超細粉混凝土界面處理劑剪切強度的試驗研究

張健，李建琦，逄魯峰

(1.山東三箭集建設工程股份有限公司，山東 濟南 250100;2.山東省食品發酵工業研究設計院，山東 濟南 250013;3山東建筑大學土木工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

近年來，模板技術的發展使得混凝土表面越來越光滑，抹灰愈發困難，許多建筑物都進入老化使用期需要補強加固，新老混凝土的粘結經常遇到問題[1]。想要解決由于拉應力與剪應力造成的結合面薄弱問題，提高界面的粘結力，最佳方法便是使用界面處理劑[2]。界面處理劑主要用于混凝土基層的抹灰，新舊混凝土之間的粘結等。應用混凝土界面處理劑技術，可以提高工程的質量和壽命，有效節約資金，具有顯著的經濟效益。

剪切強度是混凝土界面處理劑力學性能中的重要一項，提高剪切強度對提高界面處理劑的質量有著重要的意義[3，4]。對此，國內外專家進行了很多研究。卜良桃等[5]研究認為，混凝土表面的粗糙處理、界面劑的使用、復合砂漿強度的提高均有助于剪切強度的提高;粗糙度和復合砂漿強度的提高并不能無限制提高剪切強度，因為其作用的發揮受限于其他因素的制約;無機界面劑比水泥凈漿提高剪切強度的幅度大。方萍等[6]研究認為，超細水泥是一種很好的界面劑原材料，通過加入膨脹劑、硅灰和高效減水劑改性后的超細水泥界面劑，有很高的粘結抗剪強度，可再分散聚合物膠粉對界面粘結抗剪強度的改善效果很明顯。

針對市場上很多產品粘結強度不高，施工不方便且價格偏貴的特點，本文對聚合物的不同種類和不同摻量對界面處理劑剪切性能的影響作了大量的試驗，分析其作用機理，最終獲取了最佳摻量。同時通過試驗比較得出了最佳灰砂比，達到了成本低廉、易于施工的目的。

1 實驗材料與方法

1.1 原材料和儀器

水泥采用濟南山水P.O42.5R。粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，粉煤灰中還復配有一定量的超細粉。砂為水洗砂(由40～70目和70～120目混合而成)。聚合物由PVA(聚乙烯醇)、膠粉(可再分散乳膠粉)、CMC(羧甲基纖維素鈉)組成。陶制無釉磚為150mm×150mm×8mm的陶制無釉磚。實驗儀器用JJ－5水泥膠砂攪拌機和LOS－50萬能試驗機。

1.2 試件的制備

圖1 試件外形尺寸/mm

PVA能夠溶于含有—OH的極性溶液之中，水是最好的溶劑。膠粉起膠粘作用，CMC起增稠保水作用。規范JC/T907－2002《混凝土界面處理劑》要求的的陶制無釉磚尺寸為108mm×108mm，厚度至少6mm，表面要平整。由于市場難于買到尺寸一致的陶質磚且自己切割則尺寸的準確度難于保證，所以本試驗中的試件直接使用市場上易于買到的150mm×150mm×8mm的陶制無釉磚。因陶質磚尺寸的調整，故在相應的距磚邊15mm處劃一條與磚邊平行的參照線，以保證兩磚錯開15mm，如圖1所示。同時，此處受力面積不同，為保證單位面積所加壓力相同，則在試件上加13.4kg的重物，同樣保持3min，試驗試件加載裝置如圖2所示。其他事項均嚴格按照JC/T 907－2002《混凝土界面處理劑》的規定要求執行。

