VAE乳膠粉改性砂漿耐久性能研究

寧鐿彭，許金余，王志航，姚 廒

(空軍工程大學航空工程學院，西安，710038)

普通砂漿在工程中應用廣泛，用量巨大，大量砂漿用于地下防護工程、水工建筑物、隧道等工程的修補、防水抗滲。地下防護工程、水工建筑物、隧道等工程長期處于惡劣的自然環境中，結構容易發生腐蝕破壞，普通砂漿的耐久性能差，易變質失效，較短時間內便發生破壞，對于施工效率和耐久性要求較高的工程，修補效果較差，難以滿足結構的使用要求。

聚合物改性砂漿是一種新型水泥基復合材料，由可分散在水中的有機聚合物、水泥和砂組成，其中由聚合物膜形成的網狀結構可用于改善砂漿的力學性能[1-3]和耐久性[4-5]，聚合物改性砂漿具有廣泛的應用前景，是混凝土結構修補和加固[6]的重要材料。因此，國內外學者對聚合物種類、摻量等進行大量研究，進一步改善了砂漿耐久性。Banjo Akinyemi等[7]研究了建筑垃圾廢棄竹纖維增強乳膠改性水泥砂漿的性能，添加1.5%的竹纖維和10%的乳膠溶液改性的水泥砂漿性能最優。Zhang X等研究了苯丙共聚乳膠(SA)對硅酸鹽水泥/鋁酸鈣水泥/石膏三元膠凝體系(TBS)砂漿力學性能、黏結強度和吸水率的影響，結果表明，SA聚合物的加入可以提高TBS砂漿的黏結強度和柔韌性，降低其吸水率[8]。南雪麗等研究聚灰比對快硬水泥砂漿抗滲性、抗凍性及孔徑分布的影響，聚灰比越大，聚合物砂漿的抗滲性、抗凍性越強，聚灰比為0.5時，其綜合性能最佳[9]。Edy Purwanto等研究坎塔拉纖維織物增強材料對聚合物改性砂漿彎曲性能的影響，坎塔拉纖維織物增強材料顯著改善了砂漿的延展性和殘余強度[1]。

綜上所述，聚合物的加入能夠提高砂漿的耐腐蝕性能、抗滲性、抗凍性能等，VAE乳膠粉本身具有黏結強度高、耐水性和耐堿性強等優點，且關于VAE乳膠粉改性砂漿耐久性研究仍有空白。本文結合聚合物改性砂漿的研究現狀，提出利用VAE乳膠粉進行改性，通過收縮率實驗，測試收縮率指標；通過開裂性敏感度實驗，計算開裂總權值指標；通過抗滲性實驗，測試滲透高度和透水壓力指標；通過耐氯鹽腐蝕性實驗，測試氯離子滲透高度指標；通過碳化實驗，測試碳化深度指標。研究揭示了VAE乳膠粉對砂漿耐久性能的影響規律，結合掃描電鏡實驗，揭示VAE乳膠粉對砂漿內部微觀改性機理。

1 實驗

1.1 實驗材料

VAE乳膠粉改性砂漿的原材料包括普通硅酸鹽水泥、砂、VAE乳膠粉、水、減水劑。堯柏牌42.5級普通硅酸鹽水泥，灞河砂，VAE乳膠粉，具體參數見表1～3。減水劑為陜西中易化工產40%固含量的聚羧酸高性能減水劑母液。

表1 VAE乳膠粉的技術指標

表2 P.O 42.5普通硅酸鹽水泥性能指標

表3 減水劑的技術指標

1.2 試件制備與實驗方法

1.2.1 試件制備

VAE乳膠粉改性砂漿配合比見表4，A0組為普通水泥砂漿，A1～A5組為VAE乳膠粉改性砂漿。按照表4所示配合比進行VAE乳膠粉改性砂漿的制備，具體制備過程見圖1。

圖1 VAE乳膠粉改性砂漿試件制備流程

表4 VAE乳膠粉改性砂漿配合比

1.2.2 實驗方法

收縮率實驗具體參考《建筑砂漿基本性能實驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)進行。見圖2。

開裂性敏感度實驗按照《公路工程水泥及水泥混凝土實驗規程》(JGJ 3420—2020)進行，試件先進行環形約束收縮實驗，如圖3所示。試件成型后拆除外模，內模對試件起約束作用，兩邊使用風扇加速開裂。觀察并測量裂縫的長度和寬度，未出現裂縫時，每隔6 h測量一次，裂縫出現后，每隔1 h測量一次，28 h后測量并記錄最大裂縫寬度及開裂時間。以最大裂縫寬度和裂縫面積為主要指標，以裂縫長度和裂縫出現時間為次要指標，共同評價裂縫開裂，其中裂縫面積等于裂縫長度與裂縫的權值寬度相乘。

