聚合物改性水泥砂浆的制备及性能研究

周俊杰 杨征勋＊

（新疆农业大学交通与物流工程学院， 乌鲁木齐 830052）

0 引言

与普通水泥砂浆相比，经过聚合物改性后的水泥砂浆，其抗折强度高、抗腐蚀性能强，国内外有很多专家对此进行研究，因而在现代社会中被广泛应用，通常作为理想的修补材料、建筑物抹面掺料等[1-4]。

聚合物加入到水泥砂浆中，因为发生了一系列复杂的化学反应，产生了一些新的物质，而这些物质对于其的粘聚力有了很大提高，因此改性后的水泥砂浆强度有所提高，所以聚合物对于水泥砂浆的改性有很好的研究[5]。

本文产生于研究应用水泥基修补材料在新技术工业中，以聚合物改性后的水泥砂浆的性能研究为目的，研发一种复合改性水泥，其性能优良、可广泛用于交通建设领域，研究其相应的性能及完善，使之在工程中能够被广泛的推广应用。

1 材料的性能试验

1.1 新拌净浆、砂浆工作性能测试

1.1.1 水泥砂浆密度的测定

本文按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》JTGE30-2005的实验步骤对水泥砂浆密度进行测定。

水泥砂浆密度计算：

式中： ρ － 拌合物的密度（kg/m3）；

m0－ 试样桶的质量（kg）；

m1－ 水泥砂浆与试样桶的总质量（kg）；

v － 容量桶的容积（L）。

用3次所得试验的结果，计算出来其平均值当作是实验的结果,试样不能重复使用。对试验数据进行记录、数据处理制成图表，如表1.1、表1.2所示

表1.1 PAA对砂浆的密度的影响

表1.2 自制乳液对砂浆的密度的影响

由表1.1可以得出在水泥砂浆中掺加掺量20%的PAA其密度比纯水泥砂浆的密度有所降低；经表1.2可以得出随着在水泥砂浆中掺加自制乳液的掺量越高其密度越小。相比较而言，自制乳液的掺入比聚丙烯酸的掺入对水泥砂浆的密度影响更显著。

1.1.2 凝结时间测定

对试验数据进行记录制成图表，如表1.3、图1.1所示

表1.3 聚合物改性后水泥砂浆的初凝和终凝时间

图1.1 自制乳液改性水泥砂浆的凝结时间对比图

由表1.3可以得出水泥砂浆中PAA的掺量为20%时，其凝结时间明显比水泥砂浆中PAA的掺量为0%的凝结时间延长，由此可以得出，水泥砂浆中随着PAA的掺入，其凝结时间有所延长，即水泥砂浆经过改性后，其初凝时间、终凝时间都延长；由表1.3、图1.1可以得出在水泥砂浆中掺入不同掺量的自制乳液，水泥砂浆的初凝时间与终凝时间随着自制乳液的掺量增加从而变长，且初凝时间与终凝时间的增加的幅度会趋于平缓。

1.1.3 水泥胶砂流变度试验

对试验数据进行记录绘制成图，如图1.2、1.3所示

图1.2 自制乳液改性水泥净浆的流变性

图1.3 自制乳液改性水泥净浆的触变性

物质通过外力的作用下，使之产生流动与变形的性质，称为流变性，即在加工的过程中，其形变、形变速率 、应力和粘度之间的联系。经图1.2可以得出随着自制乳液掺量的增加，其对水泥净浆流变性影响慢慢趋于稳定，自制乳液在水泥净浆中掺量为20%时其流变曲线最为稳定且集中，因此自制乳液在水泥净浆中掺量为20%时对于水泥净浆流变性改性效果最佳；在恒定剪切速率的作用下，某些液体的黏度，随着剪切时间的增加而降低的性质，称为触变性。由图1.3可以看出随着自制乳液在掺量20%时其触变曲线波动最小、最为稳定，同时其恢复原有粘度的能力最佳，因此自制乳液在水泥净浆中掺量为20%时对于水泥净浆触变性改性效果最佳。

1.2 砂浆的力学性能测试

1.2.1 抗压强度和抗折强度

本文对水泥胶砂强度检验方法(即IOS法)，是按照JFGE30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》，对棱柱体试件（40mm×40mm×160mm）按规定进行成型与养护，并测定其抗压强度和抗折强度。

