聚合物乳液對水泥基材料性能的影響研究

裴麗蓉

（山西省長治市交通建設工程質量監督站，山西 長治 046000）

聚合物乳液改性水泥基材料由于具有較好的抗滲性、耐腐蝕性等優點，近年來常作為修補材料、路面罩面材料、防滲材料等得到了較為廣泛的應用[1]。但由于市場上聚合物乳液種類較多，且聚合物乳液種類、用量等不同時對水泥基材料性能的影響差別也較大，例如，一般來說聚合物乳液對水泥的水化具有延遲作用，而對于水泥基材料其凝結時間又是其重要的性能指標，凝結時間過短明顯對施工有較大的限制作用，而凝結時間過長又會延誤工期，因此在施工前需結合實際狀況對聚合物乳液的種類及用量進行選擇[2-3]。本文對常用的3種聚合物乳液：Styrofan D623丁苯乳液、Acronal PS608苯丙乳液、S400丙烯酸乳液對水泥基材料的凝結時間、減水性能、抗滲性能、力學性能等指標的影響進行了研究，以便為實際施工提供一定的施工依據，并為后期深入研究提供理論基礎。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥：選用由黃石市華新水泥廠生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其物理性能與化學成分詳見表1、表2；聚合物乳液：由上海巴斯夫公司所產的3種乳液，分別為：Styrofan D623丁苯乳液、Acronal PS608苯丙乳液、S400丙烯酸乳液，相關性質見表3；砂：標準砂；減水劑：FDN-1萘系粉劑減水劑，其型號為PC-3301C。

表1 水泥的物理性能

表2 水泥的化學組成 %

表3 聚合物乳液物理性質

1.2 試驗方法

a）凝結時間：依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG E30—2005）中的T0505—2005對水泥凈漿的初終凝時間進行測定。b）減水性能：選定灰砂比為1∶3，P/C（聚灰比）控制為5%、10%、15%、20%，新拌水泥砂漿試樣的跳桌流動度固定為：140±5 mm，W/C（水灰比）根據流動度進行調整，并通過公式K=(R0-r1)/R0×100%計算不同聚合物乳液的減水率，研究PS608、SD623、S400對水泥砂漿的減水效果，式中K為不同聚合物乳液減水率，%；R0為基準樣的水灰比；R1為摻入聚合物乳液樣品的水灰比。c）抗滲性能：取水灰比為0.3，灰砂比為1∶3，P/C（聚灰比）分別為 0%（空白樣 /KBY）、5%、10%、15%、20%，通過改變減水劑摻量控制水泥砂漿的跳桌流動度為140±5 mm，依據《氯離子擴散系數快速測定法》（RCM法），來研究不同聚合物種類及摻量對水泥砂漿抗滲性能的影響。d）力學性能：選取P/C（聚灰比）分別為0%（空白樣）、5%、10%三組試樣，依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG E30—2005）進行成型，并在養護至7 d、28 d后進行強度性能測試，來研究不同聚合物種類機摻量對水泥砂漿力學性能的影響。

2 結果與分析

2.1 不同聚合物乳液對水泥凈漿凝結時間的影響

圖1 聚合物乳液對水泥初凝時間的影響

圖2 聚合物乳液對水泥終凝時間的影響

對于PS608、SD623、S400不同摻量對水泥凈漿凝結時間的影響具體見圖1、圖2所示。通過測試結果可見：3種聚合物乳液加入后，均會延遲水泥水化的進行，且乳液用量越多，試樣初、終凝所需要的時間也就越長。這是由于：隨著水泥水化的進行，聚合乳液逐漸脫水成膜并吸附在水泥顆粒表面，不僅阻礙了水泥與水的接觸，也阻礙了水化產物的遷移，從而延遲其水化。在用量相同時，3種乳液對水泥水化的延遲作用排序為：S400＞PS608＞SD623；在聚灰比為20%時，S400凈漿的初凝、終凝時間分別為320 min、410 min，分別是空白樣的2.5倍、2.1倍；SD623的初、終凝時間分別為263 min、358 min，分別是空白樣的2.0倍、1.8倍。由此也可以看出聚丙烯酸類乳液對水泥水化延遲作用較大，苯丙類次之，而丁苯類乳液對水泥水化延遲作用較小。

