晶須與聚氨酯改性水泥砂漿的性能研究

鄭 凱， 何 樹 林， 趙 宏 遠(yuǎn)， 申 天 游

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 監(jiān)測(cè)及試驗(yàn)研究所，四川 成都 610072)

晶須與聚氨酯改性水泥砂漿的性能研究

鄭 凱， 何 樹 林， 趙 宏 遠(yuǎn)， 申 天 游

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 監(jiān)測(cè)及試驗(yàn)研究所，四川 成都 610072)

通過在普通水泥砂漿中摻入雙組份聚氨酯、硫酸鈣晶須、減水劑，制備出和易性好、粘接強(qiáng)度高、耐久性優(yōu)良的聚氨酯水泥砂漿。試驗(yàn)對(duì)比并分析了新砂漿的力學(xué)性能及耐久性。

混凝土；雙組份聚氨酯；強(qiáng)度；耐久性

1 概 述

普通的水泥砂漿因干縮變形大、抗?jié)B性、抗裂性、耐腐蝕性差、密度大，使其適用范圍受到限制。隨著工業(yè)與建筑技術(shù)的進(jìn)步，在抗?jié)B、抗裂、粘接、變形、耐久性方面對(duì)砂漿性能提出了更高的要求，因此而需要進(jìn)一步提高砂漿性能，對(duì)其膠凝體系進(jìn)行一定程度的改善。

普通的水泥砂漿是非均質(zhì)、多相無機(jī)脆性材料，骨料之間的結(jié)構(gòu)結(jié)合力低，水泥在硬化過程中內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生許多空隙，這些空隙易注入水；隨著硬化過程的完成、水分的消失，在水泥固結(jié)體內(nèi)這些空隙成毛細(xì)管狀，在外力作用下結(jié)構(gòu)容易破壞 。普通水泥砂漿雖然抗壓強(qiáng)度較高，但其具有脆性過大、粘結(jié)強(qiáng)度較低、彈性模量較高而變形能力很差等缺點(diǎn)，并不能滿足現(xiàn)階段工程對(duì)砂漿性能的要求。從對(duì)現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料查詢可知聚合物改性水泥砂漿已經(jīng)成為提高水泥砂漿性能的一條重要途徑。聚氨酯(PU)彈性體具有許多優(yōu)異的性能，如耐磨、耐候、綜合力學(xué)強(qiáng)度較好；其自身還可以通過各種助劑和原料改變軟硬段相對(duì)含量使其具有不同的物理性能，因此其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。目前在建筑工程上主要是用作裝飾油漆、防腐涂料、耐磨涂料等，也有以樹脂砂漿的形式用作處理混凝土活動(dòng)縫、伸縮縫，是一種很好的彈性密封止水材料。但的確很少看見有將其用作水泥基的改性材料。這可能是因?yàn)榫郯滨コ杀据^高、種類繁多、性能差異太大而導(dǎo)致改性效果不理想的緣故。利用聚合物對(duì)水泥砂漿進(jìn)行改進(jìn)，以期增強(qiáng)水泥砂漿的變形能力、抗?jié)B性能、抗凍性能，盡量保持水泥砂漿原有的抗壓強(qiáng)度是我們研究的目的。筆者優(yōu)選了一種性能較好的聚氨酯材料，通過添加增強(qiáng)填料硫酸鈣晶須來提高水泥砂漿性能，有望通過試驗(yàn)獲得一種綜合性能良好的柔性砂漿材料。但是，由于聚氨酯種類繁多、性能差異偏大、聚氨酯膠凝材料的篩選工作量太大，故筆者僅優(yōu)選了一種相對(duì)機(jī)械性能穩(wěn)定的聚氨酯進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 原材料

2.1 水 泥

水泥采用嘉華P.HM42.5水泥，其性能見表1。

2.2 砂

砂采用人工砂，其性能見表2。

2.3 減水劑

表1 水泥物理力學(xué)性能表

表2 砂性能指標(biāo)表

減水劑采用某廠家提供的R550高效減水劑。

2.4 無溶劑雙組份聚氨酯

無溶劑雙組份聚氨酯由北京建科院提供，是其新開發(fā)的一種新型彈性聚氨酯材料(液體)，為雙組分：A組分為異氰酸酯半預(yù)聚體∶B組分為固化劑(比例A∶B=2∶1)。

