聚合物乳液對伸縮縫錨固復(fù)合材料性能的影響研究

劉 虎

(中鐵建科檢測有限公司，陜西 西安 710016）

混凝土作為目前應(yīng)用最廣泛的建筑材料之一，在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于設(shè)計(jì)缺陷、施工管理控制不嚴(yán)以及惡劣的環(huán)境條件等多重因素，混凝土性能會(huì)逐漸喪失，尤其是在化學(xué)侵蝕環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物，實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)使用年限。若不采取加固措施，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)顯著降低，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)損壞[1]。因此對結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)能很好的改善結(jié)構(gòu)性能，提高建筑物的耐久性，減少維護(hù)費(fèi)用，有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

向伸縮縫錨固復(fù)合材料中加入聚合物乳液可以提高砂漿的抗沖擊性、抗氯離子滲透性、抗凍性以及韌性[2]，在公路、橋梁伸縮縫的快速修補(bǔ)中經(jīng)常使用。快速修補(bǔ)砂漿中摻入一定量的聚合物，可以在聚合物與水泥水化產(chǎn)物之間形成互穿的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，散布在砂漿內(nèi)部空隙中，從而快速修復(fù)砂漿內(nèi)部缺陷，因此，相較于普通快速修補(bǔ)砂漿，伸縮縫錨固復(fù)合材料的力學(xué)性能得到一定的改善，而改善程度的大小，取決于聚合物乳液的種類及其摻量[3]。本文在快速修補(bǔ)材料中分別摻加性能穩(wěn)定的丁苯乳液和丙烯酸乳液，通過研究兩種聚合物不同的摻量對新拌砂漿性能的影響，選擇最佳的改性聚合物乳液和摻量。

一、材料與方法

1.原材料

硅酸鹽水泥：P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥；砂：精細(xì)河砂，細(xì)度模數(shù)2.7；MT 400，由德國巴斯夫（BASF）；早強(qiáng)劑：TYWJJ-30 型早強(qiáng)劑，非晶質(zhì)鋁酸鈣系早強(qiáng)劑；緩凝劑：TYWJJ-20 型緩凝劑；減水劑：TYWJJ-10型減水劑；膨脹劑：TYWJJ-SP 型膨脹劑；硅灰：甘肅三遠(yuǎn)硅材料有限公司；礦粉：山西威頓水泥有限公司；聚合物乳液1：丁苯乳液（J1），德國巴斯夫；聚合物乳液2：丙烯酸乳液（J2），陶氏。

本文選擇快速修補(bǔ)材料2 h 通車的最佳復(fù)配比例，水泥：硅灰：礦粉：TYWJJ-30=65%：5%：10%：20%的基礎(chǔ)膠凝材料，固定減水劑TYWJJ-10 摻量為0.3%，緩凝劑TYWJJ-20 摻量為0.2%，消泡劑為乳液固含量的1%，膠砂比為1：1.5，水膠比為0.33。

2.主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器

JJ-5 型水泥砂漿攪拌機(jī)；水泥砂漿流動(dòng)度測定儀；ZKS-100 型砂漿凝結(jié)時(shí)間測定儀；HBY-40A 型恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱；CP 324S 型分析天平；YP 20001 型電子天平；WHY-300/10 型微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)。

3.檢測方法

采用GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》測試復(fù)合材料力學(xué)性能；采用GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》測試砂漿流動(dòng)度；采用GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試其復(fù)合材料的凝結(jié)時(shí)間。

二、結(jié)果與討論

表1 是J1 和J2 兩種聚合物乳液不同摻量對伸縮縫錨固復(fù)合材料新拌性能的影響，其中編號(hào)B00 為空白實(shí)驗(yàn)組。

表1 聚合物乳液摻量對伸縮縫錨固復(fù)合材料新拌性能的影響

1.聚合物乳液對伸縮縫錨固復(fù)合材料含氣量的影響

J1、J2 兩種聚合物乳液的摻入使砂漿含氣量明顯增大，相較于J1，J2 的加入使得砂漿含氣量增加的更為明顯。兩種乳液摻量變化對砂漿含氣量的影響并不相同，其中當(dāng)J1 摻量為7%時(shí)，含氣量達(dá)4.82%，此時(shí)含氣量最大；而J2 隨著摻量的增加，含氣量逐漸增大，當(dāng)摻量為10%時(shí)，砂漿的含氣量達(dá)到最大，為5.62%，如圖1 所示。

