聚合物改性水泥基材料

聚合物改性水泥基材料（精选7篇）

聚合物改性水泥基材料 第1篇

1 试验

1.1 试验原材料

膨胀珍珠岩:是由玻璃质火山熔岩经破碎、高温煅烧等工序处理而成的内部结构疏松多孔的无机材料, 具有密度小, 导热系数低等特点, 其主要性能如表1所示。水泥:购自山水集团生产的P.O42.5的普通硅酸盐水泥。粉煤灰:采用济南某电厂生产的Ⅰ级粉煤灰, 并经120目筛子筛取。聚合物:采用可再分散乳胶粉, 可改善料浆的粘聚性、均匀性, 并能形成聚合物膜阻挡水分侵入, 提高试样力学性能和耐水性能;发泡剂:采用某高效动物发泡剂H;稳泡剂:采用实验室自制高效稳泡剂B;水:选用试验室的自来水。

1.2 试验方法

试验以膨胀珍珠岩、水泥、粉煤灰和聚合物干粉为原料, 同时掺加稳泡剂和泡沫, 制备聚合物改性水泥基复合保温板。试验分为三部分:不同水灰比对复合材料强度影响的研究, 不同稳泡剂掺量对复合材料力学性能影响的研究和不同聚合物掺量对复合材料强度和吸水率影响的研究。按照试验原料配比, 将珍珠岩、水泥、粉煤灰和聚合物干粉混合均匀, 再依次加入水、稳泡剂和泡沫并搅拌均匀, 注入500 mm×300 mm×60 mm规格模具中静置成型。脱模后放入标准养护箱静养, 温度为 (23±2) ℃, 相对湿度为 (50±10) ℃。经养护、干燥后, 依据国标GB/T 5486-2008《无机硬质绝热试验方法》, 分别测定试件干密度、抗折强度、抗压强度和质量吸水率。利用SEM扫描电镜对复合材料的微观界面情况进行观察, 并探讨聚合物的作用机理。

2 试验结果与讨论

2.1 不同水灰比对复合保温材料性能的影响

按照试验方法, 改变水灰比制备试样, 并测定试样3 d、28 d的抗折、抗压强度, 其测试结果如图1所示。由图1可见, 随着水灰比的增加, 试样3 d和28 d抗折、抗压强度均呈现先增加后降低的趋势, 并在水灰比为0.45时达到最大值。这是因为水灰比较小时, 由于试样掺水量过小, 料浆稠度很高, 料浆中的水泥颗粒难以充分分散, 更难以充分包裹骨料颗粒, 当试样受力时, 试样中残存的水泥团聚颗粒处易发生应力集中, 降低了试样强度;水灰比超过0.45后, 料浆过稀, 导致料浆易于发生分层离析和泌水现象, 严重影响试样强度[5]。因此选择水灰比以0.45为最佳, 此时试样3 d抗折、抗压强度分别为0.21 MPa、0.36 MPa, 28 d抗折、抗压强度分别为0.33 MPa、0.65 MPa。

2.2 不同稳泡剂掺量对复合保温板性能的影响

稳泡剂是一类能够显著改善泡孔结构的物质, 为了改善泡孔结构, 掺入不同掺量的稳泡剂, 并测定试样的抗折、抗压强度, 其测试结果如图2所示。由图2可见, 稳泡剂掺量由0%增加至3%时, 随着稳泡剂掺量的增加, 试样的3 d和28 d抗折、抗压强度逐渐增大, 但当稳泡剂掺量超过3%后, 随着稳泡剂掺量的增加, 试样的3 d、28 d抗折、抗压增加不明显, 由此可见, 稳泡剂的最佳掺量为3%, 此时试样3 d抗折、抗压强度分别为0.27 MPa、0.47 MPa, 28 d抗折、抗压强度分别为0.43 MPa、0.81 MPa。稳泡剂掺入料浆后, 能够降低表面张力, 同时稳泡剂与发泡剂分子间会产生范德华力, 使表面膜的粘度得到提高, 从而增强液膜的机械强度。因此, 试样内部的泡孔结构得到了显著改善, 从而有效阻止试样因发生应力集中而导致力学强度降低。

2.3 不同聚合物干粉掺量对复合保温材料性能的影响

聚合物干粉掺量对复合保温材料的力学强度和质量吸水率影响如图3所示。由图3 (a) 可知, 在聚合物掺量小于1.5%范围内, 随着聚合物掺量的增加, 试样抗折强度和抗压强度呈递增趋势, 当聚合物掺量超过1.5%时, 试样抗折强度趋于稳定, 而试样抗压强度甚至开始减小。由图3 (b) 可知, 随着聚合物掺量的增加, 试样2 h和24 h吸水率均逐渐减小, 但当聚合物掺量超过1.5%后, 试样质量吸水率开始趋于稳定。从强度和吸水率来看, 聚合物掺量越多, 试样强度和吸水率并不是越理想。聚合物掺量过多, 不仅性价比不高, 而且对导热系数是不利的, 所以聚合物掺量为1.5%时最佳, 此时试样3 d抗折、抗压强度分别为0.39 MPa、0.53 MPa, 试样2 h、24 h质量吸水率分别为41.1%、43.1%, 导热系数为0.048 W/ (m·K) , 已达到相关标准要求。

从图4 (a) 可以看出, 试样内部存在大量钙矾石等水化产物, 但试样内部的水化产物存在大量明显裂纹和孔隙;从图4 (b) 可以看出, 试样内部被大量簇状的钙矾石等水化产物和聚合物膜覆盖, 且试样内部未见明显裂纹, 说明聚合物有效填充物料中孔隙, 特别是骨料与胶凝物质之间粘结紧密, 聚合物在料浆与骨料间形成具有较高粘结力的聚合物膜, 明显增强料浆-骨料界面的结合强度。随着水化反应的进行, 料浆中的聚合物填充在物料的毛细孔中, 并逐渐形成聚合物网络, 覆盖在未水化水泥颗粒、水化产物和骨料表面, 增强各结合界面结合度, 从使试样力学性能和耐水性能得到提高。

3 试验结论

当水灰比适宜时, 料浆稠度适中, 料浆可充分包裹骨料颗粒, 有效避免试样因应力集中导致的强度降低。水灰比以0.45为最佳, 此时试样3 d抗折、抗压强度分别为0.21 MPa、0.36 MPa, 28 d抗折、抗压强度分别为0.33 MPa、0.65 MPa。

稳泡剂与发泡剂分子间存在范德华力, 使表面膜的粘度得到提高, 增强液膜的机械强度, 进而改善试样内部的泡孔结构, 提高试样强度。稳泡剂的最佳掺量为3%, 此时试样3 d抗折、抗压强度分别为0.27 MPa、0.47 MPa, 28 d抗折、抗压强度分别为0.43 MPa、0.81 MPa。

随着水化反应的进行, 聚合物可填充物料中毛细孔, 并逐渐形成聚合物网络, 覆盖在物料和骨料表面, 增强各结合界面结合强度, 从使试样力学性能和耐水性能得到提高。聚合物干粉掺量为1.5%时最佳, 此时试样3 d抗折、抗压强度分别为0.39 MPa、0.53 MPa, 试样2 h、24 h质量吸水率分别为41.1%、43.1%, 导热系数为0.048 W/ (m·K) 。

摘要：通过研究不同水灰比对复合材料强度的影响, 确定水灰比最佳为0.45;通过研究不同稳泡剂掺量对复合材料力学性能的影响, 确定稳泡剂最佳掺量为3%;通过研究不同聚合物掺量对复合材料强度和吸水率的影响, 确定聚合物最佳掺量为1.5%。在此配比下, 试样3 d抗折、抗压强度分别为0.39 MPa、0.53 MPa, 试样2 h、24 h质量吸水率分别为41.1%、43.1%, 导热系数为0.048 W/ (m·K) 。同时利用SEM扫描电镜分析等测试手段, 观察试样内部微观形貌, 并探讨相关作用机理。

关键词：复合材料,聚合物,强度,吸水率,作用机理

参考文献

[1]陈兵, 张东.新型水泥基复合材料的研究与应用[J].新型建筑材料, 2000 (4) .

