摘 要 通過試驗(yàn)探討了羧基丁苯聚合物改性混凝土的強(qiáng)度、韌性及內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:聚合物改性混凝土的力學(xué)性能較好;孔隙分布分析表明:羧基丁苯聚合物在混凝土中交織成網(wǎng)狀膠膜,是混凝土的內(nèi)部孔隙分布有所改善,能夠降低混凝土的滲透性,從而使混凝土的抗氯離子等損害的能力有了適當(dāng)?shù)奶岣摺?/P>
關(guān)鍵詞 聚合物乳液 改性混凝土 強(qiáng)度 孔隙
1 前言
水泥混凝土的發(fā)展歷史雖然只有100多年,但如今已成為世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣、用量最大、幾乎是隨處可見的建筑材料。由于其自身的剛性過大而韌性不足,使其應(yīng)用受到很多限制。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)的逐步深入,針對(duì)混凝土的性能提出了更高的要求。人們一直在尋找對(duì)普通水泥混凝土進(jìn)行改良的途徑,諸如改善水泥的性質(zhì)、添加纖維材料、添加外加劑等。對(duì)混凝土基本力學(xué)特性的改善,特別是降低混凝土的剛性、提高韌性、降低壓折強(qiáng)度比的措施之一就是采用高分子聚合物對(duì)混凝土進(jìn)行改性。摻入聚合物后可以在混凝土內(nèi)部形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),并使其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而提高水泥混凝土的柔韌性,增強(qiáng)水泥混凝土的抗裂性及抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。
聚合物混凝土是指在水泥混和時(shí)加入了分散在水中或是可以在水中分散的聚合物材料,包括摻和不摻骨料的復(fù)合材料,其確切的名稱為聚合物改性水泥基復(fù)合材料( Polymer - modified cementitiousmixture) 。聚合物膠乳是在水泥砂漿或水泥混凝土拌和成型時(shí)拌入,可以部分或者全部取代拌合水。
聚合物膠乳在水泥混凝土凝結(jié)硬化過程中脫水,在混凝土中形成致密結(jié)構(gòu)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),并可能影響水泥的水化過程及水泥混凝土的結(jié)晶結(jié)構(gòu),從而對(duì)水泥砂漿或水泥混凝土的性能起到改善作用。
2 聚合物乳液改性混凝土
2. 1 試驗(yàn)材料
聚合物水泥混凝土的膠凝劑是由聚合物分散體與水泥兩種活性組分構(gòu)成的。因此,聚合物應(yīng)滿足下列要求: 聚合物分散體應(yīng)對(duì)從水泥中析出的Ca2 + ,Al3 +等陽(yáng)離子的侵蝕,具有化學(xué)穩(wěn)定性和對(duì)攪拌時(shí)產(chǎn)生剪應(yīng)力等作用具有力學(xué)穩(wěn)定性。聚合物分散體內(nèi)所含乳化劑和穩(wěn)定劑等表面活性劑、消泡劑等均不得妨礙水泥的水化硬化。聚合物應(yīng)具有良好的抗?jié)B性、耐堿性、強(qiáng)度等。
聚合物乳液改性混凝土是由水泥、高分子聚合物乳液、粗細(xì)骨料和水等組分組成。水泥混凝土中使用的聚合物有橡膠、樹脂、乳液、水溶性聚合物等幾大類,具體在水泥中使用的聚合物的分類見圖1。其中使用最多的苯乙烯—丁二烯橡膠( SBR) 、聚丙烯酸酯( PAE)和乙烯醋酸—乙烯酯( EVA)等聚合物乳液。
