摘要 主要研究了聚灰比、水灰比和減水劑摻量對硫鋁酸鹽水泥性能的影響，并結(jié)合高分子聚合物聚結(jié)原理分析了聚合物改性水泥基材料的膠結(jié)機(jī)理。結(jié)果表明：加入苯丙乳液后的聚合物硫鋁酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度降低的較明顯，當(dāng)聚灰比為5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度相對較高，繼續(xù)增加摻入量，抗壓強(qiáng)度繼續(xù)下降；加入苯丙乳液后的聚合物硫鋁酸鹽水泥的抗折強(qiáng)度變化較小；隨著苯丙乳液摻入量的增加，聚合物硫鋁酸鹽水泥的凝結(jié)時(shí)間逐漸增加；聚合物硫鋁酸鹽水泥具有良好的抗?jié)B性和抗硫酸鹽侵蝕性，且隨摻入量的增加兩性能逐漸提高。
關(guān)鍵詞 苯丙乳液 硫鋁酸鹽水泥 性能
中圖分類號：TQ172.99 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
0 引言
水泥的應(yīng)用歷史已近二百年之久，是目前用量最大的建筑材料之一。盡管水泥材料有很多優(yōu)點(diǎn)，例如有較高的抗壓強(qiáng)度，較強(qiáng)的適應(yīng)性及經(jīng)濟(jì)性等，但也有其自身難于克服的缺陷，如脆性大，柔性低，自重大，凝結(jié)硬化較緩慢，干縮量大，抗?jié)B性能差，抗化學(xué)腐蝕能力不強(qiáng)等[1]。與普通水泥相比，聚合物水泥的漿體結(jié)構(gòu)更加致密，工程上常使用不同聚合物乳液改性的水泥砂漿作為抹面材料,包括樓地板、路面板、粘結(jié)劑、整體防水、裝飾涂層、修復(fù)材料及防護(hù)涂層[2]。 聚合物水泥是由水泥與有機(jī)高分子聚合物復(fù)合而成的有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料, 可以有效地改善水泥及其混凝土的許多性能，甚至賦予水泥混凝土新的性能。在水泥混凝土中加入少量有機(jī)高分子聚合物，既可以使混凝土獲得高密實(shí)度，又不至于使混凝土的脆性加大,這樣便可制得高強(qiáng)度、高抗?jié)B、高耐腐蝕性的水泥混凝土材料，從而進(jìn)一步拓寬了混凝土的使用領(lǐng)域[3]。硫鋁酸鹽水泥是用量最大的特種水泥，在我國得到了廣泛生產(chǎn)和應(yīng)用，該水泥具有突出的快硬早強(qiáng)特性，并具有體積微膨脹、抗腐蝕和低堿度等性能。因此，通常被用于制造防腐抗?jié)B材料、快速修補(bǔ)材料和新型墻體材料等。但是，僅用硫鋁酸鹽水泥制造的防腐抗?jié)B和修補(bǔ)材料，其水化硬化漿體的孔隙率依然較大，抗腐蝕能力仍不能滿足工程要求。本文主要研究了苯丙乳液對硫鋁酸鹽水泥的組成、結(jié)構(gòu)和性能的影響，進(jìn)一步改善其防腐抗?jié)B性能。
1 原料與實(shí)驗(yàn)方法
1.1 原料
硫鋁酸鹽水泥來自山東某特種水泥廠，苯丙乳液為萬利化工有限公司生產(chǎn)，聚羧酸減水劑是淘正化工有限公司產(chǎn)品。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
?。?）水泥強(qiáng)度：水泥凈漿成型采用0.30水灰比，試體尺寸為2×2×2cm3。水泥砂漿采用標(biāo)準(zhǔn)成型方法，試體尺寸為40×40×160cm3。試體均在20˚C、相對濕度為95%的條件下養(yǎng)護(hù)24h，脫模后放入20˚C水中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。
?。?）水泥凝結(jié)時(shí)間：凝結(jié)時(shí)間測定參照 GB/T 1346—2001《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》進(jìn)行。
?。?）水泥抗?jié)B性：按水:灰:砂為1:2:6配合，在高為30mm，上直徑為70mm，下直徑為80mm的抗?jié)B試模中成型，養(yǎng)護(hù)至28天，進(jìn)行抗?jié)B實(shí)驗(yàn)。水壓從0.2MPa開始，2h后每隔1h增加0.1MPa水壓，1MPa水壓時(shí)，恒壓8h。將其劈開取五個(gè)點(diǎn)，用直尺測量滲水高度。