[2]王茹, 王培铭.聚合物改性水泥基材料性能和机理研究进展[J].材料导报, 2007 (1) .

[3]王培铭, 许绮等.桥面用丁苯乳液改性水泥砂浆的力学性能[J].建筑材料学报, 2001, 4 (1) .

[4]钱晓倩, 詹树林.聚醋酸乙烯水泥砂浆的性能及其应用[J].新型建筑材料, 2001, (4) .

聚合物改性水泥基材料 第2篇

我国水泥混凝土公路因具有得天独厚的资源优势得到了快速发展。根据交通部规划,公路建设将从2005年的1.92106 km扩大到2010年的2.30106km,并向2.74106 km的目标前进。在高等级公路中,水泥混凝土路面(高速公路和一级公路)约占25%,二级以下公路所占比例约为40%[1,2]。然而,由于水泥混凝土抗拉强度低、干缩大、易受环境条件影响等缺点,使得水泥混凝土路面出现各种类型的损坏现象,其中裂缝破损最为普遍、严重和复杂,也是水泥混凝土路面病害之一。为了保护结构物的安全,延长使用寿命,对危害性裂缝要及时进行修补处理。对于路面裂缝的修补常采用灌浆法,特别是对于非整体性破损的细窄裂缝,灌浆法尤为优越[3]。目前,常用的灌浆材料有水泥灌浆和化学灌浆两种,但存在一定弊端:水泥灌浆的可灌性受到水泥颗粒粒径的限制,一般只能灌入粗砂和较宽的混凝土裂缝,且不适用于活缝或伸缩缝的处理[4];化学灌浆一般成本较高,且有一定程度的毒性,易污染环境并危及人类的健康[5]。对于公路路面裂缝一般要求在不停止交通运营的条件下进行修复,较多的情况是白天运营,夜间修复,有的只能在运营空隙的几小时内进行修补,这就要求采取有效措施进行快速修补。因此迫切需要一种可灌性好、抗渗性能优、绿色无公害的快速修补材料。

为此,选用快硬硫铝酸盐水泥、醋酸乙烯/乙烯共聚乳液及少量混凝土外加剂配制水泥灌浆材料,通过正交试验确定聚合物改性水泥灌浆材料各组份的最佳配比,并对聚合物乳液的改性机理进行了初步探讨。

1 试验原料和方法

1.1 试验原料

水泥为石家庄企鹅特种水泥厂生产的RSAC42.5快硬硫铝酸盐水泥,其化学组成如表1所示;聚合物乳液采用塞拉尼斯(南京)多元化工有限公司生产的醋酸乙烯/乙烯共聚乳液;消泡剂为一种高效液态消泡剂,特别适用于细粒聚合物乳液,能很好地分散在乳液中;减水剂采用自行配制的复合无机类减水剂,为硫铝酸盐水泥专用;实验用水为自来水。

1.2 试验方法

1.2.1 强度测定方法

参照《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671-1999),在尺寸为40 mm40 mm160 mm试模中成型试样,标准养护至规定龄期。试验时先进行抗折强度试验,折断后的断块再进行抗压强度试验。

1.2.2 抗渗性测定方法

参照《公路工程水泥混凝土试验规程》(JTJ053-94),在尺寸为Ф70 mmФ80 mm30 mm试模中成型试样。试样标准养护28 d后脱模,利用抗渗仪测定试样的抗渗性:起始水压设为0.1 MPa,后每隔一个小时升压0.2 MPa直到1.5 MPa,在1.5 MPa下恒压5 h。所有试样均没有出现渗水现象,将试件沿纵向劈开,测其渗水高度。

1.2.3 正交试验设定方法

以聚合物乳液、减水剂、消泡剂作为三个因素,设计三因素三水平的正交试验,其中聚合物乳液、减水剂和消泡剂掺量均为水泥质量百分比,在前期试验基础上确定水灰比为0.3(水的总量为拌和用水量与聚合物乳液中所含水量之和)。按表2中配比配制灌浆材料。根据正交试验结果确定使材料达到最佳效果的上述各因素的水平,以试样28 d抗折、抗压强度和抗渗指标来考察。

2 试验结果与分析

2.1 聚合物改性水泥灌浆材料的正交试验研究

正交试验结果见表3,通过用直观分析法对每个指标分别进行计算分析,得到各因素对试验结果影响的极差值(表4)。

为便于综合分析,将考察指标随因素水平变化的情况用图形表示出来,画在图1～3中(为了看得清楚,将各点用直线连起来,实际上并不是一条直线)。

把图1～3和表4结合起来分析,看每一个因素对各指标的影响。

(1)聚合物乳液掺量对各指标的影响。对抗折强度和抗压强度来讲,考查指标是越大越好,而渗水高度则是越小越好。从表4看出,对3个指标来说,聚合物乳液掺量的极差都是最大的,也就是说聚合物乳液是影响最大的因素。从图1～3看出,在试验掺量范围内,随聚合物乳液掺量的增加,灌浆材料28 d抗折强度呈增大的趋势,28 d抗压强度逐渐减小,28 d抗渗性能出现先提高而后又降低的现象,当聚合物掺量为10%时,灌浆材料获得的综合性能最好。

(2)减水剂掺量对各指标的影响。从表4看出,对3个指标来说,减水剂掺量的极差都不是最大,也就是说,减水剂掺量不是影响最大的因素,是较次要的因素。从图1～3看出,对抗折强度和抗压强度来讲,减水剂掺量取0.7%最好;对渗水高度来讲,减水剂掺量取0.9%最好,但取0.7%也不差。对3个指标综合考虑,减水剂掺量取0.7%为好。

(3)消泡剂掺量对各指标的影响。对3个指标来说,消泡剂掺量的极差都是最小的,即消泡剂掺量是影响最小的因素。从图1～3看出,对3个指标来讲,消泡剂取0.7%为好。

综上所述,作图分析和极差分析所得的结论相近,因此根据正交试验获得的聚合物改性水泥灌浆材料的最佳配比是可信的,即醋酸乙烯/乙烯共聚乳液改性水泥灌浆材料的最佳配比为:聚合物乳液10%,减水剂0.7%,消泡剂0.7%。

由正交试验得出的最佳配比分别与基准灌浆材料(不掺醋酸乙烯/乙烯共聚乳液)的强度及抗渗性能进行对比,其中减水剂掺量和消泡剂掺量分别为水泥质量的0.7%和0.7%。试验结果见表5。