聚合物水泥砂漿的一般配比為水泥∶砂= 1∶2～3 (重量比) ;聚灰比= 5% ～20%;水灰比W /C = 0.30～0. 60。本次試驗(yàn)采用42. 5級(jí)硅酸鹽水泥,采用細(xì)度模數(shù)為3. 2的機(jī)制粗砂,采用連續(xù)級(jí)配的人工軋制花崗巖碎石,最大粒徑為30mm;聚合物乳液采用上海高橋BASF公司生產(chǎn)的羧基丁苯( SD622S)乳液,固體含量為47% ,助劑選用有機(jī)硅油和磷酸三丁酯消泡劑。
2. 2 聚合物改性機(jī)理概述
以乳液形式摻加到水泥混凝土中的聚合物,在水泥混凝土攪拌均勻后,聚合物乳液顆粒會(huì)相當(dāng)均勻地分散在水泥混凝土體系中。形成水泥基的復(fù)合材料。隨著水泥的水化,體系中的水不斷地被水化水泥所結(jié)合,乳液中的聚合物顆粒會(huì)相互融合連接在一起。隨著水分的不斷減少,聚合物在水泥混凝土中形成結(jié)構(gòu)。Ohama給出了這種結(jié)構(gòu)形成過程的模型,并把這一結(jié)構(gòu)形成過程分為三個(gè)階段[ 2 ] 。
(1)首先水泥混凝土攪拌過程中摻入聚合物乳液以后,乳液中的聚合物顆粒均勻分布在水泥漿體中,形成聚合物- 水泥復(fù)合漿體。隨著水泥的水化,水泥凝膠逐漸形成并且液相中的Ca (OH) 2 達(dá)到飽和狀態(tài),同時(shí)聚合物顆粒沉積在水泥凝膠(凝膠內(nèi)包含未水化水泥)顆粒的表面,這一過程類似于水相中的Ca (HO) 2 與礦料表面的硅酸鹽反應(yīng)形成一層硅酸鈣凝膠的過程。
(2)其次隨著結(jié)構(gòu)體系中的水減少和水泥凝膠結(jié)構(gòu)的發(fā)展,聚合物逐漸被限制在毛細(xì)孔隙中。隨著水化的進(jìn)一步進(jìn)行,聚合物顆粒絮凝在一起,水化凝膠的表面形成聚合物封層,同時(shí)聚合物封層也粘結(jié)了骨料顆粒的表面及水泥水化凝膠與水泥顆?；旌衔锏谋砻?因此可以認(rèn)為混合物中的較大孔隙被有粘結(jié)性的聚合物填充。水泥漿體中孔隙的尺寸在零點(diǎn)幾個(gè)納米到幾百個(gè)納米之間,而聚合物顆粒尺寸一般在50nm～500nm之間,故這種認(rèn)為聚合物顆粒主要填充在水泥漿體孔隙中的理論是可以接受的。
(3)最后由于水化過程的不斷進(jìn)行,凝聚在一起的聚合物顆粒之間的水分逐漸被全部吸收到水化結(jié)構(gòu)的化學(xué)結(jié)合水中去,最終聚合物顆粒聯(lián)結(jié)在一起形成的交聯(lián)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)把水泥水化產(chǎn)物聯(lián)結(jié)在一起,改善了水泥石的結(jié)構(gòu)形態(tài)。
所以高分子聚合物對(duì)水泥混凝土的改性機(jī)理大致可歸納為:聚合物在水泥凝膠中均勻分散,從而使水化作用更趨完善。改善了膠凝材料集料界面情況,增大了它們之間的粘結(jié)力。聚合物的膠凝作用增大了砂漿的強(qiáng)度,使混凝土只有在砂漿破壞和連續(xù)出現(xiàn)微裂紋后才會(huì)遭到壓縮破壞。在混凝土中的聚合物與水泥凝膠形成了相互貫穿的網(wǎng)絡(luò),有利于應(yīng)力的分散和轉(zhuǎn)移,阻止和減弱了裂紋的增長(zhǎng)。水灰比的減少和聚合物形成的保護(hù)層大大降低了結(jié)構(gòu)中孔隙率,減少了材料的吸水性,提高了材料抗?jié)B性和耐腐蝕性。
2. 3 聚合物改性混凝土的性能
羧基丁苯聚合物改性混凝土的配合比是在普通混凝土基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上摻加一定量的羧基丁苯乳液,并以坍落度控制混凝土的拌和用水量來確定的。從拌制聚合物混凝土的過程中發(fā)現(xiàn),羧基丁苯聚合物改性混凝土的流動(dòng)性、粘聚性、保水性均得到改善,其泌水及離析現(xiàn)象也得到了抑制。