（4）水泥砂漿抗硫酸侵蝕性：采用GB2420－81《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗(yàn)方法》制備試樣和成型，即膠砂比為1：2.5，試體尺寸為10×10×60mm3，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)1天后拆模，然后放在20℃水中養(yǎng)護(hù)7天，將試件分為4組，其中2組放在20℃水中養(yǎng)護(hù)，另外2組則放在3%的硫酸鈉溶液中，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3天和28天，觀察其外觀并測定其強(qiáng)度。試件在浸泡過程中，每天一次用H2SO4滴定以中和試件在溶液中放出的Ca(OH)2，使溶液的PH值保持在7.0左右。試件浸泡至28天后，測其抗折強(qiáng)度?？刮g系數(shù)參考GB2420－81《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗(yàn)方法》計(jì)算，抗蝕系數(shù)計(jì)算公式如下：K=R液/R水 (2.1)
式中 K——抗蝕系數(shù)
R液——試件浸泡在腐蝕液中的抗折強(qiáng)度/MPa
R水——試件在水中養(yǎng)護(hù)同齡期的抗折強(qiáng)度/MPa
2 結(jié)果與分析
2.1 苯丙乳液對硫鋁酸鹽水泥強(qiáng)度的影響
在聚合物硫鋁酸鹽水泥中苯丙乳液的摻量用聚灰比表示，本實(shí)驗(yàn)選擇的聚灰比分別為0%、2.5%、5%、7.5%、10%和15%，試體經(jīng)成型養(yǎng)護(hù)后測定其凈漿抗壓強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)果見表1和圖1。從表1和圖1可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，摻入聚合物苯丙乳液后硫鋁酸鹽硬化水泥漿體的抗壓強(qiáng)度均有一定程度的下降，當(dāng)苯丙乳液摻量較少時(shí)其抗壓強(qiáng)度就有明顯降低，但是聚灰比超過2.5%后強(qiáng)度出現(xiàn)小幅度回升，而聚灰比為5%時(shí)水泥的抗壓強(qiáng)度相對較高，繼續(xù)增加聚合物的摻量時(shí)其抗壓強(qiáng)度又開始繼續(xù)下降。
表1 苯丙乳液對水泥凈漿抗壓強(qiáng)度的影響
Table 1 The effects of styrene-acrylic emulsion on the compressive strength of cement paste
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Sam-ples |
P/C/% |
The compressive strength /MPa | |||
|
1d |
3d |
7d |
28d | ||
|
A0 |
0 |
63.4 |
65.5 |
70.8 |
76.7 |
|
A1 |
2.5 |
48.2 |
49.7 |
53.7 |
57.9 |
|
A2 |
5.0 |
50.2 |
54.2 |
56.1 |
60.3 |
|
A3 |
7.5 |
41.7 |
44.7 |
49.7 |
56.5 |
|
A4 |
10.0 |
39.7 |
42.4 |
45.9 |
50.4 |
|
A5 |
15.0 |
34.5 |
36.3 |
39.2 |
44.8 |
表2和圖2、圖3給出了苯丙乳液聚合物對硫鋁酸鹽水泥砂漿強(qiáng)度的影響?？梢钥闯觯淇箟簭?qiáng)度的變化規(guī)律與苯丙乳液對水泥凈漿強(qiáng)度的影響相似，在聚灰比為2.5%～5%時(shí)，聚合物硫鋁酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度相對較高，當(dāng)聚灰比超過7.5%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度顯著降低，當(dāng)聚灰比達(dá)15%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度損失達(dá)50%以上。但同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，苯丙乳液對抗折強(qiáng)度的影響相對很小，
與不摻聚合物的試樣相比，聚灰比為2.5%～5%時(shí)，抗折強(qiáng)度基本不降低，當(dāng)聚灰比超過5%時(shí)，抗折強(qiáng)度才有一定程度下降。這為利用聚合物硫鋁酸鹽水泥制造非承重型防水抗?jié)B材料奠定了重要基礎(chǔ)。
2.2 苯丙乳液對硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間的影響