由表5可以看出:掺加10%聚合物乳液使水泥灌浆材料的抗折强度和抗渗性能都有了较明显的提高,与基准试样相比,其28 d抗折强度提高了24.20%,抗渗性能提高21.61%。但聚合物乳液的掺入提高了材料的柔性,降低了材料的抗压强度,与基准试样相比,其28 d抗压强度降低了22.50%。

2.2 聚合物乳液对水泥灌浆材料改性机理的分析

为了进一步研究聚合物乳液的改性机理,使用S-2500型电子扫描显微镜对试样的微观形貌进行观察。基准试样的SEM照片见图4,图5为掺加10%聚合物乳液的SEM照片。

在图4中可以看到,试样中存在许多大的孔隙及大量结构疏松的絮状水化产物。在图5中则不存在大的孔隙,还可以看到一层聚合物膜包裹了水泥基体(水化产物和未水化的水泥颗粒),部分水化产物(钙矾石)冲出聚合物膜,并有部分Ca(OH)2晶体镶嵌在膜和水泥基体表面。

聚合物乳液对水泥灌浆材料的改性作用主要表现在:(1)聚合物颗粒具有填充作用,能渗透并填充孔隙,提高材料的密实性,改善材料的抗渗性能,同时由于其本身较强的粘附性,能粘附周围的水化产物,在一定程度上能提高材料的抗折强度;(2)聚合物乳液在水泥水化过程中失水成膜,在水泥浆体中形成空间网状结构,增强了水泥基体抵抗裂缝扩展的能力,提高了材料的抗折强度。

根据材料复合原理,在水泥浆体中掺加聚合物乳液必然会增加材料的柔性,且随着聚合物剂量的增加,材料的柔性相应地得到提高,从而导致抗压强度的减小。

3 结论

(1)通过试验综合分析了聚合物乳液、减水剂、消泡剂对材料性能的影响,确定了聚合物改性水泥灌浆材料各组份的最佳配比:聚合物乳液10%,减水剂0.7%,消泡剂0.7%,水泥100%,水灰比0.30。

(2)掺加聚合物乳液可以改善水泥灌浆材料的性能。当聚合物乳液掺量为10%,与基准试样相比,其28 d抗折强度增加了24.20%,抗渗性能提高了21.61%,28 d抗压强度降低了22.50%。

(3)聚合物颗粒的填充作用及成膜特性提高了材料的密实性和抗折强度,有效阻断了材料内部与外界联系的通道,提高了材料的抗渗能力。同时在聚合物柔性集团的作用下,材料的抗压强度得到了降低。

参考文献

[1]唐明述.中国水泥混凝土工业发展现状与发展[J].东南大学学报(自然科学版),2006(S2):1-6.

[2]谭红霞,王昌衡.展望我国公路建设的前景[J].中外公路,2003(2):1-3.

[3]徐培利.浅谈灌浆法在混凝土裂缝处理中的应用[J].山西水利,2005(3):55-57.

[4]蒋元驹,韩素芳.混凝土工程病害与修补加固[M].北京:海洋出版社,1996.

聚合物改性水泥基材料 第3篇

植物纤维是一种数量大、可再生的资源,据估计,这些生物质中95%以上未得到有效利用,而是直接就地焚烧,造成了环境污染和资源浪费。中国每年产生的农业废弃物数以几十亿吨计,农业废弃物污染呈现出数量大、品质差、危害多的特点[1],严重影响生态环境及景观、居民的日常生活和身体的健康。而建筑材料工业是典型的资源、能源消耗型产业,在建筑材料的制备过程中水泥及建筑制品是原材料和能耗最大的行业[2],因而研究相关可替代原料,进行低能耗、低资源消耗材料制备,对节约我国建筑材料制备过程的原料具有重要的意义。植物纤维具有与普通合成纤维相似的强度与刚度,且密度小[3],因此比强度、比刚度高。纤维含量高的竹、麻、椰壳、甘蔗渣和野草等植物纤维都可用作增强件,制成增强石膏或水泥等基体的复合材料[4]。植物纤维密度小,可减轻水泥的质量,同时价格低廉,是一种可发展的水泥填充材料[5]。本实验就改性水稻秸秆纤维对水泥基材料性能的影响做了相关研究,探讨了其在水泥制品中的应用可行性。

1 原材料及设备仪器

实验中所用的水稻秸秆纤维产自武汉,其主要成分见表1;水泥为阳逻亚东42.5普通硅酸盐水泥;标准砂产自厦门艾思欧;H2O2为工业级;NaOH为国药产,化学纯;甲基甘油为上海宏敖化工生产,聚丙烯纤维长度为6mm。

实验中使用的测试仪器主要有:日本HIROX产KH-7700数字光学显微镜,镜头为MX(F)-5040Z旋转型变焦物镜,放大倍数为200,摄像头有效像素200万,扫描方式为逐行扫描,光源为60 W金属卤素灯;无锡建仪仪器有限公司TYE-300型电脑全自动恒应力水泥压力机;河北鼎盛公司产水泥净浆标准稠度仪;上海雷韵公司产水泥砂浆收缩仪,千分表精度0.001mm,最大量度12.7mm。

2 实验

将水稻秸秆剪切成20~30mm的小段,然后将其在质量分数为1%的H2O2中浸泡60min,再将秸秆清洗至中性,烘干备用。按照m(水)∶m(秸秆)∶m(NaOH)=30∶1∶0.4加入到磁力搅拌器內,设定加热温度为90 ℃,加热60min,制备细丝状秸秆纤维,过滤并收集碱液,循环使用,将其清洗至近中性,放入质量分数为5% 的甲基甘油水溶液中,在50 ℃浸泡60min,以提高秸秆纤维的分散性,滤水后待用。

在已处理好的纤维中取少许作为代表样,放入烘箱中烘干,根据前后质量的变化,计算纤维含水率,根据所需的干纤维质量计算出掺入的湿纤维的质量,加水量为浆体的总需水量减去纤维中的水的质量,以确保各组水灰比固定。

为了研究水稻秸秆纤维对水泥净浆性能的影响,采用水稻秸秆纤维与6mm聚丙烯纤维不同的掺量进行对比,具体为:水泥净浆中水、水泥的质量比为0.28,水稻秸秆纤维和聚丙烯纤维掺量分别为水泥质量的1.5%、3.0%、4.5%、6.0%。水泥砂浆中水、水泥、砂的质量比为0.4∶1∶3,水稻秸秆纤维掺量为水泥及砂总质量的1.5%、3.0%、4.5%、6.0%。在实验过程中,由于纤维掺入量较大,为了保证其能够均匀分散在浆体中,先将纤维加入到水中并搅拌,使其均匀悬浮在水中,边搅拌边加水泥,标砂。

3 结果与讨论

3.1 改性纤维在水泥净浆中的分布

水泥净浆试块的性能与纤维在水泥净浆试块中的分布特性密切相关。如果纤维不能均匀分散在水泥净浆试块中,则水泥净浆试块的最终强度会受到很大的影响,水稻秸秆纤维在水泥净浆试块中不能真正起到抗裂的作用,所以会直接导致水泥净浆试块的抗压强度、抗折强度等下降。图1为在光学显微镜下放大100倍所拍摄的图片,可见水稻秸秆纤维在净浆中的分布整体较为均匀,断裂面有纤维拔出的现象,而聚丙烯纤维在净浆中成团分布,断面处有纤维脱落,此为材料的界面缺陷,使材料强度降低。纤维断裂或拔出时,吸收断裂功,提高了水泥的韧性和强度,但随着掺量的增加,水稻秸秆纤维与水泥的粘结界面也增加,脱粘的负效应比纤维增强的正效应影响更大,复合材料的强度达到一个临界点之后就会下降[6]。水稻秸秆纤维在改性过程中,各纤维束各向分布,而聚丙烯纤维合成后成束,多为同向分布,因而改性水稻秸秆纤维各向性较好,在水泥中分布均匀,更能提高水泥的性能。

