高分子聚合物混凝土表面增强剂的配合比研究

朱 燕，孙 悦，梅 华

（南通职业大学 建筑工程学院， 江苏 南通 226007）

江苏南通位于黄海南部，长江入海口东岸，拥有海岸线210 km，海岸带面积1.3 万km2，是长江三角洲地区重要的港口城市，拥有大量的沿海建筑及海堤工程。经实际使用发现，工程中时常有混凝土表面强度偏低、混凝土裂缝等问题出现。混凝土中的水泥质量不过关、外掺料中杂质较多、混凝土配合比设计不合理、混凝土在运输及浇筑过程中不规范操作等，均会导致混凝土表面强度降低，造成混凝土表面起粉，产生“蜂窝麻面”；而混凝土凝结硬化之前表面水分蒸发过快、混凝土内部水化热过大、混凝土配筋率偏低、混凝土养护条件欠缺等问题的出现则会导致混凝土表面出现裂缝。诸多研究成果表明[1-3]，高分子聚合物（如丙烯酸、环氧树脂、硅酸乙酯、有机硅树脂、聚氨酯等一种或者多种材料的混合物）可显著降低混凝土吸水率，增强抗碳化性能，提高混凝土的抗氯离子渗透性、耐老化性，解决混凝土表面强度偏低及表面裂缝的问题，有效提高海堤工程混凝土的耐久性。

本文以丙烯酸酯共聚乳液为基础原液，加入不同掺量的硫酸钠、滑石粉、成膜助剂和消泡剂等材料，通过混凝土回弹强度试验确定各组成成分的掺入比例，得到高分子聚合物混凝土表面增强剂的最佳配比。

1 试验方案

1.1 原材料

丙烯酸酯共聚乳液：深圳市吉田化工有限公司生产的E0503-X 水性丙烯酸酯乳液，pH 值为5~7，乳白色蓝光液体，固含量为37 %，黏度为1 200~1 600 CPS。

硫酸钠：国药集团化学试剂有限公司生产，主要成分为 Na2SO4，pH 值为 5.0~8.0，固含量≥99.0 %。

滑石粉：主要成分 SiO2和 MgO2，其中 SiO2含量为60 %，MgO2含量为31 %，水含量为9 %，白色粉末状，细度325，烧失量6 %。

成膜剂：润宏化工生产的成膜助剂，主要成分为十二碳醇酯，含量大于99.0 %。

消泡剂：兰蒂斯工业生产的聚醚改性消泡剂，乳白色水性液体，密度1.01±0.02 kg/m3。

水泥：南通华新水泥有限公司生产，标号为42.5 的普通硅酸盐水泥[4]。

粗骨料：天然碎石，粒径为5～30 mm，表观密度为 2 700 kg/m3。

细骨料：取自本地河砂，细度模数Mf=2.78，表观密度为2 650 kg/m3。

减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的PCA（I）聚羧酸类高效减水剂，减水效率为25 %，掺量为水泥质量的1 %[4]。

1.2 试验方法

混凝土回弹强度试验：为排除自身强度发展对混凝土表面强度的影响[5]，以养护成型超过1 年的C30 混凝土结构试件（2 m×0.5 m×0.5 m素混凝土梁）为试验对象，按照《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23-2011）中的试验方法进行混凝土回弹强度试验。试验仪器选用上海乐傲仪器有限公司生产的ZBL-S201 型数显回弹仪。试验时，始终将回弹仪的轴线垂直于混凝土的检测面进行水平弹击，将测区中16 个回弹值去除3 个最大值和3 个最小值，以平均回弹值Rm 表示混凝土的表面强度。

高分子聚合物混凝土表面增强剂的添加工艺为：采用人工涂抹方式，涂抹前先用普通砂纸将混凝土结构试件表面打磨光滑，再用树脂刷将表面增强剂分2 次均匀涂抹在混凝土结构试件表面，前后间隔20 min，每次涂抹厚度约0.5 mm，使混凝土结构试件表面始终保持湿润状态，涂抹厚度最终控制在0.8~1.2 mm，涂抹用量为1~2 kg/m2。