圖1 聚合物乳液摻量對砂漿含氣量的影響

2.聚合物乳液對伸縮縫錨固復(fù)合材料初始流動(dòng)度的影響

在水膠比一定時(shí)，J1、J2 兩種聚合物乳液均會(huì)提高伸縮縫錨固復(fù)合材料的初始流動(dòng)度，但兩種聚合物乳液的減水作用有明顯差異，相較于J1，J2 的減水作用較小。兩種乳液摻量對伸縮縫錨固復(fù)合材料初始流動(dòng)度的影響基本一致，均呈現(xiàn)初始流動(dòng)度隨聚合物乳液摻量增加而增加的趨勢。J1 摻量為10%時(shí)，伸縮縫錨固復(fù)合材料初始流動(dòng)度達(dá)到最大，為355 mm；J2 摻量為10%時(shí)，伸縮縫錨固復(fù)合材料初始流動(dòng)度達(dá)到最大，為350 mm，如圖2 所示。

圖2 乳液摻量對初始流動(dòng)度的影響

聚合物的減水機(jī)理，一方面是因?yàn)榫酆衔锬芡ㄟ^引氣作用在顆粒表面形成微小氣泡及少量團(tuán)聚的聚合物顆粒，從而使得膠凝材料更加容易產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)；另一方面是聚合物中富含大量的表面活性劑，能夠有效減少膠凝材料的團(tuán)聚現(xiàn)象，使得膠凝材料更加分散。因此，在固定水膠比的情況下，摻入聚合物乳液后伸縮縫錨固復(fù)合材料的初始流動(dòng)度會(huì)明顯的增大[7]。

3.聚合物乳液對伸縮縫錨固復(fù)合材料凝結(jié)時(shí)間的影響

伸縮縫錨固復(fù)合材料的凝結(jié)時(shí)間明顯長于普通快速修復(fù)砂漿，凝結(jié)時(shí)間延長的程度因聚合物乳液種類及摻量的不同而存在差異，就J1、J2 而言，摻量相同的情況下，J1 的緩凝作用明顯強(qiáng)于J2。從圖3（a）可見：J1 加入到伸縮縫錨固復(fù)合材料產(chǎn)生非常明顯的緩凝作用，隨著聚合物摻量的增加，凝結(jié)時(shí)間逐漸延長，凝結(jié)時(shí)間間隔逐漸增大。從圖3（b）可見：J2 加入到伸縮縫錨固復(fù)合材料中也有非常明顯的緩凝效果，其凝結(jié)時(shí)間隨著摻量的增加而延長。

圖3 乳液摻量對凝結(jié)時(shí)間的影響

4.聚合物對伸縮縫錨固復(fù)合材料抗折、抗壓強(qiáng)度的影響

J1、J2 摻量對伸縮縫錨固復(fù)合材料2h、4h 和8h 的抗折、抗壓強(qiáng)度的影響見表2。

表2 聚合物乳液摻量對伸縮縫錨固復(fù)合材料抗折、抗壓強(qiáng)度的影響

聚合物乳液摻量對伸縮縫錨固復(fù)合材料抗折、抗壓強(qiáng)度有明顯的影響，J1 和J2 摻入對伸縮縫錨固復(fù)合材料抗折、抗壓強(qiáng)度的影響基本一致。

從圖4（a）、5（a）可見：隨著聚合物乳液摻量的增加，砂漿抗折強(qiáng)度降低，當(dāng)乳液摻量為10%時(shí)，J1改性伸縮縫錨固復(fù)合材料2h的抗折強(qiáng)度較空白樣降低了44.19%，4h的抗折強(qiáng)度較空白樣降低了16.67%，8h的抗折強(qiáng)度較空白樣降低了22.22%；J2改性伸縮縫錨固復(fù)合材料2h的抗折強(qiáng)度較空白樣降低了51.16%，4h 的抗折強(qiáng)度較空白樣降低了41.67%，8h 的抗折強(qiáng)度較空白樣降低了42.59%。對于早齡期的砂漿，其抗折強(qiáng)度的降低主要是因?yàn)榫酆衔锶橐旱臏p水作用，增加了砂漿的凝結(jié)時(shí)間，延緩了水泥的水化反應(yīng)。