图1试块断面的纤维分布Fig.1 Distribution of fibres in cement fracture surface

3.2 对水泥净浆凝结时间的影响

图2为不同水稻秸秆纤维掺量下水泥净浆的初凝时间和终凝时间的对比。

图2掺改性水稻秸秆纤维水泥净浆的凝结时间Fig.2 Hardening time of cement slurry with modified rice straw fibres

由图2可见,经改性后的水稻秸秆纤维对水泥净浆凝结时间的影响很小。据文献报道,未改性的水稻秸秆纤维对水泥等胶凝材料具有缓凝作用,其主要原因是水稻秸秆纤维中的糖类和木质素等可在水泥颗粒表面形成吸附层,使凝胶体系中颗粒表面的性质有所改变,一些离子被交换,使吸附的双电层电位增加,颗粒之间的表面张力增加,对水泥有一定的束缚作用,从而使水泥凝胶体系的稳定性增加,水化速度降低,宏观上表现为对水泥的缓凝。而在实验中水泥的凝结时间并没有因为水稻秸秆纤维的掺入而发生明显变化,可以推断经过改性的水稻秸秆纤维中半纤维素和木质素等已经脱离得较为彻底。

3.3 对水泥净浆力学强度的影响

图3是不同掺量的水泥净浆的抗折强度、抗压强度对比图(PF-改性水稻秸秆纤维,PP-聚丙烯纤维)。从抗折强度比较图中可以看出,随着水稻秸秆纤维的加入,试块抗折强度呈先增加后减小的趋势,在改性水稻秸秆纤维掺量为4.5%时达到最大,比基准组抗折强度提高11%。

图3掺改性水稻秸秆纤维与聚丙烯纤维水泥净浆的抗折强度(a)、抗压强度(b)Fig.3 The compressive(a)and flexural(b)strength of cement slurry with modified rice fibers and polypropylene fibers

加入改性水稻秸秆纤维的水泥净浆试块较加入聚丙乙烯纤维强度高,特别是28d抗折强度较为明显,由于水稻秸秆纤维经过处理后,被分散成宽度为0.2~0.4mm的纤维束,表面并不是光滑的,有小突起,比聚丙烯纤维的表面粗糙,与水泥基的接触面增大,粘结强度也就相应比较大,在图3的PP-7d、PP-28d中有特殊点的出现,如掺量为3.0%时,掺聚丙烯纤维试件的7d抗折强度略高,这是由于纤维在水泥浆中的分散不均匀,造成强度的偏差。纤维的掺入在前期是为水泥水化产物提供“桥梁”作用[7],随着纤维量的增加,“桥梁”增多,水泥水化产物的量减少,多余的“桥梁”就会成为缺陷,使水泥抗折强度降低[6],因此,当掺量达到一定值后,水泥净浆抗折强度就会降低。

而抗压强度与抗折强度的变化规律不同,水稻秸秆纤维和聚丙烯纤维的掺入均使水泥净浆的抗压强度降低,而且随着掺入量的增加强度逐渐降低。改性水稻秸秆纤维对水泥净浆强度的降低程度比聚丙烯纤维略低,这是由于水稻秸秆纤维表面具有亲水性,且直径小,对水泥的颗粒分布影响较小,强度变化也相应较小。加入水稻秸秆纤维的抗折强度提高,抗压强度降低,其本身的韧性得到了很大的改善。

3.4 对水泥砂浆抗干缩性能的影响

水稻秸秆纤维水泥砂浆的收缩率随龄期的变化存在指数关系,前期变化激烈,后期平缓,这主要是由早期水化不充分,基体内部毛细孔水、吸附水和层间水含量较多,水分蒸发较快所致,而随着龄期的延长基体内部毛细孔水、吸附水和层间水逐渐减少,水分蒸发变慢从而基体收缩比较平缓[8]。

图4不同改性水稻秸秆纤维掺量的水泥砂浆抗干缩性能Fig.4 The dry shrinkage performance of mortar in different rice straw

由图4可以看出,改性水稻秸秆纤维的掺入显著改善了水泥砂浆的干缩性能,降低了硬化后期的干缩值,且随纤维掺量的提高,干缩值降低。28d龄期时,水稻秸秆纤维掺量为1.5%的M-1水稻秸秆纤维砂浆与参照组相比干缩率减少14%,掺量为3.0% 时减少20%,掺量为4.5% 时减少32%,掺量为6%时达到37%,这是因为水稻秸秆纤维具有良好的亲水性[9],能够蓄存纤维质量约40%的自由水,在水泥水化过程中,这部分水会缓慢释放,促进水泥水化,补偿水泥浆体的收缩,而且水稻秸秆纤维长度小、数量多、易分散,众多乱向分布的纤维可以约束砂浆的收缩。

水稻秸秆纤维砂浆和参照水泥砂浆的干缩变化率随龄期的延长而逐渐衰减,前期衰减剧烈,后期趋于平稳。这主要是由于砂浆早期水分蒸发快,干缩比较大,纤维的掺入可平衡内部复杂应力,从而有效地抑制砂浆的收缩变形[10]。水稻秸秆纤维砂浆的早期干缩变化率明显降低,说明水稻秸秆纤维可以显著改善砂浆早期干缩变形性能。在试验掺量范围内,当水稻秸秆纤维掺量低于4.5%时,掺量越大,纤维对改善砂浆早期干缩性能的效果越明显,当掺量超过4.5%时,与掺量为4.5%时的纤维砂浆相比,早期的干缩变化率基本不变,纤维对于早期干缩性能的改善作用相差不大,因此水稻秸秆纤维掺量为4.5%时较为合理。

4 结论

改性水稻秸秆纤维不仅对水泥基材料的凝结过程无影响,而且对水泥基材料具有显著的增韧效应,具体为在掺量为1.5%~6.0%时,可提高水泥基材料的抗折强度6.4%~11%,与常用的聚丙烯纤维相比,在相同掺量条件下,水泥净浆抗折强度可提高4.2%,干缩实验结果表明,改性水稻秸秆纤维可很好地提高水泥砂浆的抗干缩能力。

摘要：为了减少农作物纤维废弃造成的污染,研究了利用植物纤维制备建筑材料的工艺,首先采用碱煮法对植物纤维进行改性,然后将其分别与聚丙烯纤维按照不同的比例加入到水泥净浆中进行比较,结果表明:植物纤维在水泥净浆中的分散比加入聚丙烯纤维均匀,经过改性后的秸秆纤维对水泥凝结硬化时间无明显影响,随掺量增加,水泥净浆的抗折强度呈先增后减趋势,且在掺量为4.5%时最高,与未掺纤维的参照组相比抗折强度提高了11%,抗压强度降低了近24%。并将其掺入砂浆中,砂浆抗干缩性能得到改善,植物纤维掺量为6.0%时砂浆干燥收缩值比基准组下降了37%,在本研究掺量条件下,与加入聚丙烯纤维相比,加入秸秆纤维对水泥净浆的抗折强度和抗压强度影响较小,原因在于其分散性更好。