1.3 配合比设计

以丙烯酸酯共聚乳液原有的固含量为基础，加水稀释成固含量为5 %和10 %的液体，依次加入硫酸钠（掺量为1 %、3 %、5 %），滑石粉（掺量为1 %、3 %、5 %），成膜助剂和消泡剂（掺量均为0.2 %、0.4 %、0.6 %）等材料混合，将高分子聚合物乳液涂抹至混凝土表面，测定养护龄期为1 d、7 d、14 d、28 d、56 d 时的回弹强度，以此确定高分子聚合物混凝土表面增强剂中各组成成分的最优掺量，得到最佳配合比。

2 试验结果及分析

2.1 高分子聚合物对混凝土表面强度的影响

首先，测定混凝土表面的初始回弹值，然后分别将固含量为5 %和10 %的丙烯酸酯共聚乳液涂抹在混凝土结构试件表面，分别测定其在自然条件下养护 1 d、7 d、14 d、28 d、56 d 时的混凝土回弹数据，试验结果见表1。

表1 丙烯酸酯共聚乳液涂抹混凝土表面的回弹值

将混凝土表面强度增长率定义为涂抹丙烯酸酯共聚乳液的混凝土表面强度回弹值与混凝土表面强度初始回弹值之间的比值，则其随着养护龄期变化的情况如图1 所示。

图1 龄期对丙烯酸酯共聚乳液表面强度增长率的影响

由图1 可知，经丙烯酸酯共聚乳液涂抹后，混凝土结构试件表面强度增长率随着养护龄期的增加而逐渐提高。涂抹丙烯酸酯共聚乳液固含量5%的混凝土，表面强度增长率逐渐稳定，28 d 后停止增长，56 d 的表面强度增长率为4.58 %；涂抹丙烯酸酯共聚乳液固含量10 %的混凝土，56 d 的表面强度增长率为5.46 %。由此可见，仅在混凝土表面涂抹丙烯酸酯共聚乳液无法大幅度提高其表面强度，需要对高分子聚合物混凝土表面增强剂做改性分析。

2.2 硫酸钠掺量对高分子聚合物混凝土表面增强剂作用效果的影响

宋哲[6]等人研究表明，硫酸钠与水泥水化产生的氢氧化钙进一步反应，生成的沉淀物可填充混凝土中的孔隙，提高混凝土的密实性。为进一步改善混凝土的表面强度，向丙烯酸酯共聚乳液中掺入硫酸钠，利用混凝土回弹试验确定硫酸钠的最佳掺量。

首先测定混凝土表面的初始回弹值，然后向固含量为5 %和10 %的丙烯酸酯共聚乳液中分别掺入1 %、3 %、5 %的硫酸钠，将其涂抹在混凝土结构试件的表面，分别测定其在自然条件下养护 1 d、7 d、14 d、28 d、56 d 时的混凝土回弹数据，试验结果见表2 和图2。

表2 硫酸钠改性丙烯酸酯共聚乳液的混凝土表面回弹值

图2 硫酸钠掺量对表面强度增长率的影响

从图2（a）可以看出，当涂抹固含量5 %的丙烯酸酯共聚乳液，外加不同掺量硫酸钠时，其混凝土表面强度增长率随着养护龄期的增加而逐渐提高，并最终趋于稳定。其中，硫酸钠掺量为5 %的混凝土表面强度增长率最为突出，56 d 的强度增长率接近8.40 %，比未掺硫酸钠的56 d 强度增长率高3.82 %（表1）。从图2（b）可以看出，当涂抹固含量10 %的丙烯酸酯共聚乳液，外加不同掺量硫酸钠时，其混凝土表面强度增长率也存在类似规律，且硫酸钠掺量为3%的混凝土表面强度增长率最为显著，56 d 的强度增长率接近12.06 %，比未掺硫酸钠的56 d 强度增长率高6.60 %（表1）。

综合比较图 2（a）和（b）可知，涂抹 10 %丙烯酸酯共聚乳液，外加3 %硫酸钠的混凝土，其表面强度增长率最为显著，在6 种掺量中的数值最大，且明显高于未掺硫酸钠的情况。因此，适量外掺硫酸钠能够提高混凝土的表面强度，且丙烯酸酯共聚乳液固含量10 %、硫酸钠掺量3 %的混合溶液对混凝土表面强度的增强效果最优。