圖2 拉力試驗機的剪切試驗夾具/mm

1.3 試件的養護和力學性能檢測

養護和剪切強度的檢測均嚴格按照JC/T 907－2002《混凝土界面處理劑》的規定要求執行。

2 結果與分析

JC/T 907－2002《混凝土界面處理劑》中明確規定，Ⅰ型混凝土界面處理劑7d剪切強度應該不小于1.0MPa，14d 剪切強度應該不小于 1.5MPa。

混凝土界面處理劑中摻加的聚合物由兩部分構成，即膠粘劑部分和增稠保水劑部分[7，8]。PVA 和可再分散乳膠粉、CMC是比較常見的建筑用膠粘劑和增稠保水劑。本試驗先將PVA與CMC、膠粉與CMC進行復配，再通過大量試驗研究了它們的復配試樣對混凝土界面處理劑剪切強度的影響。在得出聚合物的最佳摻量后，又在最佳摻量的基礎上通過試驗得到了最佳灰砂比。

2.1 PVA+CMC對剪切強度的影響及其機理分析

2.1.1 PVA+CMC對界面處理劑剪切強度影響

PVA+CMC對界面處理劑剪切強度影響如表1所示

表1 PVA+CMC對界面處理劑剪切強度的影響

圖3 PVA+CMC對界面處理劑7d剪切強度的影響

圖4 PVA+CMC對界面處理劑14d剪切強度的影響

由圖3和圖4可以看出，試件的剪切強度初始隨著聚合物PVA+CMC摻量的增加而增強，但是過了最高點，繼續增加摻量反而強度下降。當每t界面處理劑中PVA+CMC的摻量為12kg時，試件的7d和14d剪切強度分別達到最高且達到規范要求，為最優摻量。

2.1.2 PVA+CMC 的作用機理分析

混凝土界面處理劑中加入聚合物PVA后，結合材料的界面同時存在著物理作用和化學作用[9，10]。

(1)物理作用聚合物PVA自身具有表面活性，其附著在水泥等固體顆粒表面，填充在不同顆粒之間，從而發揮對水泥微粒和漿體的塑化、保水等作用，并且使得新老基材之間具有更大的接觸面積。

(2)化學作用聚合物PVA自身帶有－OH等活性官能團，與集料和水泥漿體之中的陽離子或配位性化學鍵會發生一定的化學鍵合反應。在水泥水化過程中，聚合物在自身形成網狀結構的同時，某些活性官能團又與水泥漿體和集料表面發生化學鍵合，形成水化產物骨架與聚合物網狀結構互穿的現象，最后成為相互交織、相互貫穿的復合體結構，從而極大改善了界面處理劑的力學性能。

聚合物CMC對界面處理劑的作用主要兩個:一是防止界面劑在施工工程中失水過快，導致水泥水化不完全，從而影響性能;二是增加界面劑的粘性，使界面劑易于附著在基材表面。但是在使用中用量不能過大，否則將增加用水量并使界面劑過稠而不易施工。

因此聚合物CMC的摻量應該隨聚合物PVA的用量多少而適當加減，只有二者具有一個合適的比例的情況下，兩者才能共同發揮最好的作用。

2.2 膠粉+CMC對剪切強度的影響及其機理分析

2.2.1 膠粉+CMC的試驗數據及總結

表2 膠粉+CMC對界面處理劑剪切強度的影響

圖5 膠粉+CMC對界面處理劑7d剪切強度的影響

圖6 膠粉+CMC對界面處理劑14d剪切強度的影響

我們用等量的膠粉來代替PVA，其他材料不變，研究膠粉+CMC的最優摻量是否與PVA+CMC的最優摻量相同。由圖5、6可以看出，用等量的膠粉來代替PVA后，它們的共同點是都存在一個最高點即最優摻量。

不同之處有兩個:(1)膠粉+CMC與PVA+CMC相比，一個最大的特點就是最優摻量變小了。PVA+CMC的最優摻量為每t混凝土界面處理劑中含有12kg試樣，膠粉+CMC的最優摻量則是每t混凝土界面處理劑中含有9kg試樣;(2)膠粉+CMC界面處理劑的7d和14d剪切強度的最大值較PVA+CMC界面處理劑而言均有了一定程度的下降，分別為1.2MPa和1.7MPa，但是幅度很小，也完全能夠達到規范中不小于1.0MPa和1.5MPa的要求。

