聚合物改性硅粉混凝土力學性能研究

張　恒，張守杰，郝新宇

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

目前國內外對聚合物改性硅粉混凝土的研究還比較少，像美國、日本、德國、韓國等發達國家，他們對聚合物改性混凝土的研究及應用雖然已經有三四十年的歷史，但其研究應用的范圍有很大的局限性，只偏重于某些方面，還沒有形成一套比較完善的理論體系[1]。我國對聚合物改性硅粉混凝土的研制開發雖然已近40 a，但還遠遠比不上發達國家，再加上建筑造價和國情所限，應用數量和范圍還相當有限，有待進一步開發和發展。本研究采用正交試驗手段方法來研究聚合物改性硅粉混凝土力學性能。由此對聚合物改性硅粉混凝土的理論加以完善，并推動其在國民經濟建設中的應用步伐。

1　試驗原材料及配合比

1.1　水泥

水泥均為哈爾濱水泥廠生產的天鵝牌42.5等級水泥，其物理力學性能和化學成分分別見表1、表2。

表1　水泥物理力學性能

表2　普通硅酸鹽水泥化學成分　%

1.2　硅粉

本次實驗所用普通硅粉的化學組成見表3。改性硅粉是由普通硅粉通過硅烷偶聯劑改性之后得出的產品。

1.3　高效減水劑FDN

本次實驗采用FDN萘系高效減水劑,它是β-萘磺酸鹽甲醛縮合物，屬陰離子表面活性劑。推薦使用摻量為0.5%～1.0%。

表3　硅粉的化學成分　%

1.4　細集料

實驗中所用細集料的性能指標見表4。

表4　細集料性能指標

1.5　粗集料

實驗中所用的石子的性能指標見表5。

表5　粗集料性能指標

實驗中所用粗集料的級配見表6。

表6　粗集料級配

1.6　甲基纖維素

實驗所用的甲基纖維素是中國醫藥(集團)上?；瘜W試劑公司生產的，分子式為

-[C6H7O2(OCH3) x(OH)3-x]-n,

黏度為15～25 cP。

1.7　聚醋酸乙烯乳液

本實驗用北京實誠信工貿有限責任公司生產的“京都牌”BJ-235型聚醋酸乙烯乳液。

1.8　拌和水

城市普通飲用水。

1.9　試驗配合比

實驗采用了42.5等級的普通硅酸鹽水泥?？瞻谆炷?、摻硅粉、改性硅粉、苯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液、乳膠、甲基纖維素的混凝土分別記為P、SF、GSF、B、C、L、M。各種聚合物混凝土的配合比見表7。

表7　混凝土配合比(每m3混凝土)

2　力學性能分析

2.1　抗壓強度數據

不同組成的聚合物硅粉混凝土的抗壓強度見表8、圖1。

2.2　抗折強度數據

不同組成的聚合物混凝土的抗折強度見表9、圖2。

表8　混凝土的抗壓強度　MPa

表9　混凝土的抗折強度　MPa

圖1　混凝土抗壓強度示意圖

圖2　混凝土抗折強度示意圖

2.3　強度結果分析

2.3.1抗壓強度結果分析

由圖1可知，摻加各種聚合物的水泥混凝土的抗壓強度的發展規律基本一致，即摻加聚合物后，混凝土各齡期強度均比基準混凝土低。

摻硅粉和改性硅粉的混凝土強度比同齡期的純混凝土要高。摻硅粉混凝土3 d、7 d、28 d齡期的強度同純混凝土強度(試樣p)的比是217%、144%、179%，摻改性硅粉混凝土3 d、7 d、28 d齡期的強度同純混凝土強度(試樣p)的比是239%、145%、120%。這主要是由于：

(1)硅粉的火山灰效應：水泥水化生成物Ca(OH)2與硅粉中的活性SiO2發生反應，降低了水化水泥漿中的Ca(OH)2的數量，生成CSH凝膠[2]；而且含有硅粉的水泥石中大孔體積降低，小孔增加，連通孔減少，從而減少了Ca(OH)2在集料周圍的定向分布，提高了集料與水泥漿之間的界面黏結強度[3]。

(2)微細粒子填充效應：硅粉的比表面積為232 000 cm2/g，水泥的比表面積為3560 cm2/g，細小的球狀硅粉顆?？梢蕴畛溆谒囝w粒之間，使膠凝材料具有良好的級配，降低其用水量。同時，硅粉對水泥粒子的填充性使水泥石的密實性提高，降低了填充水泥粒子間空隙的用水量，使水泥漿的流動性提高。

而摻改性硅粉比摻沒改性硅粉的混凝土同齡期的強度大。這是因為：

(1)硅烷偶聯劑的減水效果：硅烷偶聯劑中含有表面活性成分，摻入混凝土中，可以使水泥水化產物形成的絮凝結構分散開來，隨著絮凝結構的分散，包裹著的游離水即可釋放出來，從而在混凝土具有相同流動度的情況下，混凝土的水灰比(如表7所示，摻改性硅粉與摻沒改性硅粉相比，混凝土的水灰比從0.41降到0.37)降低，硬化后，混凝土的孔隙率有所減少[4]。