聚合物改性水泥基材料 第4篇

用掺纳米Ti O2光催化材料[1,2]制得的水泥砂浆,在室外太阳光或室内紫外线作用下可光催化降解NOX。其机理为:

反应副产品硝酸可在降雨过程中除去,从而达到降低大气污染的目的。

掺氮改性纳米Ti O2光催化材料[3,4,5]比未改性的纳米Ti O2的光催化效率明显提高。这类水泥砂浆可广泛应用于城市建筑物的立面、围墙和城市道路周围的地面抹面。

1 氮改性纳米Ti O2光催化材料的制备

在室温条件下,将市售P25纳米Ti O2粉体与氮盐按一定比例在球磨机中混合数小时,然后将此粉体在较高温(400~900℃)条件下保温数小时,冷却后(或再球磨)即得氮改性P25纳米Ti O2粉体。上述制备方法在不提高粉体煅烧温度的前提下使氮能均匀地掺入P25颗粒的内部,可大幅度提高Ti O2的光催化效率,光催化效率可达到原P25纳米Ti O2粉体的1.5倍左右。

2 光催化降解NOX的测试方法

光催化降解NOX的测试仪器配置见图1。

通入的气体:采用干空气和NO2标准气体的混合气体。

光催化反应器:用玻璃管(Φ60 mm500 mm用于测试纳米Ti O2粉体的光催化效率,Φ170 mm500 mm用于测试掺纳米Ti O2粉体水泥砂浆制品的光催化效率)制成的光催化反应器。在玻璃管的中部用玻璃板将玻璃管分成上下两部分,上部放试样,并通入混合气体;下部被密封,不通入混合气体。

气体流量控制器:采用美国Fathom公司的气体流量控制器,精度为1%。

光强度计:采用北师大光电仪器厂生产的光强度计,可测试365~420 nm和254~297 nm的紫外线光强度。

光源:采用Philips公司生产的模拟太阳光光源,型号为D65和D50。当型号为D65和D50模拟太阳光光源同时开启时,测得的光强度如表1所示。

试验步骤:(1)将干空气和NO2标准气体按4∶1混合,并取样测试混合气体的NO2浓度约为1.210-5。(2)将试样放入光催化反应器,当测试纳米Ti O2粉体的光催化效率时,将0.3g的粉体撒(负载)在玻璃板上,粉体面积为27 mm450 mm,试样由玻璃板带入光催化反应器;当测试掺纳米Ti O2粉体的水泥砂浆制品的光催化效率时,将2块面积为85 mm160mm的水泥砂浆制品板同时放入光催化反应器。(3)经气体流量控制器将混合气体输入光催化反应器,混合气体流量为80L/h,通气15 min(小反应器)或30 min(大反应器)后开启模拟太阳光光源。(4)经光催化反应后,同时取样测试输入和输出气体的NO2浓度。(5)根据输入气体和输出气体中NO2浓度,计算可得光催化效率[(输入气体浓度-输出气体浓度)/输入气体浓度]。

3 试验结果与讨论

3.1 掺氮改性纳米Ti O2粉体的光催化效率(见表2)

由表2可知,在未负载粉体试样时,将玻璃板放入光催化反应器,测得的光催化效率为0.4%。将0.3 g P25纳米Ti O2粉体负载在玻璃板上,并由玻璃板带入光催化反应器,测得的光催化效率为47.8%。而将0.3 g掺氮改性纳米Ti O2粉体负载在玻璃板上,并由玻璃板带入光催化反应器,测得的光催化效率为54.7%~81.0%,随制备条件中保温时间的增加而提高,掺氮改性纳米Ti O2粉体吸收效果明显。

3.2 掺氮改性纳米Ti O2粉体水泥砂浆的光催化效率

水泥:42.5级普通水泥,市售;建筑用砂:粒径小于2.5 mm;萘系减水剂,减水率约为20%,市售。未掺纳米Ti O2的水泥砂浆的组成为m(水泥)∶m(水)∶m(砂)∶m(萘系减水剂)=100∶50∶300∶0.5,纳米Ti O2按水泥质量掺入,并取代水泥用量,减水剂按固体计量。水泥砂浆的配比及试验结果见表3。

由表3可知,水泥砂浆的光催化效率随氮改性纳米Ti O2粉体掺量的增加而提高,但不是线性递增,当掺量达到10%~15%时光催化效率增加不明显,趋于饱和掺量。

3.3 掺氮改性纳米Ti O2粉体聚合物水泥砂浆的应用实例

本文所述的光催化降解NOX用的聚合物水泥砂浆,可以作为建筑物的立面和地坪抹面砂浆的面层使用;也可以限制粗砂的加入,而加入粒径小于0.63 mm的砂或不加砂,以适用于喷涂施工。

适用于喷涂施工或手工涂布用的聚合物水泥浆,其原材料为42.5级普通水泥、氮改性纳米Ti O2粉体、聚合物(市售乙烯-乙酸乙烯酯共聚乳胶粉,按固体计量)、水和减水剂,不加砂(也可不加减水剂),配合比如表4所示的B系列试样。在氮改性纳米Ti O2粉体掺量为10%的条件下测得试样B2和B3的光催化效率分别为65%和63%。

适用于喷涂施工或手工涂布用的聚合物水泥砂浆,其原材料为42.5级普通水泥、氮改性纳米Ti O2粉体、聚合物(市售乙烯-乙酸乙烯酯共聚乳胶粉,按固体计量)、水和减水剂,加入适量粒径小于0.63 mm的砂(也可不加减水剂),配合比如表4所示的C系列试样。在氮改性纳米Ti O2粉体掺量为10%的条件下测得试样C1和C2的光催化效率分别为62%和65%。

适用于建筑物的立面和地坪抹面面层用的聚合物水泥砂浆,其原材料为42.5级普通水泥、氮改性纳米Ti O2粉体、聚合物(市售乙烯-乙酸乙烯酯共聚乳胶粉,按固体计量)、水、砂和减水剂(也可不加减水剂),配合比如表4所示的D系列试样。在氮改性纳米Ti O2粉体掺量为10%的条件下测得试样D1、D2和D3的光催化效率分别为62%、64%和63%。

4 结语

氮改性纳米Ti O2粉体的光催化效率比市售P25纳米Ti O2粉体的光催化效率提高了40%,氮改性效果明显。将氮改性纳米Ti O2粉体掺入水泥砂浆,砂浆的光催化效率随氮改性纳米Ti O2粉体掺量的增加而提高,掺量为10%时,光催化效率已达到60%以上。

应用于建筑物的立面和地坪抹面砂浆的面层使用时,可采用掺氮改性纳米Ti O2光催化材料的水泥砂浆和聚合物水泥砂浆;用于喷涂施工或手工涂布作业时,采用粒径小于0.63mm的砂制成聚合物水泥砂浆,或不加砂制成聚合物水泥浆。

参考文献

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[3]周艺,钟选斌,杨波,等.Y3+掺杂ZnO/TiO2复合纳米光催化剂的研究[J].湖南师范大学自然科学学报,2008(2):87-90.

[4]冯光建,刘素文,修志亮,等.氮掺杂二氧化钛纳米粉体的制备及光催化性能的研究[J].中国粉体技术,2008(3):39-42.