2.2 不同聚合物乳液的減水性能研究

由于聚合物乳液中有表面活性劑，并能引入氣泡，能起到滾珠作用，從而表現出一定的減水效果[4-5]。對于這3種乳液不同摻量的減水效果，見圖3。可見聚合物乳液種類、用量不同，減水效果也會有所不同：a）在相同聚灰比下減水效果的順序為：SD623＞PS608＞S400，在聚灰比為10%時S400的減水率為13.1%，而SD623的減水率為28.3%，是S400的2.2倍。b）隨著聚合物乳液用量的上升，3種乳液的減水效果也會有所增加，但在P/C高于15%時，聚合物乳液減水效果的上升趨勢并不明顯增加，而是逐漸趨于穩定趨勢。對于PS608：在聚灰比為15%時減水率比10%時提高42.9%，而聚灰比為20%時比15%時提高6.7%。由此看出SD623的減水效果最好，而S400的減水效果較差，且考慮到性價比聚灰比盡量不高于15%。

圖3 不同聚合物乳液的減水性能

圖4 聚合物乳液對水泥砂漿抗滲性能的影響

2.3 不同聚合物乳液對砂漿抗滲性能的影響研究

對于PS608、SD623、S400對水泥砂漿抗滲性能的影響，結果見圖4所示。可見：乳液摻量及種類不同，砂漿試樣的抗滲性能也會有所不同，但在一定程度上均會有所提高。這是由于聚合物乳液具有一定的減水效果，能夠降低砂漿內部孔隙率，此外聚合物乳液脫水后形成的聚合物膜能較好地填充內部空隙及改善界面過渡區，提高砂漿密實性，從而提高砂漿的抗滲性能[6]。3種乳液改善砂漿的抗滲性順序為：SD623＞PS608＞S400，且隨著聚灰比的增加，抗滲性能呈現上升趨勢，當P/C為20%時SD623、PS608、S400三種乳液改性砂漿的氯離子抗滲系數分別為：3.4×10-13m2/s、4.1×10-13m2/s、5.2×10-13m2/s，分別比空白樣降低71.7%、65.8%、56.7%，說明聚合物乳液能較好地改善水泥砂漿的抗滲性能，并且在P/C相同時，SD623改性砂漿的抗滲性能最佳。

2.4 不同聚合物乳液對砂漿力學性能的影響

表4 聚合物乳液種類及摻量對砂漿力學性能的影響

由表4可見：

a）對于抗壓性能 乳液的加入會使試樣的抗壓強度有所降低，并且P/C越大，降低程度越多，其中加入S400乳液的試樣表現的最為突出，在聚灰比為10%時，28 d抗壓強度降低35.1%。

b）對于抗折性能 分別加入3種乳液后，砂漿試樣的抗折強度均會改善，其中SD623改善作用較大，其P/C為10%時，28 d抗折強度為11.35 MPa，提高12.3%。

c）對于折壓比 乳液的加入對砂漿的折壓比有較好的改善作用，可見乳液能夠改善砂漿試樣的柔韌性，且順序為：S400＞SD623＞PS608，在聚灰比為10%時，摻入S400的28 d砂漿試樣折壓比提高69.5%，摻入PS608的28 d砂漿試樣折壓比提高20.0%。這是由于加入的聚合物乳液脫水形成的聚合物膜雖能改善砂漿試樣內部界面過渡區，增大漿體與集料間的黏結性能，但聚合物膜相對柔軟，起不到較好的剛性支撐作用，因此加入聚合物乳液后會降低試樣的抗壓強度，而提高其抗折強度及折壓比[6]。

3 結論

a）3種聚合物乳液均會延遲水泥水化的進行，且乳液用量越大，試樣初、終凝時間也越長。在用量相同時，3種乳液對水泥水化的延遲作用順序為：S400＞PS608＞SD623。

b）3種聚合物乳液均具有一定的減水效果，且在相同聚灰比下減水效果的順序為：SD623＞PS608＞S400，在實際應用時考慮到性價比，聚灰比盡量不高于15%。

c）分別加入3種聚合物乳液后，砂漿試樣的抗滲性能均會得到提高，并隨著聚灰比的增加抗滲性能呈現上升趨勢，且3種乳液改善砂漿的抗滲性順序為：SD623＞PS608＞S400。

d）3種乳液均會使砂漿試樣的抗壓強度降低，而抗折強度、折壓比均有所提高，改善了砂漿試樣的柔韌性，且順序為：S400＞SD623＞PS608；在聚灰比為10%時，摻入S400的28 d砂漿試樣折壓比提高69.5%，摻入PS608的28 d砂漿試樣折壓比提高20.0%。