聚合物对水泥基材料防水和韧性影响的研究*

赵明哲 唐 雷 陈李峰 唐龙龙 宋建桓 庄 强

(1.中交第三公路工程局有限公司 北京 101300; 2.江苏中路工程技术研究院有限公司 南京 210000；3.南京市华路工程设计有限公司 南京 210000)

随着复合材料研究及发展的不断深入，聚合物改性水泥基材料的应用和性能不断增多和提高。聚合物乳液在水泥基材料中通过乳化剂作用，聚合物颗粒均匀分散于水基或油基的介质中形成的一种乳液状聚合物。目前最常用的几类乳液主要有：环氧系乳液、丁苯乳液、丙烯酸系乳液和醋酸乙烯系乳液等。N.Ukrainczyk等[1]采用苯乙烯丁二烯胶乳改性水泥砂浆，其抗压和抗弯强度随聚合物掺入均有所提高。高培伟等[2]研究了苯乙烯丙烯酸乳液改性水泥基材料的微观结构，发现该乳液具有良好的成膜性和稳定性，能渗透到水泥基材料孔隙中，提高其致密性。不同聚合物对水泥基材料性能影响不同[3-5]。

在此基础上，本文将研究有机硅丙烯酸酯(G)、水性环氧树脂(H)和丙烯酸乳液(X)3种聚合物对水泥基材料物理和力学性能的影响，为其在工程上的应用提供理论依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

普通硅酸盐水泥P·O 42.5来自南京某水泥企业；微硅粉和聚羧酸类高效减水剂(固含量为40%)均来自南京材料生产商；消泡剂磷酸丁酯TBP来自青岛；有机硅丙烯酸乳液来自河南某材料生产企业，固含量为48%；水性环氧乳液来自青岛，固含量为50%；丙烯酸乳液来自河南材料企业，固含量43%。

1.2 试验方案与方法

根据课题组前期研究成果，将3种有机聚合物乳液掺入水泥基材料中，测试其物理和力学性能，表1为掺不同聚合物下各组的聚灰比。其中，水灰比固定为0.55，微硅粉掺量(质量分数，下同)为10%，减水剂掺量为1.2%。

表1 每组试验的聚灰比

1.2.1物理性能测试

选择高度为60 mm，上、下口内径分别为70、100 mm的锥形试模进行测试。将锥形测试模具润湿，水平放置在玻璃板上，将新鲜混合的浆液倒入模具中刮平，然后垂直提起锥形试验模具，使浆液在玻璃板表面上自由流动30 s，测量2个垂直方向的最大直径，取其平均值作为流动性指标。

选择40 mm×40 mm×160 mm的试模进行成型，成型后放入(60±2)℃烘箱中养护48 h再取出冷却至室温，拆模称量试件的重量，记为G0；将试件浸入(20±2)℃水中2 d后将其取出并擦干，称量试件重量，记为G1，根据式(1)算出试件吸水率WA。

WA=(G1-G0)/G0×100%

(1)

式中：G1为吸水后重量，g；G0为吸水前干重，g；WA为试件吸水率，%。

1.2.2力学性能测试

选择40 mm×40 mm×160 mm试样进行掺聚合物材料抗折与抗压强度试验，抗折强度每组3个样本，取平均值，抗折强度fb根据式(2)算出。

fb=1.5PL/b3

(2)

式中：fb为抗折强度，MPa；P为极限荷载，N；L为2个支点间距离，mm；b为样品横截面边长，mm。

抗压强度测试使用抗折测试后的试件，每组有6个样本，取4个平均值，抗压强度fc根据式(3)计算。

fc=P/S

(3)

式中：fc为抗压强度，MPa；P为极限荷载，kN；S为压缩面积，mm2。

弯压比γ根据式(4)计算。

γ=fb/fc

(4)

1.2.3微观分析

采用扫描电子显微镜(SEM)可以对比观察试样的微观形貌，直观清晰地了解材料的孔隙结构和物质成分的变化情况，研究其固化过程和机理及其对材料力学性能、流动度的影响，为掺聚合物水泥基材料的应用提供理论支撑。

切下少许试样，在无水乙醇中浸泡3 d进而终止水化，然后取出放入60 ℃的烘箱中干燥48 h。测试前，在观察面上喷涂金属粉末，并使用JSM-6510高分辨率扫描电子显微镜进行图像扫描分析。

2 结果与讨论

2.1 聚合物对水泥基材料流动性和吸水率的影响

掺聚合物水泥基材料流动性见图1。由图1可见，与未掺聚合物的对照组(A)相比，掺H的水泥基材料的流动性有所提高，而掺G和X的水泥基材料流动性均有不同程度的下降。从各组的流动性来看，掺H的水泥基材料的流动性随聚灰比的增加而呈增大趋势，而掺G和X的水泥基材料流动性随聚灰比增加而缓慢减小，从改善水泥基材料流动性角度来看，掺H的流动性能最好。