聚合物改性水泥基材料 第5篇

目前,混凝土抵抗塑性开裂的性能已成为评价混凝土质量的一个重要指标,已经引起了工程界的高度重视。此外,混凝土抗冲击性能的高低是评价混凝土动态性能的一个重要方面。在要求振动阻尼高的场所和抗冲、抗爆结构中,如地震高发地区特别是强震区的建筑结构及工程设施中,对混凝土的抗冲击性能提出了更高的要求。

废旧橡胶轮胎属于固体废弃物的一种。废轮胎在土壤中不易降解,有关数据表明,轮胎100年后才能被分解,而且对土壤污染很大;轮胎焚烧发电会带来大气污染,并且对宝贵的橡胶资源是一种浪费[1,2]。国内产生的巨大数量的废旧轮胎,目前已造成很大的环境压力和负面影响。如何处理日益增加的废弃轮胎已经成为一个严重的环境问题。

将废弃轮胎加工成橡胶颗粒和精细胶粉是一种比较合理的轮胎再生处理方式,可以用于橡胶制品的再生产,从而提高产品的耐磨性能;将精细胶粉掺加到沥青混凝土中的研究和实践都表明胶粉的加入提高了沥青混凝土的抗老化性能,使路面具有抗车辙、高防滑性能和低噪声等[3];在韩国,橡胶颗粒加入混凝土中做成轨枕,使用后发现减震效果很好[4];在美国,橡胶混凝土应用到了网球场、停车场和道路的建设中,性能均表现良好。各国学者的研究结果均表明,虽然橡胶混凝土和普通混凝土相比其抗压和抗折强度相对较低,但是橡胶混凝土的破坏形态不同于普通混凝土的脆性断裂,而是呈塑性屈服破坏形态,其极限拉压应变远远大于普通混凝土。研究结果表明,混凝土中加入一定数量的橡胶颗粒后,延性和韧性得到了提高,变形能力得到增大,弹性模量得到了有效的降低。橡胶混凝土的工程性能介于普通混凝土(刚性)和沥青混凝土(柔性)之间,兼有橡胶和混凝土的特点,在路面上应用可使行车更加舒适[5~10]。张亚梅等研究了橡胶混凝土的抗冻融性能和抗渗性,结果显示在一定范围内掺加橡胶颗粒对混凝土的抗冻融性能和抗渗性的提高均有所帮助。而长期浸泡在水中或Na2SO4和Na Cl的复合盐溶液中的橡胶水泥混凝土,其力学性能变化及氯离子渗透性则与参比混凝土相当[11]。但是在浸-烘循环作用下,橡胶水泥混凝土性能劣化加剧[12]。研究和实践都表明了橡胶混凝土具备许多水泥混凝土不具备的独特优点,例如阻尼比比普通混凝土有明显提高,能有效地吸收振动能,具有减振降噪的功能。此外还有轻质、透气透水等性能。本文主要研究掺橡胶颗粒的砂浆的早期塑性收缩开裂和混凝土抗冲击性能。

1 试验原料与试验方法

1.1 试验原料

江南水泥厂产PⅡ42.5R硅酸盐水泥;粒径5~25mm连续级配的玄武岩碎石;细度模数2.6的中砂;江苏产JM-PCA型高效聚羧酸减水剂;直径为8目(2~3mm)的橡胶颗粒;进口聚乙烯醇(PVA)纤维(纤维直径18~22μm、长度6~9mm、抗拉强度1300~1400MPa、杨氏模量35~40GPa、断裂伸长率6%~8%)。

1.2 橡胶砂浆平板开裂试验

砂浆平板试验采用笠井芳夫提出的方法:选用不同配合比的橡胶砂浆进行塑性开裂对比试验,试验装置如图1所示[13]。

所用试件的尺寸为600mm600mm63mm的平面薄板,边框内设$6、间距60mm的双排栓钉,长度分别为50mm和100mm的两种栓钉间隔分布(见图1)。模具底板采用厚度为15mm的复合板,并在底板上铺一层聚乙烯薄膜,防止试件水分从底面蒸发损失。

试件浇注后立即用塑料薄膜覆盖,保持环境温度为30℃,相对湿度为60%,2h后将塑料薄膜取下,用电风扇吹表面,风速8m/s;记录试件开裂时间、裂缝数量、裂缝长度和宽度,从浇注起,记录至24h。根据24h开裂情况,计算下列三个参数:(1)裂缝的平均开裂面积;(2)单位面积的开裂裂缝数目;(3)单位面积上的总开裂面积。

橡胶砂浆配合比如表1所示。

1.3 落锤冲击试验

材料所承受的冲击荷载分爆破冲击和机械冲击两种。材料抗机械冲击的性能是在反复冲击荷载作用下,材料吸收动能的能力。目前国内外对混凝土的冲击试验尚无统一的方法,在冲击荷载的施加方式上有落球(锤)试验和摆锤试验等,而在试件的受力形式上,一般有压缩和弯曲两种。本试验采用ACI-544推荐的冲压冲击试验方法,即用落锤冲击圆板试验。落锤质量为4.5kg,自由下落高度为457mm。试件厚度为60mm,直径为150mm,试验装置如图2所示。试验结果的表征方法有:(1)经过落锤反复冲击,当试验板出现第一条裂缝时的冲击次数;(2)破坏时的冲击次数(当试件膨胀,与仪器中四块挡板的任意三块接触时的冲击次数);(3)破坏与初裂时冲击次数的差值和破坏时的冲击耗能。冲击耗能按式(1)计算:

kg/m3

注:C―水泥,S-砂,R-橡胶颗粒,PCA-聚羧酸减水剂。KB表示参比砂浆,即没有掺加橡胶颗粒;R15和R25分别表示8目橡胶颗粒按15%和25%等体积取代砂。W/C=0.39。

式中,W―冲击耗能,Nm;

Nc―破坏时冲击次数;

h―冲击锤下落高度,457mm;

g―9.81m/s2;

m―落锤质量,kg。

本试验所用混凝土配合比如表2所示。

kg/m3

注:C―水泥,S砂,G玄武岩,R橡胶颗粒,F纤维,W水,PCA聚羧酸减水剂,W/C=0.36。

2 平板开裂试验结果与分析

混凝土材料塑性裂缝的产生、扩展和分布常表现出不规则性、模糊性和非线性等特征。试验结果(照片)如图3所示。

本文使用5个参数来定量分析混凝土的开裂情况:平均开裂面积(a)、单位面积上的总开裂面积(c)、总开裂长度(L)、总裂缝数(N)、裂缝的分形维数(D)。下面为几个参数的定义及计算方法。

(1)平均开裂面积

每根裂缝的开裂面积为其宽度长度的一半,所有裂缝开裂面积的平均值即为平均开裂面积。因此,平均开裂面积“a”可按式(2)计算:

式中,Wi为第i条裂缝的最大宽度,mm;Li为第i条裂缝的长度,mm;N为所试验面积内的总开裂条数。

(2)单位面积的裂缝数目

式中,A为平板的面积0.36m2

(3)单位面积上的总开裂面积

(4)裂缝的分形维数

首先将数码照片进行处理,生成分形解析图,如图4所示。接着采用盒维数法计算出裂缝的分形维数。计算使用一系列尺寸的网格覆盖宏观裂纹,在双对数坐标下作网格数目Nb(box count)与相关网格尺寸rb(box size)的相关直线,通过该直线的斜率,求得砂浆宏观裂纹盒维数D,如图5所示[14,15],即:

