浆相互交织的网络，而网络结构的存在会在一定程度上改善材料的韧性，导致压折比降低[11,13]。

表5 不同乳液掺量下加固砂浆的压折比Table 5 Compression-flexural ratio of reinforcement mortar under different emulsion content

2.3 黏接性能

在实际工程应用中对水泥加固砂浆的黏接强度也有很高的要求，黏接强度过低时，砂浆容易从混凝土修补加固区域脱落，存在二次加固的问题。

图5显示的是不同乳液掺量下聚合物改性水泥加固砂浆的黏接强度，对比可以发现，丙烯酸乳液的引入能明显改善加固砂浆的黏接强度，当乳液掺量为16.2%时，其28 d黏接强度达到3.01 MPa。且乳液掺量的增加，水泥加固砂浆的黏接强度变化不大，有略微增加，这是由于加固砂浆体系中引入乳液导致体系的凝结时间延长，砂浆能与混凝土试块的表面有更好的浸润性，小分子更容易扩散进去，在接触面形成更好的黏接层。另外，相比无机材料，有机材料中大量的有机分子一定程度上会使其具有更好的黏接性能；而丙烯酸乳液本身是一种有机材料，当体系中含量增加时，在界面层更容易形成相对更牢固的黏接层，黏接强度也会越高。而未加乳液的空白样，其28 d龄期下水泥加固砂浆的黏接强度为1.2 MPa左右，远低于添加乳液的水泥加固砂浆的黏接强度，这进一步说明丙烯酸乳液的加入，对水泥加固砂浆的黏接强度有一定的增强作用。

图5 不同乳液掺量下加固砂浆的黏接强度
Fig.5 Bonding strength of reinforcement mortar under different emulsion content

图6 不同乳液掺量下加固砂浆的干缩性能
Fig.6 Dry shrinkage properties of reinforcement mortar under different emulsion content

2.4 干缩性能

观察图6可以发现，丙烯酸乳液的存在，使水泥加固砂浆7 d和28 d的干缩率均有一定程度降低，也就是体积稳定性变好。这是由于丙烯酸乳液中存在有活性的酯基，使得砂浆内部水泥水化的用水量有所减少，相应的也降低水分蒸发产生孔隙的几率；其次，由于丙烯酸乳液在水中分散过程中会产生微小的气泡，气泡将硬化改性水泥加固砂浆内部的毛细管堵塞，减小了水分的蒸发，降低了水泥加固砂浆的硬化干缩率。另外，乳液中的酯基与水泥中的氢氧化钙接触时，体系中一部分溶解的OH-会使酯基发生水解反应而产生羧酸根离子(见式(1))；RCOO-可与Ca2+形成离子键大分子体系(见式(2))，进而形成一个大的网络结构，改善砂浆的密实性。进一步对比不同掺量下加固砂浆的干缩率，可以看出乳液掺量越低，上述几种反应就会越不明显，相应干缩率就会略微增加[6,10,16]。其中当加固砂浆中掺入16.2%的乳液时，其28 d干缩率仍然较低，达到0.08%，满足指标要求的≤0.1%。

(1)

2RCOO-+Ca2+→[RCOO]-Ca2+[OOCR]-

(2)

2.5 扫描电镜试验

通过以上研究知道乳液的加入导致水泥颗粒的表面被一层聚合物膜包裹，阻止了水化的进行。为了更加直观的看出上述现象，本文又对不同乳液掺量水泥加固砂浆进行了扫描电镜测试。观察图7不同乳液掺量的扫描电镜图像，当水泥加固砂浆中丙烯酸乳液掺量较大时(20%和18.7%)，可以很直观的看到了很多的水泥颗粒被丙烯酸聚合物隔离膜所包裹，大量被隔离膜包裹的水泥颗粒又通过乳液连接到了一起，形成了聚合物隔离膜与水泥加固砂浆互穿的网络结构；其中大量未水化水泥颗粒的存在是导致其最终力学性能的降低重要原因[10]。随着丙烯酸乳液掺量的降低，水泥颗粒被包裹的程度下降，不过砂浆内部仍然有一部分水泥颗粒被聚合物隔离膜所包裹，影响了其水化的进行，降低其最终的力学强度。对比观察参比试样的电镜图，乳液掺量为0%时，水泥颗粒几乎不存在被聚合物包裹的现象，其水化过程较为充分，堆积较为密实，直观地表现出了抗压、抗折性能较好。