① 计算方法

抗压强度

式中： Rc－ 抗压强度（MPa）；

Fc－ 破坏荷载（N）；

A－ 受压面积，40mm×40mm=160mm2。

以6个断块试件为一组，对这一组试件的抗压强度进行数据处理，得出的算术平均值为最终的抗压强度，精确到0.1MPa。如果在这6个数值中有一个的值超过了平均值的±10%，则应把其舍掉后在用余下的5个数值来取，算平均值当做最终结果。如果个数值中还有超过其平均值的±10%,则这组试件是无效的，重测。

抗折强度

式中： Rf－抗折强度（MPa）；

Ff－破坏荷载（N）；

L－支撑圆柱中心距（mm）；

b1－试件的断面为正方形边长，其长为40mm。

以3个试件为一组，对这一组试件的抗折强度进行数据处理，得出的算术平均值为最终的抗折强度，精确到0.1MPa。若这三个的强度值中存在大于平均值的±10%，则应该舍掉后再取平均，把这次的平均值来作为其抗折强度的试验结果。

1.2.2 折压比

本次试验中采用的试件为40mm×40mm×160mm棱柱体，在测得其抗压强度与抗折强度之后，把其抗折强度和抗压强度对应相除，即可以得到所测砂浆折压比，用来表现砂浆其的韧性。以三个制备试件为一组，把这一组试件对应所测的数据进行处理，得出的算术平均值为最终结果，是对聚合物改性水泥砂浆韧性进行评价的指标。

2 聚合物在优选配合比下改性的水泥砂浆力学性能评价

2.1 最优配合比的确定

经过前期大量探索性试验的实施，最终确定在水泥砂浆中掺加掺量为20%的PAA，而经过对自制乳液改性过后的水泥砂浆和水泥净浆密度、初凝时间、终凝时间、流变性与触变性的试验最终选定在水泥砂浆中掺加掺量为20%的自制乳液，水灰比固定为0.45。

2.2 力学性能

本文按照《聚合物改性水泥砂浆试验规程》DL/T5126-2001规定的养护方法，对试件进行养护至规定龄期。依次对试件进行试验，测得其3d、7d所对应的抗折强度与抗压强度，并计算出其折压比。

具体实验结果见表2.1以及图2.1～2.3。

表2.1 自制乳液改性水泥砂浆的强度试验数据

2.2.1 改性砂浆的抗压抗折强度性能

⑴ 聚合物的掺量对水泥砂浆改性后的抗折强度

图2.1 自制乳液对水泥砂浆改性后的抗折强度对比图

由图2.1观察可以得出，掺加自制乳液在一定程度上会提高改性后的水泥砂浆的抗折强度，随着自制乳液用量的增大其抗折强度呈现变强的趋势，并且随着龄期的增长其抗折强度会有明显增强。

⑵ 聚合物掺量对改性水泥砂浆抗压强度的影响

图2.2 自制乳液对水泥砂浆改性后抗压强度对比图

由图2.2观察可以得出，掺加自制乳液对水泥砂浆改性之后其抗压强度都有一定的降低，随着自制乳液用量的增大改性之后其的抗压强度有了很大程度的降低，并且随着龄期的变长其改性之后的抗压强度也有了很大的降低。

2.2.2 聚合物对改性砂浆的折压比影响

通过折压比（即抗折强度和抗压强度的比），可以对改性之后的水泥砂浆的柔韧性进行衡量，折压比越大，则其水泥砂浆改性后的韧性就越好，即水泥砂浆改性后的抗开裂性就越好。试验结果数据见图2.3。

图2.3 自制乳液改性水泥砂浆的折压比度对比图

由图2.3可以得出自制乳液的掺入增大了改性水泥砂浆的折压比，其中在自制乳液掺量为20%时3d折压比提高最为明显，但在7d时提高的不是很大。

总之改性水泥砂浆的折压比会随着其龄期的变大呈出先增大然后减小的这种趋势，此类现象的原因主要是自制乳液对其抗折强度的提高比较明显，但是其对于水泥砂浆改性之后的抗压强度却有了很大程度的降低。