Ohama提出了計(jì)算乳液改性混凝土和砂漿的抗壓強(qiáng)度的公式[ 3 ] 。對(duì)乳液改性砂漿有:
logσc = (A /Bβ) +C
對(duì)乳液改性混凝土有:σc = aα + b
式中:σc 為抗壓強(qiáng)度;β = 1 /α = (Va +Vw ) / (Vc+Vp ) ,其中Vc、Vp、Va 和Vw 分別是單位體積改性砂漿和混凝土中水泥、聚合物、空氣和水的體積; A、B、C和a、b是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。
使用前述材料,分別制作不摻加聚合物的混凝土試件和摻加聚灰比為15%的混凝土試件,分別養(yǎng)護(hù)至7d和28d并測(cè)定其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。表1為最后的強(qiáng)度結(jié)果(水灰比在計(jì)算時(shí)包含了羧基丁苯乳液的含水量) 。
并使用壓汞儀測(cè)定混凝土砂漿的孔隙率如圖2所示。
2. 4 性能分析
由以上試驗(yàn)結(jié)果可知,摻加了15%羧基丁苯乳液的混凝土無(wú)論是7d和28d的抗折強(qiáng)度都比沒有摻加羧基丁苯乳液的普通混凝土有了大幅度的提高。同時(shí),可以看到試件的抗壓強(qiáng)度有了不同程度的下降,這樣也使得試件的壓折比有了一定程度的降低,從這個(gè)意義上說聚合物的摻加增強(qiáng)了混凝土材料的韌性。
根據(jù)壓汞試驗(yàn)的結(jié)果,可以看出聚合物的使用對(duì)于混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的改變是比較顯著的。10nm～100nm這個(gè)級(jí)別的孔隙的數(shù)量有所增加,而500nm以上的孔隙數(shù)量有了不同程度的減少,總孔隙量也有減少的趨勢(shì)。這樣就改善了改性混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的分布,使得混凝土的抗?jié)B性能和抗氯離子損害的能力有了適當(dāng)?shù)奶岣摺?/P>
羧基丁苯聚合物改善混凝土性能的作用機(jī)理為: ①聚合物的空間三維連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)從而增強(qiáng)水泥漿體基體的抗折強(qiáng)度,抵抗了裂紋擴(kuò)展。②聚合物中大量的表面活性物質(zhì)增強(qiáng)了混凝土拌和物集料表面的濕潤(rùn)作用,改善了集料與基體之間的粘結(jié)能力,從而有效地防止了微裂縫的起裂與擴(kuò)展。③聚合物與水泥漿體中的離子之間能夠發(fā)生一定程度的化學(xué)反應(yīng),從而增強(qiáng)了聚合物與水泥之間的結(jié)合,提高了抗折強(qiáng)度。④還有就是聚合物滲透并填充到水泥漿體的孔隙或混凝土的大孔隙中,從而降低了孔隙率使混凝土材料的密實(shí)程度得到提高。
3 結(jié)論
(1)羧基丁苯乳液改性混凝土能夠增大混凝土的抗折強(qiáng)度,在抗壓強(qiáng)度適當(dāng)減小的同時(shí)降低了壓折比,使混凝土的韌性得到了增強(qiáng)。
(2)由于水灰比降低,總的孔隙率下降,聚合物填充了混凝土中的微裂縫并在砂漿中貫穿了有機(jī)膜,使聚合物水泥混凝土的滲透性減小,因此可以有效地防止凍融腐蝕和鹽腐蝕。
參考文獻(xiàn)
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