2.5 晶 須

某廠家提供的硫酸鈣晶須集增強(qiáng)纖維和超細(xì)無機(jī)填料二者的優(yōu)勢(shì)于一體，易與聚合物復(fù)合，具有高強(qiáng)度、高韌性、抗酸堿、抗腐蝕性能。

3 改性水泥砂漿力學(xué)性能試驗(yàn)

3.1 改性水泥砂漿試驗(yàn)方案

改性水泥砂漿性能試驗(yàn)：聚氨酯按照2∶1的比例混合后、依據(jù)DL/T5126-2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

試驗(yàn)通過4種情況分析了材料的抗折抗壓強(qiáng)度 ，在0.5%的水灰比下不摻聚氨酯，用P-0表示;在同一水灰比情況下?lián)饺刖郯滨ィ肞u表示；復(fù)配材料在加入聚氨酯后粘度變大，為了保證水泥水化和材料的和易性，在Pu的基礎(chǔ)上添加了0.5%的減水劑，用Pj表示；為了提高聚氨酯材料的力學(xué)性能，在配方中摻入了硫酸鈣晶須，用Pz表示(表3)。

表3 改性水泥砂漿試驗(yàn)方案

3.2 改性水泥砂漿抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

改性水泥砂漿抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 改性水泥砂漿抗折、抗壓強(qiáng)度結(jié)果表

3.3 聚氨酯對(duì)水泥砂漿抗折抗壓強(qiáng)度影響分析

從圖與表數(shù)據(jù)中我們可以看出：摻入雙組份聚氨酯后水泥砂漿的抗折抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。在相同的水灰比情況下，隨著聚氨酯摻量的增加，其強(qiáng)度下降越明顯。究其原因：聚氨酯和一部分水發(fā)生了聚合反應(yīng)，消耗掉了原來與水泥砂漿反應(yīng)的水，致使砂漿中水泥水化不充分，從而降低了強(qiáng)度；雙組份聚氨酯屬于柔性材料，而水泥砂漿屬于脆性材料，兩者的彈性模量不一致，在受到外力作用時(shí)材料受力不均勻而導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。在試驗(yàn)過程中，隨著聚氨酯摻量的提高，砂漿稠度變大，導(dǎo)致其攪拌困難。為了改善其和易性，我們決定在原試驗(yàn)方案中加入減水劑。

圖1 抗折強(qiáng)度示意圖

圖2 抗壓強(qiáng)度示意圖

3.4 減水劑對(duì)聚氨酯水泥砂漿強(qiáng)度影響分析

圖3 抗折強(qiáng)度示意圖

圖4 抗壓強(qiáng)度示意圖

通過圖中數(shù)據(jù)可以看出：在配方中摻入0.5%的減水劑后，Pj的7d、28d抗折、抗壓強(qiáng)度比只摻入聚氨酯的水泥砂漿(Pu)強(qiáng)度有所增長(zhǎng)，但并沒有改變隨著聚氨酯摻量增加帶來的強(qiáng)度下降趨勢(shì)，加入減水劑的作用主要是為了改善隨著聚氨酯摻量的增大帶來的和易性變差與凝結(jié)變快。因此，為了提高聚氨酯水泥砂漿的強(qiáng)度，還應(yīng)添加增強(qiáng)填料。

3.5 硫酸鈣晶須對(duì)聚氨酯水泥砂漿抗折抗壓強(qiáng)度影響分析

圖5 抗折強(qiáng)度示意圖

圖6 抗壓強(qiáng)度示意圖

表5 改性水泥砂漿粘接強(qiáng)度配比表

從圖中數(shù)據(jù)可以看出：聚氨酯摻量的增加帶來的強(qiáng)度損失趨勢(shì)隨著硫酸鈣晶須的摻入得到了彌補(bǔ)。摻入晶須的聚氨酯水泥砂漿28d抗折、抗壓強(qiáng)度比只摻減水劑的聚氨酯水泥砂漿最高提升了約20%的強(qiáng)度。晶須摻量在達(dá)到4%時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)趨于平緩。抗折抗壓強(qiáng)度的提升證明硫酸鈣晶須作為聚氨酯水泥砂漿增強(qiáng)填料來說是可行的。因?yàn)榱蛩徕}晶須以細(xì)微纖維狀無序的分散在聚氨酯水泥砂漿中，起到了填隙增韌的作用且晶須促使聚氨酯聚合，從而提高了填料顆粒之間的粘接力，改善了聚氨酯水泥砂漿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4 改性水泥砂漿粘接強(qiáng)度試驗(yàn)