试验结果包括橡胶改性砂浆塑性收缩开裂试验测量的初裂时间、总的裂缝数目(N)、平均开裂面积(a)、单位面积裂缝数(b)、单位面积上的总开裂面积(c)、裂缝分形维数(D)等,它们和抗裂等级评价均列于表3。抗裂等级评价标准采用笠井芳夫提出的评价方法。

注:KB试件和R15试件分形维数相关系数r=0.96。

从表3中可以看到,参比砂浆的初裂时间最短,3h就出现第一条裂缝;掺15%橡胶颗粒的砂浆4.5h出现第一条裂缝;而掺25%橡胶颗粒的砂浆24h内未开裂。24h试验结束时,参比砂浆共出现了8条裂缝,其中1~2mm的裂缝3条;0.5~1mm裂缝2条,小于0.5mm裂缝3条。掺15%橡胶颗粒的砂浆共出现了5条裂缝,其中0.5~1mm裂缝2条,小于0.5mm裂缝3条。

由此可见,参比砂浆抗塑性开裂性能最差,掺25%橡胶颗粒的砂浆抗塑性开裂性能最好,24h没有出现任何细小裂缝。从表3还可以看出,随着橡胶颗粒掺量的增加,初裂时间明显延长,裂缝数目明显减少,裂缝宽度减小,同时裂缝的分形维数降低。

平板开裂试验表明,橡胶颗粒对阻止砂浆的塑性开裂有显著的效果,且随着橡胶颗粒掺量的增加,抗开裂效果越明显。主要原因分析如下:

(1)橡胶颗粒弹性模量小,根据轮胎来源不同其数值在20~40MPa之间,加入砂浆后橡胶砂浆早期弹性模量降低,从而在收缩受约束时引发的弹性拉应力较低。

(2)橡胶颗粒具有较大的变形性能,从而增加了橡胶砂浆的极限拉伸率。

3 落锤冲击试验结果与分析

冲击试验按照ACI-544建议的纤维混凝土抗冲击试验方法进行。试验配合比见表2。成型后的试件置于标准养护室(养护温度为20℃±3℃,相对湿度大于95%)养护28d后进行落锤冲击试验。冲击试验过程和结果见图6所示的照片。

从图6中可以看到,素混凝土在破坏时,试件表面在铁球冲击处出现了一个约3~4mm深的浅坑;而橡胶混凝土在冲击500次后未破坏,观察试件表面发现,在落球部位有一个明显深坑,在冲击916次后破坏时,坑深约10mm,明显深于素混凝土试件;加入PVA纤维的橡胶混凝土抗冲击性能得到进一步提高,试件在冲击1306次后才破坏,冲击留下的坑深为15mm。与橡胶混凝土和素混凝土不同的是,掺PVA纤维的橡胶混凝土试件出现的第一条裂缝细小,裂缝出现后试件两部分依然“桥接”在一起,保持着整体性,而橡胶混凝土和素混凝土一旦出现裂缝,则裂缝粗大,试件一分为二,失去了整体性。

冲击试验测得相关数据统计结果如表4所示。

从表4中可以看出:

(1)掺入62kg/m3橡胶颗粒后,混凝土抗压强度显著降低,下降了34%;但混凝土出现第一条裂缝时的冲击次数明显提高,为素混凝土的6.2倍;当在橡胶混凝土中再加入1kg/m3的PVA纤维后,初裂冲击次数为素混凝土的8.3倍,为橡胶混凝土的1.3倍。

注:N1,Nc栏中,括号内数值为每组三个试件各自的冲击次数,括号外数值为三次冲击次数的平均值。N1、Nc分别为出现第一条裂缝或破坏时的冲击次数。

(2)素混凝土的破坏与初裂冲击次数差值为3次。素混凝土在出现第一条裂缝后裂缝迅速贯穿试件整个断面,破坏时的冲击次数与出现第一条裂缝时的冲击次数相差不大,表现出明显的脆性特征。加入橡胶颗粒后,△N为11;同时加入橡胶颗粒和PVA纤维时,△N为18,相比素混凝土均有很大提高,混凝土在第一条裂缝出现后仍能够继续承受相当数量的冲击,表现出较好的延性。

(3)由于橡胶颗粒和混凝土相比,其冲击波阻抗低,在冲击荷载作用下,橡胶颗粒可以产生很大的压缩变形,能卸载冲击波强度,对冲击波产生卸载稀疏作用,在这个过程中,落锤的冲击能量被消耗。此外,在混凝土内部微裂纹的发展阶段,当微裂缝尖端扩展到橡胶颗粒附近时,橡胶颗粒能够产生较大的变形,裂缝尖端的应力得到缓解,从而抑制了裂缝的扩展。

(4)本文采用的PVA纤维是高弹性模量聚乙烯醇纤维,弹性模量为35GPa,与混凝土相当,其极限抗拉强度约1300MPa,极限伸长率约6%。冲击荷载作用下,由于水泥基体的抗拉强度低,所以,首先发生开裂的是水泥基体,当水泥基体中产生微裂纹后,原先由水泥基体承受的荷载立即传递给桥接在裂纹处的PVA纤维,PVA纤维可以很快承力并抑制裂纹的扩展(RF25试件出现裂缝后仍保持相对完整性正说明了这一点)。随着冲击次数的增多,水泥基体中的裂纹增多,损伤增加,PVA纤维承受的荷载也相应增加,纤维变形增大,直至被拔出或拉断。在纤维被拉长及被拔出的过程中将消耗大量的冲击能量。

(5)当橡胶颗粒和PVA纤维混掺到混凝土中后,不仅橡胶颗粒因其优异的变形能力可以耗散大量的冲击能,同时,高弹性模量PVA纤维的高抗拉强度和高极限伸长率可进一步抑制裂纹的发展,并通过纤维自身的变形和拔出而耗散冲击能。因此,通过掺加橡胶颗粒和PVA纤维共同改性的混凝土具有最佳的抗冲击性能。

4 结论

(1)砂浆中加入橡胶颗粒能够有效地抑制砂浆的塑性收缩开裂。橡胶取代砂体积25%的砂浆,在平板试验条件下经24h没有发生塑性收缩开裂。采用分形理论分析评价橡胶砂浆塑性裂缝的分布特征是有效的,它可以对裂缝的复杂程度进行量化的精细描述。分形维数越高,开裂程度愈大,裂缝复杂程度愈高。

(2)在混凝土中掺入橡胶颗粒可以显著提高混凝土的抗冲击性能,掺25%(代砂体积率)橡胶颗粒混凝土在落锤试验中的抗冲击能力为素混凝土的6.2倍。

聚合物改性水泥砂浆力学性能的研究 第6篇

1 试验原材料及试验方法

1.1 试验原材料

1) 水泥为42.5号普通硅酸盐水泥;2) 砂子为中细砂;3) A类组分:环氧树脂乳液, 固含量为60%;B类组分:环氧树脂乳液改性剂, 分为两种, 一种为掺Ⅰ型固化剂, 另一种为掺Ⅱ型固化剂; (均为自配) ;4) 自来水。