圖2 收縮率實驗

圖3 試件成型示意圖

裂縫寬度的權值分布見表5。

表5 裂縫寬度權值表

W=∑Aili

(1)

式中：W為開裂總權值；Ai為不同寬度裂縫權值；li為裂縫長度。

抗滲性實驗按照《公路工程水泥及水泥混凝土實驗規程》(JGJ 3420—2020)進行，見圖4。

圖4 抗滲性實驗

耐氯鹽腐蝕性實驗按照《公路工程水泥及水泥混凝土實驗規程》(JGJ 3420—2020)進行，實驗采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，養護齡期28 d時，用環氧樹脂密封試件的上下底面，然后用2.5%的NaCl溶液浸泡試件，上底面距液面50 mm，下底面距槽底10 mm。28 d后劈開試件，測量氯離子滲透高度，耐氯鹽腐蝕性實驗見圖5。

碳化實驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能實驗方法》(GB/T 50082—2009)進行，見圖6。

圖5 耐氯鹽腐蝕性實驗

圖6 碳化實驗

掃描電鏡實驗使用型號為JSM6510的掃描電子顯微鏡，如圖7所示。首先將新制備的微觀切片試樣進行噴金處理(實驗儀器見圖8)90 s，隨后將經噴金處理后的微觀切片試樣置于掃描電鏡實驗艙內進行微觀形貌掃描觀測。

圖7 SEM實驗

圖8 全自動離子濺射儀

2 實驗結果與討論

收縮率、開裂性敏感度、抗滲性、耐氯鹽腐蝕性和碳化實驗均進行3組，3組實驗結果取平均值后將每組實驗結果與平均值取差值，如果誤差值超過平均值的5%，則認為這組實驗是失敗的，重新補做一組后再進行對比，直至每組實驗結果誤差值滿足要求后，取均值作為實驗最終結果。

2.1 VAE乳膠粉改性砂漿的收縮性

圖9為砂漿的收縮率與齡期關系。由圖可得，隨著齡期的延長，砂漿的收縮量均大幅提升，VAE乳膠粉改性砂漿的增幅相對較小。

28 d時，與普通砂漿相比，聚灰比為12%的收縮率減少了9.9%；普通砂漿42 d的收縮率較14 d時增大了39.6%，聚灰比為9%時僅增長了23.9%。齡期為42 d的VAE乳膠粉改性砂漿，當聚灰比[9]為11%時收縮量僅為普通砂漿的86.3%。這是由于VAE乳膠粉具有保水性，水化反應時砂漿的收縮較小，后期VAE乳膠粉上活性基團與水化產物反應，在填充內部孔隙基礎上進一步加固密實砂漿內部結構。

圖9 改性砂漿收縮率實驗結果

2.2 VAE乳膠粉改性砂漿的抗開裂性

實驗結果見表6，由表6可知，VAE乳膠粉改性砂漿裂縫出現的時間晚于普通砂漿，且最大裂縫寬度、裂縫數量均小于普通砂漿。設普通砂漿的開裂總權值為1，VAE乳膠粉改性砂漿的開裂總權值比如圖10所示，結合圖表分析可得，聚灰比為11%和12%的VAE乳膠粉改性砂漿的開裂總權值分別僅為普通砂漿的53.6%和54.1%，開裂破壞時間相比普通砂漿均延長了60%，最大裂縫寬度較普通砂漿分別減小了33.3%和41.7%。聚灰比由11%增加至12%，開裂總權值有所回升，這是由于VAE乳膠粉摻量超過11%后，VAE乳膠粉不能均勻分散至水泥砂漿內部，影響其與砂漿中的骨料形成高黏結力的膜結構，進而開裂敏感性提高。

表6 砂漿開裂性實驗結果

圖10 改性砂漿開裂敏感性實驗結果

2.3 VAE乳膠粉改性砂漿的抗滲性

圖11、12分別表示加壓2.0 MPa時滲水高度、透水壓力與聚灰比的關系，從圖中可以看出，砂漿的抗滲性能隨著聚灰比增大有著顯著提高，對普通砂漿試件施加1.4 MPa的恒壓8 h，3個試件全部破壞，VAE乳膠粉改性砂漿試件仍保持完好，繼續加壓到2.0 MPa并恒壓8 h，VAE乳膠粉改性砂漿試件表面未出現滲水現象，聚灰比為12%時測量試件內部滲水高度均值為3.0 cm。另一組VAE乳膠粉改性砂漿試件加壓至滲透破壞，測得試件的透水壓力均值為2.5 MPa，比普通砂漿提高了1.1 MPa；隨著VAE乳膠粉摻量的增加，透水壓力顯著提升，分別達到64.3%～78.6%。這是由于VAE乳膠粉包裹在水化產物外部，增加了其水化膜層厚度，有效阻止了外部水分子的浸入，進而提高了改性砂漿的抗滲性能。