因此在砂浆改性的时候加入一定量自制乳液，会使其对水泥砂浆性能会有一定程度的改善。并且随着自制乳液用量的不断增加，改性之后的砂浆的折压比会有较大的增幅。

3 聚合物改性水泥砂浆微观结构机理研究

3.1 SEM分析

本试验是在重庆交通大学材料学院电镜实验室完成。水泥砂浆经过自制乳液改性后通过SEM扩大一定倍数下的不同时间段的形貌。如图3.1～3.3

图3.1 原水泥砂浆SEM扫描图片

图3.2 聚合物改性水泥砂浆SEM扫描图片

从图3.1和图3.2可以看出，原水泥砂浆的水泥石和集料的界面处存在着许许多多是缺陷与裂缝，而图3.2水泥砂浆经过自制乳液改性之后的就不会看到有很清晰的裂缝了。主要有裂缝的原因是因为水泥在水化过程中会发生收缩，在原水泥砂浆中加入自制乳液后，发生反应进而形成了明显的网状结构，对水泥砂浆的内部结构有了很大程度上的改善，这样的交联结构十分利于强度的发展。

图3.3 聚合物改性水泥砂浆SEM扫描图片

由图3.3观察可以得出：

随着自制乳液用量的增加，自制乳液会与水泥发生反应，其产生的物质会因为化学反应作用进而结合，然后形成互相交错的三维结构，这样不仅对水泥砂浆的内部结构有了很大改善，还构成了较强的强度。由（1）、（2）、（3）、（4）可以看出，想要进一步清晰明了的观察到自制乳液的成膜以及其内部的结构应该把电子扫描所研究的照片，把其放大到极大的倍数，然后通过使用能谱仪来进行辅助，最后得到自制乳液慢慢地浸润到砂浆的微裂隙中以及内部孔壁中，进而形成了相比之下完整的密实的三维网状结构。

3.2 聚合物乳液对水泥砂浆的改性机理

水泥砂浆中加入不同种类的聚合物乳液或不同分量的聚合物乳液，都会对水泥砂浆有一定程度上的性能影响，如：耐腐蚀性能有所提升、柔性增加、抗折强度变强、韧性变好等。其主要在以下几个方面：

（1）聚合物加入到水泥砂浆中，因为发生了一系列复杂的化学反应，产生了一些新的物质，而这些物质对于其的粘聚力有了很大提高，因此改性后的水泥砂浆强度有所提高。

（2）微观方面由于聚合物乳液会与水泥砂浆发生化学反应，产生具有胶凝的化学产物，在微观结构上使改性后的水泥砂浆孔隙有了一定的减小，进而会形成较为密实的三维网状结构，从而其性能有所提高。

4 结论

经过前期大量探究性试验确定了聚丙烯酸（PAA）的掺量为20%，在此基础上本文通过对自制乳液处于不同用量时进行试验，对水泥砂浆改性过后的施工性能和力学性能的研究，探明了自制乳液的掺入对水泥砂浆改性之后的工作性能和力学性能存在的影响。主要研究成果如下：

（1）水泥砂浆、净浆在经过自制乳液改性之后，在其物理性能上，自制乳液的不同掺量，均对水泥砂浆改性之后的密度造成减小，且伴随着自制乳液掺量的增加，改性之后的水泥砂浆的密度也呈现减小的趋势；改性水泥砂浆的初凝时间和终凝时间都随着自制乳液用量的增加而呈现凝结变慢的趋势，且初凝时间和终凝时间延缓的幅度会变长但也慢慢趋于平缓；随着自制乳液用量的增加，其对水泥净浆流变性影响慢慢趋于稳定，且在自制乳液在水泥净浆中用量为20%的时候对于水泥净浆改性其流变性效果最佳；自制乳液在掺量20%的时候对于水泥净浆改性其触变性效果最佳。

（2）水泥砂浆在经过自制乳液改性之后，在其力学性能上，掺加了自制乳液的水泥砂浆，在改性过后其抗折强度有所增强，且伴随着自制乳液掺量的增加，其抗折强度增大，随着龄期的增长，其抗折强度也增大；而掺加了自制乳液的水泥砂浆，在改性过后其抗压强度有所降低，且伴随着自制乳液掺量的增加，其抗压强度降低，随着龄期的增长，其抗压强度也降低；随着自制乳液掺量的增加，改性之后的水泥砂浆，其折压比得到提高。

（3）在自制乳液对水泥砂浆改性的微观结构上，利用SEM照片可以看出，因为存在聚合物加入，从而形成了不连续的膜，这些膜包裹着水泥的水化产物，这些物质相互贯穿从而形成密度的三维网状，其对水泥砂浆的内部有了改善，因而其性能有所提高。