4.1 改性水泥砂漿粘接強(qiáng)度試驗(yàn)方案的制定

已有的研究結(jié)果表明：粘接強(qiáng)度試驗(yàn)采用不同的試驗(yàn)方法所得的結(jié)果有較大差異，試驗(yàn)結(jié)果相互之間缺乏可比性。筆者依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5150-2001，選擇傳統(tǒng)的“8”字型粘接試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)方案見表5。

4.2 改性水泥砂漿粘接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

改性水泥砂漿粘接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析見表6。

表6 改性水泥砂漿粘接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表

從表6中可以看出：摻入聚氨酯的水泥砂漿比沒有摻的粘接強(qiáng)度有所提高，其對(duì)比結(jié)果見圖7。

圖7 28 d粘接強(qiáng)度示意圖

從圖7中可以看出：摻入晶須和聚氨酯的水泥砂漿比普通水泥砂漿28d粘接強(qiáng)度最高提高了12%；隨著聚氨酯摻量的增高，粘接強(qiáng)度變化不大。粘接強(qiáng)度提高的主要原因可能是聚氨酯和被粘接的基體有良好的膠結(jié)效果且聚氨酯粒子之間粘接形成的聚合物薄膜強(qiáng)化了作為膠結(jié)料的水泥硬化體，從而改善了聚氨酯水泥砂漿的粘接性能。但從圖表中可以看出：粘接強(qiáng)度的提高并不隨聚氨酯摻量的提高而顯著提升。其原因可能是聚氨酯摻量的提高使砂漿稠度變大、使其在水泥砂漿中沒有充分的分散均勻而導(dǎo)致的。

5 改性水泥砂漿耐久性試驗(yàn)

5.1 改性水泥砂漿抗凍試驗(yàn)

凍融破壞是比較復(fù)雜的物理變化過程。一般認(rèn)為：凍融破壞是在某一凍結(jié)溫度下，水結(jié)冰、冰產(chǎn)生體積膨脹、融化后發(fā)生遷移這一過程引發(fā)的各種壓力，當(dāng)壓力超過混凝土承受的應(yīng)力時(shí)，內(nèi)部孔隙及微裂縫逐漸變大、擴(kuò)展并相互連通，強(qiáng)度逐漸降低而造成的混凝土破壞。因此，筆者對(duì)改性水泥砂漿進(jìn)行了抗凍性能試驗(yàn)。試驗(yàn)參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》JGJ70-90進(jìn)行，試驗(yàn)的具體配比見表7。

5.2 改性水泥砂漿抗凍試驗(yàn)結(jié)果與分析

改性水泥砂漿抗凍試驗(yàn)結(jié)果與分析見表8。

由表8可以看出：經(jīng)過50次凍融循環(huán)后，普通水泥砂漿和改性水泥砂漿都沒有質(zhì)量損失，相反，其均有所增加，這可能是因?yàn)樵诜Q量時(shí)試件里還有少許未融化的冰塊，說明改性水泥砂漿在凍融后質(zhì)量損失和普通水泥砂漿在性能上沒有多大區(qū)別。從表9中可以看出：摻入聚氨酯和晶須的試件其抗壓強(qiáng)度損失率比普通水泥砂漿要低，隨著摻量的增大，損失率變小。這主要是因?yàn)榫郯滨ビ幸龤馓钕蹲饔枚遗c水化產(chǎn)物相互貫穿分割大孔隙為小空隙，提高了砂漿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，再加上超細(xì)填料硫酸鈣晶須進(jìn)一步的填隙和其具有的易與聚合物聚合的特性的雙重作用下使砂漿更加密實(shí)，進(jìn)而阻止了水的遷移，提高了砂漿的抗凍性能。

表7 雙組份聚氨酯水泥砂漿抗凍配比表

表8 改性水泥砂漿抗凍質(zhì)量損失率表

表9 改性水泥砂漿抗凍強(qiáng)度損失率表

表10 雙組份聚氨酯水泥砂漿抗?jié)B配比表

5.3 改性水泥砂漿抗?jié)B性能試驗(yàn)