2.3 滑石粉掺量对高分子聚合物混凝土表面增强剂作用效果的影响

王国荣[7-8]等人研究表明，滑石粉经高分子聚合乳液包裹后，能显著提高聚合乳液的抗冲击能力和抗拉伸能力，从而提高成膜的弯曲刚度及附着能力，并且滑石粉不会与硫酸钠产生任何化学反应，所以在高分子聚合乳液混凝土表面增强剂中添加滑石粉，进一步分析其最优配比。

首先测定混凝土表面的初始回弹值，然后以表2 的B-2 为基础配比溶液，向其分别掺入1 %、3 %、5 %的滑石粉，将其涂抹在混凝土结构试件的表面，分别测定其在自然条件下养护1 d、7 d、14 d、28 d、56 d 时的混凝土回弹数据，试验结果见表3 和图3。

表3 滑石粉改性丙烯酸酯共聚乳液的混凝土表面回弹值

图3 滑石粉掺量对表面强度增长率的影响

从图3 可以看出，当涂抹10 %丙烯酸酯共聚乳液、掺入3 %硫酸钠，外掺不同掺量的滑石粉时，其混凝土表面强度增长率随着养护龄期的增加而稳步增长。滑石粉掺量为3 %时，混凝土表面强度增长最为显著，56 d 的强度增长率为13.39%，比未掺滑石粉的56 d 强度增长率高出1.30 %（表2）。由此可见，滑石粉掺入丙烯酸酯共聚乳液中可提高混凝土表面强度，且丙烯酸酯共聚乳液固含量10%、外掺硫酸钠3 %和滑石粉3 %的混合溶液对混凝土表面强度的增强效果最优。

2.4 成膜助剂和消泡剂掺量对高分子聚合物混凝土表面增强剂作用效果的影响

于国玲[9-10]等人研究表明：成膜助剂可有效改善乳胶粒子的黏聚性和流动性，提高成膜的速度；消泡剂可降低泡沫表面张力，抑制或消除泡沫产生，提高乳液的分散性和稳定性。因此选择将成膜助剂和消泡剂掺入高分子聚合物混凝土表面增强剂中，进一步分析其最优配比。

首先，测定混凝土表面的初始回弹值，然后以表3 的B-2-2 为基础配比溶液，考虑市场应用的经济性，向其分别掺入0.2 %、0.4 %、0.6 %的成膜助剂和消泡剂（成膜助剂和消泡剂掺量相同），将其涂抹在混凝土结构试件的表面，分别测定其在自然条件下养护 1 d、7 d、14 d、28 d、56 d 时的混凝土回弹数据，试验结果如表4 和图4 所示。

图4 成膜助剂和消泡剂掺量对表面强度增长率的影响

表4 成膜助剂和消泡剂改性丙烯酸酯共聚乳液的混凝土表面回弹值

从图4 可以看出，当涂抹10 %丙烯酸酯共聚乳液、掺入3 %硫酸钠及3 %滑石粉，外掺不同掺量的成膜助剂和消泡剂时，其混凝土表面强度增长率随着养护龄期的增加也逐渐上升。当成膜助剂和消泡剂的掺量均为0.6 %时，混凝土表面强度增长最为显著，56 d 的强度增长率为16.48 %，比未掺成膜助剂和消泡剂的56 d 强度增长率高3.12 %（表3）。由此可见，成膜助剂和消泡剂掺入丙烯酸酯共聚乳液可提高混凝土表面强度。丙烯酸酯共聚乳液固含量10 %、硫酸钠掺量3 %、滑石粉掺量3 %、成膜助剂和消泡剂的掺量0.6 %的混合溶液对混凝土表面强度的增强效果最优。

3 结 论

通过回弹试验研究了丙烯酸酯共聚乳液中加入不同掺量的硫酸钠、滑石粉、成膜助剂和消泡剂等对混凝土表面强度的影响。试验结果表明：掺入适量的硫酸钠、滑石粉、成膜助剂和消泡剂可以有效提高混凝土的表面强度，高分子聚合物混凝土表面增强剂的最优配合比为：10 %丙烯酸酯共聚乳液、3 %硫酸钠、3 %滑石粉、0.6 %成膜助剂和0.6 %消泡剂。