(2)硅烷偶聯劑的作用機理：硅烷偶聯劑的化學式為RSiX3, 其中R為有機基團，X為可水解基團[5]。

首先，當硅粉浸入到硅烷偶聯劑當中時，硅烷偶聯劑包裹于硅粉的表面，主要為物理吸附。

其次，硅烷偶聯劑中的X基團水解，形成硅醇：

硅醇的羥基與水泥水化產物Ca(OH)2中的羥基之間形成氫鍵后脫水形成硅氧鍵：

這種由硅氧鍵形成的網絡結構可以明顯提高混凝土的強度。

而摻加了甲基纖維素、苯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液、乳膠的混凝土強度比同齡期的純混凝土的強度要小。因為在估計聚合物水泥材料的物理-力學實驗結果時，應考慮其密度和孔隙率。摻上述聚合物的混凝土密度分別為2.386×103kg/m3,2.401×103kg/m3,2.463×103kg/m3,2.276×103kg/m3,比純的混凝土的密度2.615×103kg/m3都要小。所以，這里不能不考慮到聚合物混凝土的比強度(單位質量的強度)這個因素的影響。

在四種摻聚合物的混凝土中，摻甲基纖維素的和摻聚醋酸乙烯乳液的混凝土的28 d抗壓強度要比其他的高。這是因為甲基纖維素能使水泥漿體的水化產物分布更加均勻，從而提高了其總體的受力能力。聚醋酸乙烯乳液中含有表面活性成分，可以使水泥水化產物形成的絮凝結構分散開來，釋放出游離水，從而降低水灰比和孔隙率，提高了其強度。摻甲基纖維素的3 d強度較其他聚合物的同齡期強度要低，主要是因為甲基纖維素具有緩凝作用，使其早期強度相對較低，而且甲基纖維素具有引氣作用，使混凝土密度降低了。

摻苯丙乳液和乳膠的混凝土強度都比同齡期的純混凝土的強度要低。這主要歸因于聚合物自身的特性，苯丙乳液和乳膠的加入使混凝土的儲存模量有所下降，剛度變低。而且聚合物本身的密度都比較低，它們的摻入使混凝土的氣孔率增大，密度降低，摻苯丙乳液的混凝土密度為2.401×103kg/m3,摻乳膠的混凝土密度為2.276×103kg/m3,這在一定程度上影響了其強度的發展。

2.3.2抗折強度結果分析

從各種聚合物混凝土的抗折強度的發展來看，摻硅粉和改性硅粉的混凝土的強度比純混凝土的強度要大。這是由于硅粉的火山灰活性所致，它與水泥的水化產物Ca(OH)2反應生成CSH凝膠，使混凝土的密實度提高，同時也使其界面強度得到改善。

摻甲基纖維素、苯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液的混凝土的抗折強度與純混凝土相比有一些差異，但不是很大，這說明其抗折強度的發展比抗壓強度的發展要好。因為，在聚合物水泥混凝土硬化過程中，聚合物和水泥砂漿之間沒有發生化學反應。當拌和混凝土和聚合物乳液時，由于水泥砂漿的水灰比小于臨界水灰比，水泥首先從乳液中吸取水分進行水泥的水化反應，與此同時，聚合物乳液由于失去水分而變稠，凝聚成絲狀膜層，就像網絡一樣和水泥凝膠形成的網絡貫穿在一起，將骨料牢固地黏結在一起，形成一個整體[6]，這就提高了混凝土的界面強度，從而提高了其抗折強度。

摻乳膠的聚合物混凝土的抗折強度比較小，甚至其28 d強度比7 d強度還要小。這屬于比較反常的現象，跟其成型過程有關。乳膠有很強的黏結性，且其水溶性不好，當把乳膠加入水泥混凝土當中時，便凝結成絮狀、塊狀結構，分散性不好，這就降低了混凝土的均勻性，從而影響到其強度的發展。其抗壓強度較低也跟這方面的因素有關。這一點是在今后關于聚合物混凝土方面的研究中要引起注意的。

3　結　論

(1)分析比較了摻加各種聚合物、硅粉和改性硅粉對于混凝土的抗壓強度、抗折強度的影響。由實驗數據可以看出：摻加硅粉、改性硅粉的混凝土的抗壓強度、抗折強度都比同齡期的空白混凝土要高，這是因為硅粉的火山灰活性、填充作用和硅烷偶聯劑的減水作用、連接機理造成的。

(2)摻甲基纖維素、苯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液和乳膠的混凝土抗壓強度比同齡期的空白混凝土要小，因為聚合物的加入使混凝土的氣孔率增大，密度下降；但其抗折強度與空白混凝土的差異比較小，因為聚合物的加入在混凝土中形成了網狀結構，使漿體與集料的界面強度大大提高。

參考文獻：

[1]李湘洲.聚合物發展的若干動向[J].化學建材,1994(2)：68-72.

[2]戴劍鋒,劉曉紅,龔俊，等.混雜復合材料膠結機理的探討[J].甘肅工業大學學報,2000，26(3):26-30.

[3]楊小利，王鈞.聚合物混凝土的應用及發展[J].玻璃鋼/復合材料,1996(6)：47-48.

[4] 忻秀卿.聚合物混凝土復合材料的技術進展[J].新型建筑材料,1995(2)：27-31.

[5]廉慧珍，童良，陳恩義.建筑材料物相研究基礎[M].北京:清華大學出版社,1996.

[6]IO.C.契爾金斯基.聚合物水泥混凝土[M].北京:建筑工業出版社,1978.