硫鋁酸鹽水泥是一種以C4A3S和β-C2S為主要礦物的膠凝材料，它具有早強(qiáng)、快硬、高強(qiáng)等特點(diǎn)，特別是其凝結(jié)時(shí)間是評價(jià)硫鋁酸鹽水泥性能的重要指標(biāo)。與普通硅酸鹽水泥相比，硫鋁酸鹽水泥的凝結(jié)速度較快，凝結(jié)時(shí)間較短，初凝與終凝的時(shí)間間隔也較短[4-5]。表3和圖4給出了苯丙乳液對硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間的影響。從表3可以看出，當(dāng)聚灰比為2.5%時(shí)，硫鋁酸鹽水泥的初終凝時(shí)間略有縮短，但隨著聚合物摻入量的增加，水泥的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間都有所延長。但從圖4可以看出，摻入苯丙乳液后，對初凝和終凝的時(shí)間間隔影響不大。
表3 苯丙乳液對水泥凝結(jié)時(shí)間的影響
Table 3 The effects of styrene-acrylic emulsion on the setting-time of cement
2.3 苯丙乳液對水泥砂漿抗?jié)B性能的影響
表4給出了聚合物硫鋁酸鹽水泥砂漿的抗?jié)B性能，用一定水壓下試件的滲透高度來表示。從表4可以看出，隨著苯丙乳液摻入量的增多，聚合物硫鋁酸鹽水泥砂漿試樣的平均滲透高度逐漸減少。為了更的直觀性分析砂漿抗?jié)B性能變化，據(jù)表4繪制了圖5。
表4 各試樣的平均滲透高度
Table 4 The average penetration height of samples
Ohama[6]和J.A. Lavelle[7]等認(rèn)為，隨著水泥水化的進(jìn)行，聚合物乳液中的水分逐漸失去，聚合物顆粒相互靠近，最終相互黏結(jié)，在水泥水化產(chǎn)物周圍和集料表面形成薄膜，使水泥水化產(chǎn)物之間以及水化產(chǎn)物和集料之間的結(jié)合力增強(qiáng)，同時(shí)聚合物顆粒對漿體孔隙的填充作用可使硬化水泥漿體的密實(shí)度提高，從而改善了漿體的抗?jié)B性能。
2.4 苯丙乳液對水泥砂漿抗硫酸鹽侵蝕性的影響
本實(shí)驗(yàn)采用膠砂比為1:2.5，水灰比為0.3，試樣尺寸為10×10×60mm3，選擇聚灰比分別為0%、2.5%、5%、7.5%、10%、15%，記試樣編號分別為C0、C1、C2、C3、C4。將試體分別放入水和3%Na2SO4溶液中浸泡28d齡期，測定其抗折強(qiáng)度，結(jié)果見表5。由表5可以看出，聚合物硫鋁酸鹽水泥凈漿在3%Na2SO4溶液中浸泡時(shí)，其抗折強(qiáng)度的損失很小，說明聚合物硫鋁酸鹽水泥具有優(yōu)異的抗硫酸鹽侵蝕性，并且隨著苯丙乳液摻量的增加，其抗蝕系數(shù)逐漸增大。其主要原因可能是聚合物優(yōu)異的填充效應(yīng)及在漿體內(nèi)部形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得硫酸鹽離子難于進(jìn)入硬化水泥漿體內(nèi)部，從而使其抗侵蝕性增強(qiáng)。
3 結(jié)論
(1) 加入苯丙乳液后，聚合物硫鋁酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度降低的較明顯。當(dāng)聚灰比為5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度相對較高，繼續(xù)增加摻入量，抗壓強(qiáng)度繼續(xù)下降。
(2) 苯丙乳液對聚合物硫鋁酸鹽水泥的抗折強(qiáng)度的影響很小，當(dāng)聚灰比為2.5%-5%時(shí)，抗折強(qiáng)度基本不降低，當(dāng)聚灰比超過5%后，抗折強(qiáng)度才略有下降。
(3) 聚合物硫鋁酸鹽水泥具有良好的抗?jié)B性和抗硫酸鹽侵蝕性，且隨苯丙乳液摻入量的增加，抗?jié)B性和抗侵蝕性逐漸增強(qiáng)。
(4) 隨著苯丙乳液摻入量的增加，聚合物硫鋁酸鹽水泥的凝結(jié)時(shí)間逐漸增加。
參考文獻(xiàn)
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3 黃從運(yùn),王服人. 聚合物改性水泥混凝土[J]. 材料研究, 2002, 30(5):25
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6 Yoshihiko Ohama. ACI Material Journal, 1987(11-12):511
7 Joseph A. Lavelle. ACI Material Journal, 1988(1-2):41