2.2.2 膠粉+CMC的作用機理分析

此處的作用機理和PVA+CMC的作用機理基本上差不多，結合材料的界面也是同時存在著物理作用和化學作用。

聚合物膠粉也含有大量活性基團，當水泥水化后，聚合物膠粉在整個無機材料中形成一個連續的有機高分子膜，與舊基材的接觸面積比較大，同時聚合物的活性基團與基材表面材料的活性基團發生作用而大大提高界面劑性能。

不同之處在于聚合物膠粉中的活性基團不僅包括－OH，還具有大量的－COOH，因此等質量的膠粉相比于PVA，在結合界面有著更強的物理作用和化學作用，所以膠粉+CMC與PVA+CMC相比，最優摻量變小了。

2.3 灰砂比對剪切強度的影響

表3 灰砂比對界面處理劑剪切強度的影響

表4 灰砂比對界面處理劑剪切強度的影響

由表3、4可以看出，調整膠凝材料和水洗砂的摻量，試件的剪切粘結強度與原來相比都有一定的下降。在界面劑中加入水洗砂第一是做為抗收縮骨料;第二主要是為了在施工過程中能夠形成粗糙的界面，易于粘結和施工。骨料砂的目數選擇應該得當，砂太細了不能增加界面粗糙度的目的，而太粗了又會給施工帶來不便。大量試驗證明，由40～70目，70～120目的水洗砂混合而成的骨料砂比較合適。

通過表3的數據并且考慮施工性能的影響，灰砂比在1:1左右是效果最好的。此時聚合物與水泥基材料各自的性能都得到了極好的發揮。

3 結論

通過大量實驗，討論了不同聚合物PVA+CMC和膠粉+CMC、不同灰砂比對混凝土界面處理劑剪切強度的影響，最終得到了不同聚合物不同的最優摻量和最佳灰砂比。總起來比較，(3)號試樣即每1kg界面處理劑中有12g聚合物PVA+CMC，約1:1灰砂比的試樣，是剪切性能最良好的，剪切強度最高而且完全能夠達到JC/T907－2002《混凝土界面處理劑》的規定指標要求。同時市場上原材料來源廣泛，試樣經濟性好，易于施工，可以作為混凝土界面處理劑直接工業化生產配比的有力參考。

[1]周海濤.適用于結構加固改造的單組分混凝土界面劑的研制[J].特種結構，2009，8(3):113 －114.

[2]李庚英，熊光晶，謝慧才，等.一種能改善新老混凝土粘結性能的界面劑[J].四川建筑科學研究，2000，26(4):44－46.

[3]張鑫，王恒，夏風敏，等.考慮跨高比的柱托換節點抗剪性能的試驗研究[J].山東建筑大學學報，2010，25(5):490－494.

[4]張鑫，李玉平，夏風敏.考慮配箍率的柱托換節點抗剪性能試驗研究[J].山東建筑大學學報，2011，26(1):8－12.

[5]卜良桃，全玥.高性能水泥復合砂漿與混凝土粘結的剪切性能試驗研究[J].四川建筑科學研究，2008，34(3):64－67.

[6]方萍，黃政宇，尚守平，等.水泥基界面劑粘結抗剪強度研究[J].湖南大學學報(自然科學版)，2009，36(5):7 －10.

[7]西曉林，房滿滿，文梓蕓，等.聚乙烯醇在高性能水泥基料中的作用機理分析[J].材料科學與工程學報，2008，26(2):264－267.

[8]鐘世云，史美倫，唐國寶，等.聚合物改性水泥砂漿界面過渡區的交流阻抗譜研究[J].硅酸鹽學報，2002，30(2):144－148.

[9]Buenfeld N.R.and Zhang J.Z.，Ac.Impedance Study of Sealer-and Coating-Treated Mortar Specimens[J].Advances in Cement Research，1998，10(4):169－178.

[10]Zhang J.Z.，McLoughlin I.M.and Buenfeld N.R.Modelling of Chloride Diffusion into Surface-Treated Concrete[J].Cement and Concrete Composites，1998，20(4):253－261.