图1 掺聚合物水泥基材料流动性

根据试验结果和式(1)进行计算，得到掺聚合物水泥基材料吸水率见图2。

图2 掺聚合物水泥基材料吸水率

由图2可见，掺聚合物后，水泥基材料的吸水率明显降低，并随聚灰比增加而逐渐降低，然后趋于稳定。其中，掺H的水泥基材料吸水率最低，远低于未掺聚合物的对照组(A)，掺G的次之，掺X的水泥基材料吸水率最高，说明了掺水性环氧水泥基材料的防水性最好；此外，当聚灰比为0.15时，掺聚合物水泥基材料的吸水率基本达到最低，其中掺水性环氧水泥基材料的吸水率比未掺的降低了约61.8%，当聚灰比继续增加时，吸水率变化不大，因此，最佳吸水率的聚灰比约为0.15。

这是因为聚合物乳液可产生絮凝产物，包裹水泥水化产物，填充水泥基材料空隙，增强基体的致密性，聚合物固化成膜后，在浆液内部形成致密的胶结层，吸水率降低。

2.2 聚合物对水泥基材料力学性能的影响

掺聚合物水泥基材料力学性能见图3。由图3a)可见，水泥基材料的抗压强度随着聚合物的掺入均有所降低，其中掺H的水泥基材料的抗压强度降低最小，其次是掺G水泥基材料，掺X水泥基材料抗压强度降低得最大。掺3种聚合物水泥基材料抗压强度最大损失率分别是掺H的19.0%，掺G和掺X下降最大分别为30.3%和41.5%，从掺聚合物材料的抗压强度的角度看，掺水性环氧的性能最好，其次是有机硅丙烯酸乳液和丙烯酸乳液。

图3 掺聚合物水泥基材料力学性能

由图3b)可见，不同聚合物对水泥基材料的抗折强度影响不同，其中掺H的水泥基材料的抗折强度增加，并随聚灰比增加而增加，最后趋于稳定；掺G和X的水泥基材料抗折强度均低于未掺的，并随聚灰比增加略有降低，最后也趋于稳定，其中掺X的水泥基材料抗折强度降低较大。当聚灰比为0.15时，与未掺聚合物相比，掺H的水泥基材料28 d抗折强度提高了16.6%，掺G和X的水泥基材料的抗折强度分别降低了4.1%和23.5%。从抗压与抗折强度的角度来看，掺水性环氧的水泥基材料性能最好。

弯压比的指数用于检验每种聚合物乳液对改善水泥基材料的柔韧性影响，根据试验结果和式(4)进行计算，每种聚合物乳液的水泥基材料的弯压比见图4。

图4 掺聚合物乳液水泥基材料的弯压比

由图4a)可见，掺3种类型的聚合物乳液水泥基材料的弯压比随聚灰比的增加而显著增加，然后都趋于稳定。掺H和G的水泥基材料在聚灰比为0.20时达到峰值，而掺X的水泥基材料在聚灰比为0.10达到峰值。其中，掺水性环氧水泥基材料的弯压比更为突出，在聚灰比为0.20时，掺水性环氧水泥基材料的弯压比比未掺的提高了40.8%。

由图4b)可见，聚灰比为0.15时，掺3种聚合物水泥基材料和未掺的弯压比随时间增长而降低，但各个养护龄期掺H和G的水泥基材料都比未掺的高很多。

由图4可见，3种聚合物乳液对改善水泥基材料的柔韧性具有显著作用，从弯压比的角度来看，掺水性环氧的水泥基材料的效果最佳。

2.3 SEM分析

掺与未掺聚合物水泥基材料的SEM形貌，见图5。

由图5a)可见，在未掺聚合物水泥基材料样品SEM电子显微图中，可清楚地看到内部存在大量的孔和毛细洞，有未水化的水泥颗粒，孔隙较大，水泥基材料不致密。由图5b)可见，掺水性环氧乳液水泥基材料测试样品的SEM电子显微镜下，可清楚地看到内部孔和毛细管通道数量减少，并且孔较小。

由图5c)与图5d)可见，掺有机硅丙烯酸乳液和掺丙烯酸乳液的效果与水性环氧乳液相近，减少了水泥的孔隙数量与尺寸，但密实效果没有掺水性环氧的好。与掺水性环氧的相比较，微观下还能明显看到较大的孔洞。孔的尺寸在几十纳米至几十微米之间，聚合物颗粒的尺寸在几微米至几十微米之间，聚合物颗粒填充产物的孔隙，并在水化产物的表面上形成连续的聚合物膜，内部结构更为致密，有利于改善材料的抗渗和抗侵蚀等性能。

图5 掺与未掺聚合物水泥基材料的SEM形貌

3 结论

不同聚合物对水泥基材料的流动性和吸水性影响不同，其中水性环氧可改善水泥基材料的流动性，而有机硅丙烯酸乳液和丙烯酸乳液无法改善水泥基材料的流动性；掺3种聚合物乳液均会降低水泥基材料的吸水率，明显地改善水泥基材料的防水性能。

不同的聚合物对水泥基材料的力学性能影响不同，掺加聚合物乳液，通常会降低水泥基材料的抗压和抗折强度，但水性环氧乳液可提高水泥基材料的抗折强度，掺聚合物乳液均可提高水泥基材料的韧性。

从微观结构的来看，掺聚合物水泥基材料通过形成连续的聚合物膜，使材料内部具有更致密的微观结构，有利于改善材料的抗渗和抗侵蚀等性能。