圖11 改性砂漿滲水高度實驗結果

圖12 改性砂漿透水壓力實驗結果

2.4 VAE乳膠粉改性砂漿的耐氯鹽腐蝕性

砂漿抗氯離子滲透性與混凝土耐久性息息相關，氯離子的侵蝕導致結構較早損壞，對結構的安全性帶來極大的危害，甚至造成重大事故[16]。

VEA乳膠粉改性砂漿氯離子滲透深度與聚灰比的關系如圖13所示，當聚灰比為12%時，VAE乳膠粉改性砂漿28 d氯離子滲透深度最小，為11.74 mm，普通砂漿氯離子滲透深度為25 mm，VAE乳膠粉改性砂漿的氯離子滲透深度僅為普通砂漿的47.2%。說明VAE乳膠粉膜可以有效填充水泥砂漿內部孔隙，包裹砂石以及水化產物、使其相互間接觸面積增大，從而使砂漿內部結構更加密實，耐氯鹽腐蝕性顯著增強。

圖13 改性砂漿耐氯鹽腐蝕性實驗結果

2.5 VAE乳膠粉改性砂漿的抗碳化性

碳化[15]是一種化學腐蝕，空氣中的CO2氣體進入VAE乳膠粉改性砂漿內部，堿性物質與其發生化學反應：Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O，降低VAE乳膠粉改性砂漿的堿性，增大其內部鋼筋在實際工程應用中被腐蝕破壞的風險。VAE乳膠粉改性砂漿的碳化深度與聚灰比的關系如圖14所示。

圖14 改性砂漿抗碳化性實驗結果

由圖14可知，VAE乳膠粉的加入能夠增強砂漿的抗碳化性能，砂漿的碳化深度隨著聚灰比的增大而減小，隨著碳化時間的延長而增長。28 d時，相較普通砂漿，聚灰比為12%時，VEA乳膠粉改性砂漿碳化深度減少了36.8%。普通砂漿28 d碳化深度較3 d時增大了3.8 mm，而聚灰比為10%時，僅增大了2.5 mm。這是由于VAE乳膠粉的加入可以填充砂漿內部有害孔隙，可有效抵擋CO2進入砂漿內部，其中聚灰比為8%時，VAE乳膠粉填充孔隙基本已達到相對飽和狀態。

3 機理分析

為了研究VAE乳膠粉在砂漿中的結構形式，探究改性機理，SEM實驗下試件放大20 000倍的微觀形貌見圖15～16。普通砂漿的內部結構疏松，分布著大量針狀物質及直徑較大的孔隙，且孔隙間的連接較多，因此抗滲性能較差。VAE乳膠粉改性砂漿中大量膜結構(VAE乳膠粉和水泥水化產物)填充VAE乳膠粉改性砂漿的孔隙，部分膜結構穿插于孔隙之間，連接著孔隙兩側，致使孔隙減少，直徑變小。VAE乳膠粉改性砂漿中存在許多較粗的柱狀物質，代替普通砂漿中的針狀物質，硬化水泥漿體內部孔隙顯著減少，形成多道隔膜網，阻斷水分、氣體和氯離子運輸通道，從而提高砂漿的抗滲、抗碳化和耐氯離子腐蝕性能。部分水化產物由剛性接觸轉變為柔性接觸，增強了內部結構柔韌性及變形性能，進一步促進了水化產物的發育，在聚合物周圍團簇了更多的水化產物鈣礬石相，VAE乳膠粉加入促進了水泥砂漿后期水化，從而進一步提高了改性砂漿的耐久性。

圖15 普通砂漿微觀形貌

圖16 VAE乳膠粉改性砂漿微觀形貌

4 結論

1)VAE乳膠粉改性砂漿的耐久性能相較普通砂漿有顯著提升，VAE乳膠粉的加入顯著提高了水泥砂漿的抗開裂性、抗滲性、抗碳化性和耐氯鹽腐蝕性，收縮性有所改善。

2)VAE乳膠粉改性砂漿抗滲性良好，透水壓力最大為2.5 MPa，較普通砂漿提高78.6%。同一齡期下，聚灰比為11%的VAE乳膠粉改性砂漿抗開裂性最好,聚灰比為12%的VAE乳膠粉改性砂漿抗碳化性和耐氯離子腐蝕性最好。

3)VAE乳膠粉與砂漿中的骨料可以在漿體內部形成高黏結力的網狀膜結構，填充改性砂漿的孔隙，阻斷水分、氣體和氯離子運輸通道，使漿體內部更加密實，進而增強了改性砂漿的耐久性。