圖4 J1 摻量對伸縮縫錨固復(fù)合材料抗折抗壓強(qiáng)度的影響

從圖4（b）、圖5（b）可以看出：對于不同齡期的砂漿，其抗壓強(qiáng)度跟聚合物乳液摻量成反比，當(dāng)聚合物乳液摻量為10%時(shí)，J1 改性伸縮縫錨固復(fù)合材料2h、4h 和8h 齡期的抗壓強(qiáng)度較空白樣分別降低了61.65%、34.16%、和41.64%，J2 改性伸縮縫錨固復(fù)合材料2h、4h 和8h 齡期的抗壓強(qiáng)度較空白樣分別降低了64.29%、51.86%和55.62%，這主要是因?yàn)榫酆衔镒陨韽椥阅Ａ勘人嗍?，其受壓時(shí)起不到剛性支撐作用，從而抗壓強(qiáng)度大幅降低。

圖5 J2 摻量對伸縮縫錨固復(fù)合材料抗折抗壓強(qiáng)度的影響

5.聚合物乳液對伸縮縫錨固復(fù)合材料壓折比的影響

聚合物乳液摻量對伸縮縫錨固復(fù)合材料2h、4h 和8h 齡期壓折比的影響，見表3。

表3 聚合物乳液摻量對伸縮縫錨固復(fù)合材料壓折比的影響

聚合物乳液的摻入降低了伸縮縫錨固復(fù)合材料的壓折比，對于各齡期砂漿來說，J1 改性伸縮縫錨固復(fù)合材料壓折比低于J2，說明J1 改性伸縮縫錨固復(fù)合材料的柔韌性好于J2 改性伸縮縫錨固復(fù)合材料。由圖6 可知，對于不同齡期的伸縮縫錨固復(fù)合材料，其壓折比都是隨著聚合物乳液摻量的增加而逐漸減??；對于8h 齡期的超早強(qiáng)無收縮修補(bǔ)料，當(dāng)J1 摻量在10%時(shí)，其壓折比最小，為5.07，較空白樣降低了25.00%，大大提升了伸縮縫錨固復(fù)合材料的柔韌性。

圖6 乳液摻量對伸縮縫錨固復(fù)合材料壓折比的影響

聚合物乳液提升伸縮縫錨固復(fù)合材料的柔韌性主要有兩個(gè)原因[8]：第一，聚合物乳液屬彈性體結(jié)構(gòu)，添加在水泥基材料中能夠增加其抵抗變形的能力，從而使得韌性增加、脆性降低；第二，聚合物后期形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠有效的分布在水泥基材料空隙中，從而提高了伸縮縫錨固復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度，而且聚合物的彈性模量較快速修補(bǔ)漿體的彈性模量低得多，改善了伸縮縫錨固復(fù)合材料的變形協(xié)調(diào)性，從而改善了伸縮縫錨固復(fù)合材料的韌性。

本文針對水泥混凝土路面、橋面伸縮縫局部破壞嚴(yán)重的情況，通過加入聚合物乳液對快速修補(bǔ)料進(jìn)行改性，研究出了力學(xué)性能優(yōu)良、凝結(jié)時(shí)間適宜的伸縮縫錨固復(fù)合材料。從增加伸縮縫錨固復(fù)合材料的流動(dòng)度、柔韌性、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等方面綜合考慮，J1 性能優(yōu)于J2。因此本文選擇J1，即丁苯乳液來改性伸縮縫錨固復(fù)合材料。當(dāng)J1 摻量為7%時(shí)，伸縮縫錨固復(fù)合材料的凝結(jié)時(shí)間大于30 min；其4 h抗折強(qiáng)度為4.2 MPa，抗壓強(qiáng)度為22.5 MPa；8h 抗折強(qiáng)度為4.4 MPa，抗壓強(qiáng)度為24.1 MPa。