雙組份聚氨酯水泥砂漿抗?jié)B性能試驗(yàn)依照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5150-2001進(jìn)行，試驗(yàn)的具體配比見表10。

根據(jù)表10進(jìn)行砂漿抗?jié)B試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，普通水泥砂漿試件在水壓調(diào)至0.5MPa、持續(xù)約6h后頂面均滲水。而聚氨酯水泥砂漿在水壓調(diào)至1.5MPa后仍未透水。停止加壓，持續(xù)5h后停止試驗(yàn)，劈開試件測(cè)量滲水高度，試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11 雙組份聚氨酯水泥砂漿抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果表

與普通水泥砂漿P-0相比，摻入晶須的聚氨酯水泥砂漿隨著聚氨酯和晶須摻量的增加，滲水高度逐漸減小。提高砂漿抗?jié)B性能的原因是聚氨酯高黏附性的體系網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與水化水泥漿體相互交織再輔以易聚合超細(xì)短纖維狀的硫酸鈣晶須填料，從而使水泥砂漿結(jié)構(gòu)更密實(shí)。因此，雙組分聚氨酯改性水泥砂漿相比普通水泥砂漿的抗?jié)B性得到了改善。

6 結(jié) 語

筆者對(duì)晶須與聚氨酯改性水泥砂漿進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)制備出了一種新型改性水泥砂漿，并對(duì)比了其與普通水泥砂漿的力學(xué)性能及耐久性，得出了以下主要結(jié)論。

(1) 在水泥砂漿中摻入聚氨酯后，砂漿的抗折抗壓強(qiáng)度隨聚氨酯的摻量增加而下降。聚氨酯會(huì)消耗一部分水，使其砂漿稠度增大進(jìn)而阻礙了水泥水化。單純的聚氨酯不能為水泥砂漿帶來強(qiáng)度上的增長(zhǎng)。

(2) 減水劑的加入，改善了聚氨酯砂漿的和易性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了一定的強(qiáng)度，但是并沒有改變摻入聚氨酯的水泥砂漿強(qiáng)度下降的趨勢(shì)。

(3) 將硫酸鈣晶須作為增強(qiáng)填料加入聚氨酯砂漿中，明顯地阻止了聚氨酯水泥砂漿抗折抗壓強(qiáng)度的下降且呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。因?yàn)榱蛩徕}晶須易于與水化水泥漿體和聚氨酯聚合且自身屬于超細(xì)短纖維，能很好地填充砂漿空隙，使其結(jié)構(gòu)密實(shí)。

(4) 粘接性能試驗(yàn)說明聚氨酯良好地與基體粘接的性能在新型砂漿中發(fā)揮了作用。

(5) 耐久性試驗(yàn)證明聚氨酯的引氣與聚合對(duì)水泥砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)有改善作用。在加入硫酸鈣晶須后，堵塞了孔隙的連通，提高了新型雙組份聚氨酯水泥砂漿的密實(shí)性，使其抗凍、抗?jié)B性能高于普通水泥砂漿。

(6) 從上述試驗(yàn)可以看出：聚氨酯與硫酸鈣晶須的摻入制備出的水泥砂漿其綜合性能高于普通水泥砂漿。

[1] 權(quán)劉權(quán)，李東旭.聚合物砂漿的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2006,20(6)：67-70.

[2] 李漢堂.聚氨酯材料的發(fā)展前景[J].現(xiàn)代橡膠技術(shù)，2006,32(1):1-7.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2017-01-18

TV7；TV42；TV41；TV

B

1001-2184(2017)01-0081-07

鄭 凱(1988-)，男，四川成都人，助理工程師，從事水工混凝土材料試驗(yàn)工作；

何樹林(1989-)，男，四川會(huì)東人，助理工程師，從事水工混凝土材料試驗(yàn)工作；

趙鴻遠(yuǎn)(1975-)，男，四川成都人，助理工程師，從事水工混凝土材料試驗(yàn)工作；

申天游(1989-)，男，重慶銅梁人，助理工程師，學(xué)士，從事水工混凝土材料試驗(yàn)工作.