高性能聚丙烯酸酯乳液改性修补砂浆性能研究

李龙梓，邓建良，濮琦

（苏州混凝土水泥制品研究院有限公司，江苏 苏州 215004）

0 引言

近年来，国内的许多道路和建筑物在使用过程中出现质量问题，如蜂窝麻面、空洞、大面积损坏等。一般是采用普通混凝土或砂浆作为修补材料,但普通混凝土或砂浆粘结强度低，将其用于混凝土修补,容易造成界面粘结不牢、开裂从而导致混凝土易被再度损坏等问题。

在建筑、交通、水利等工程领域中，聚合物改性砂浆以其多种优异的性能得到广泛应用。普通水泥砂浆因抗折强度低、干缩变形大、抗渗性、抗裂性和耐腐蚀性差，严重制约了其在更大的工程范围中的应用。与普通砂浆相比，聚合物改性砂浆不仅具有水泥基材料的强度高、耐久性好、抗老化性能好等特点，还具有粘结强度高、韧性好、抗冲击性能好等特点。但由于各种聚合物自身的性能差异，其对水泥砂浆的改性机理也不相同，因此，需要对具体的情况进行针对性研究。

1 试验

1.1 原材料

试验所采用的原材料种类及性能指标如下：

（1）水泥：采用盘固水泥股份有限公司生产的PII 52.5水泥；

（2）砂：细度模数 2.92；

（3）聚丙烯酸酯乳液性能见表1；

（4）减水剂，消泡剂等。

表1 聚丙烯酸酯乳液的性能指标

1.2 测试方法

（1）抗折、抗压强度试验参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检测方法》进行测试。

（2）抗拉强度测定试验参照JGJ/T 230-2007《预拌砂浆》。

（3）收缩率和流动性测定试验参照 DL/T 5126-2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》的规定进行。

1.3 养护制度

试件按标准要求成型后，在（20±1）℃条件下养护 24 h，然后编号、拆模，然后放入温度（20±1） ℃的干养护室中养护。

2 试验内容及数据分析

试验设定的胶砂比为1:1、1:1.5和1:2，聚胶比设定为0、10%、15%和20%，通过正交分析确定试验组数，用水量通过控制砂浆的塌落度来调整。

2.1 硅酸盐水泥与快硬硫铝酸盐水泥复合对凝结时间的影响（图 1，2）

图1 3 d抗压强度

图2 28 d抗压强度

由图1，2可知，当灰砂比相同时，随着乳液掺量增大，砂浆的抗压强度逐渐减小；砂浆的早期强度降低比较明显；灰砂比不同时：灰砂比越大，砂浆的强度降低越大。

在水泥基材料中，胶凝材料水化是提供材料强度的最主要来源。而乳液主要依靠成膜来发挥作用。乳液在失水的过程中逐渐成膜，包裹在胶凝材料的表面，阻碍胶凝材料与水的接触，导致部分胶凝材料无法完成水化反应，从而会降低砂浆的抗压强度。砂浆中的乳液含量越高，这种阻碍胶凝材料反应的作用就会越明显，砂浆的强度会越低。在水化反应的早期，水泥的水化反应最剧烈，胶凝材料对水的需求最迫切，其受到乳液成膜的影响最大。随着凝期的逐渐增大，部分水会通过乳液膜或毛细孔与被包裹的胶凝材料反应，使部分未水化的胶凝材料继续反应，使后期强度继续增高。

2.2 乳液不同掺量对修补砂浆的抗折强度影响（图3，4）

图3 3 d抗折强度

图4 28 d抗折强度

由图3可知：随着乳液的掺量增加，砂浆的抗折强度逐渐降低。砂浆的胶砂比为1:2时，其抗折强度降低最为显著；由图4可知，在28 d时，随着乳液掺量的增大，试样的抗折强度逐渐增大。当灰砂比为1:2时，试样的抗折强度最高。

在反应早期，胶凝材料水化反应不充分，试样的抗折强度较低。乳液成膜后会降低水化的速率，乳液掺量越高反而会越不利于抗折强度提高。与此同时，试样中含有大量水分，乳液膜并不具备足够的强度和韧性，对抗折强度没有较大的作用。在早期，试样的抗折强度大小几乎完全取决于胶凝材料水化产物的强度。因此，砂浆的灰砂比越小，试样的抗折强度越低。在28 d时，聚合物膜在砂浆的内部形成空间网状结构能显著地提高砂浆的抗折强度。在一定的范围内，乳液的掺量越大，砂浆的韧性会越大。

2.3 乳液不同掺量对修补砂浆的粘结强度影响（图5）

图5 28 d粘结强度

由图5可知：在一定范围内，随着乳液掺量增大，试样的粘结强度逐渐增大。灰砂比为1:2时，其粘结强度最大。根据Ohama模型，掺入聚合物后，聚合物颗粒沉积在水泥水化产物的表面，并逐步形成连续聚合物膜。聚合物砂浆和粘结实验基板是两种不同材质，是最薄弱的环节，最容易产生破坏。聚合物膜分散在砂浆内水泥浆体与骨料的界面处，消除了界面结构疏松现象，提高了界面结构的粘结强度。同时，聚合物膜会增强砂浆与试验基材的附着力，使界面的粘结更加牢靠。因此，在一定的范围内，砂浆的粘结力会随着乳液掺量的增大而增大。另外,砂浆在水泥水化后形成刚性骨架,而在骨架内聚合物形成的薄膜具有活动接头的功能,可以保证刚性骨架的弹性和韧性,所以细骨料有机聚合物还可以改善砂浆的粘结强度。

2.4 乳液不同掺量对修补砂浆收缩性能的影响

由图6～8可知，乳液的掺入可以有效地降低砂浆的收缩率。随着乳液掺量的增大，砂浆的收缩率逐渐降低。随着砂浆的灰砂比增大，乳液降低砂浆收缩率的效果越明显。

图6 灰砂比1∶1的收缩率

图7 灰砂比为1∶1.5的收缩率

图8 灰砂比为1：2的收缩率

在水泥的水化过程中，由于乳液水分的丧失，形成空间网络状的聚合物微纤维，填充了水泥浆中的较大孔隙，起到了“微纤维的作用”，限制了砂浆的收缩。此外，在砂浆内部形成的分散在水化产物和骨料之间的“聚合物薄膜”减少了水泥水化硬化产生的微裂纹。当聚合物乳液掺量继续增加时，其形成的“聚合物薄膜”更加完整，这将显著提高水泥砂浆的干缩性能。

3 结论

通过研究不同掺量乳液对砂浆的性能影响得到如下几条结论：

（1）聚合物乳液的掺入会降低砂浆的抗压强度，对早期的抗压强度影响尤为明显。砂浆的灰砂比越大，聚合物的掺量越高，对砂浆抗压强度的影响越大。

（2）聚合物乳液的掺入会降低砂浆的早期抗折强度，但会显著增加后期的抗折强度。灰砂比为1:2时，试样的抗折强度最高。

（3）在一定范围内，随着乳液掺量增大，试样的粘结强度逐渐增大。灰砂比为1:2时，其粘结强度最大。

（4）乳液的掺入可以有效地降低砂浆的收缩率。随着乳液掺量的增大，砂浆的收缩率逐渐降低。随着砂浆的灰砂比增大，乳液降低砂浆收缩率的效果越明显。