1.2 试验方法

1) 控制相同的水灰比为0.4, 保证水泥浆体具有相似的水化程度;控制相同的流动度为 (170±50) mm, 使砂浆之间具有相似的工作性能, 并更接近于实际应用;2) 材料掺加顺序见图1;3) 养护条件:25 ℃, 50%相对湿度;4) 强度试验采用40 mm×40 mm×160 mm的三联模, 测试方法按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》测定抗折、抗压强度。

2 试验结果及讨论

2.1 控制水灰比为0.4, 掺加不同掺量的聚合物水泥改性砂浆

按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》, 实测抗折、抗压强度值如表1, 表2所示。

由表1, 表2可以看出掺Ⅰ型固化剂聚合物水泥砂浆性能较差, 抗折、抗压强度均低于基准砂浆 (未掺聚合物的水泥砂浆) , 因此只对掺Ⅱ型固化剂聚合物水泥砂浆进行分析。

2.1.1 不同聚合物掺量对抗折强度的影响

从表2和图2中看出, 聚合物改性水泥砂浆3个龄期的抗折强度值均高于基准砂浆 (未掺聚合物的水泥砂浆) , 其中3 d, 7 d的强度高出60%, 28 d的强度高出一倍之多。掺量为12%时, 3 d, 7 d的抗折强度最高, 掺量为16%时, 28 d强度最高。由此可以看出, 添加聚合物的水泥砂浆的抗折强度得到了明显的提高, 并且随着龄期的增长不断增大。这是由于水泥水化的进行, 水乳环氧树脂中的水分逐渐失去, 聚合物颗粒对水泥水化产物及集料之间的较大粘结力和对浆体孔隙的填充作用, 增加了浆体的密实度, 使得抗折强度大幅度提高;另一方面, 乳液的引气作用导致过多气泡, 改变了孔隙结构, 影响了抗折强度, 因此出现了波动。

2.1.2 不同聚合物掺量对抗压强度的影响

从表2和图3中可以看出, 掺加聚合物的水泥砂浆3个龄期的抗压强度均低于基准砂浆 (未掺聚合物的水泥砂浆) , 起先随着聚合物掺加量的增加, 抗压强度不断下降, 后来又随着聚合物掺量的增加呈现上升趋势, 逐渐接近于基准砂浆的抗压强度, 达到基准砂浆的90%左右。这是由于聚合物的自身弹性模量比水泥石低, 当复合体受压时起不到刚性支撑作用, 因此相同水灰比时改性砂浆的抗压强度比基准砂浆的强度要低, 但由于在该试验的养护条件下, 乳液中水挥发, 聚合物颗粒进一步凝结, 形成较高强度和粘结力的膜, 因此抗压强度随着龄期的增长仍有一定程度的增大。

另外, 从表3中可以明显地看出, 掺加了聚合物的水泥砂浆的压折比大大降低, 改善了水泥砂浆的柔性。

2.2 控制流动度为 (170±50) mm的不同掺量聚合物水泥砂浆

由于掺Ⅰ型固化剂的聚合物水泥砂浆实验表明此种聚合物改性效果不佳, 因此, 本次实验仅研究掺Ⅱ型固化剂聚合物水泥砂浆, 且只通过7d强度来初步研究不同聚合物掺加量对水泥砂浆抗压、抗折强度的影响。

从表4中可以看出, 所有聚合物水泥砂浆的抗折、抗压强度都高于基准水泥砂浆, 压折比都低于基准水泥砂浆。其中, 掺量为12%时砂浆的抗折强度最高, 且抗压强度也超过了基准砂浆, 压折比却低于基准水泥砂浆, 证明环氧掺量为12%时的水泥砂浆的柔度得到较好的改善。

3 结语

1) 控制相同的水灰比时, 聚合物水泥砂浆的抗折强度均高于基准砂浆, 但抗压强度低于基准砂浆;2) 控制相同的流动度时, 聚合物水泥砂浆的抗折、抗压强度均高于基准砂浆, 且聚合物掺量为12%时为最佳值, 因其与实际应用有较为相似的工作性能, 所以环氧掺量取12%比较合适;3) 添加聚合物后, 水泥砂浆的压折比降低很多, 获得了良好的柔性;4) 聚合物改性水泥砂浆是在25℃, 50%相对湿度的条件下养护, 与在空气中养护条件类似, 因此施工较为简便, 能够在常温条件下获得较优异的力学性能。

摘要：研究了两种控制方式 (控制水灰比为0.4和控制流动度为 (170±50) mm) 下, 不同聚合物掺量对水泥砂浆的力学性能影响, 以及不同龄期的聚合物水泥砂浆力学性能, 研究表明, 聚合物改性水泥砂浆具有较好的抗折强度和抗压强度, 较低的压折比。

关键词：聚合物水泥砂浆,力学性能,抗压强度,抗折强度

参考文献

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聚合物改性水泥砂浆耐久性研究进展 第7篇

聚合物水泥砂浆是以有机聚合物作为水泥砂浆的组成材料制备而成的, 聚合物的加入大大提高水泥砂浆的性能, 与普通水泥砂浆相比, 具有较小的弹性模量、较好的力学性能、优异的抗渗性能、抗生物酸侵蚀性、抗化学腐蚀性等特点, 被广泛应用在建筑、交通、水利和化工等领域[1,2,3,4,5,6,7]。

近年来, 聚合物改性水泥砂浆的研究和应用在不断地发展和变化, 其良好的性能引起了广泛关注。国内外学者对聚合物水泥砂浆开展了较为广泛的研究, 研究内容涉及到基本静力性能、动力性能、耐久性能等多个方面, 以期探索和明确聚合物水泥砂浆优缺点, 寻求应用途径, 但由于不同特性高分子的聚合物对水泥砂浆的改性效果存在一定的差异, 并不是所有聚合物有利于水泥砂浆的改性, 如丙烯酸酯、氯偏乳液在水泥砂浆会发生降解[8,9], 具有羟基是极性基团的聚合物具有吸湿作用, 会延缓其水化进程[10]等缺陷。加之聚合物价格高掺量多使其造价昂贵, 很大程度限制了其推广应用[11]。因此, 总结最新研究成果及探讨其改性方法对新材料的应用开发具有重要意义。本文重点介绍了国内外聚合物改性砂浆的抗冻性、抗渗性、抗碳化性、抗氯离子渗透性、抗酸碱腐蚀性等方面研究的最新动态。

2 抗冻性

吴韶亮[12]等以TD-08型聚合物乳液掺入到水泥乳化沥青砂浆中, 研究了聚合物对水泥乳化沥青砂浆抗冻性的变化。结果表明:随着聚合物乳液掺量的增大, 300次冻融循环后砂浆的相对动弹模量逐渐增大、质量损失率逐渐降低、砂浆的吸水率明显降低, 吸水率的降低有利于水泥乳化沥青砂浆抗冻性能的改善;掺量超过15%后, 掺量的继续增大对砂浆的抗冻性改善幅度降低, 砂浆初期抗压强度明显降低。

滕朝晖[13]等研究了可再分散性乳胶粉 (SWF) 掺量对砂浆抗冻融能力等影响。并探讨了SWF的作用机理。结果表明:随着SWF掺量的增加, 改性砂浆的抗冻融能力逐渐提高, SWF具有一定的引气作用, 可明显改善水泥砂浆的孔隙结构, 在水泥等用量不变的情况下, 可以弥补部分因引气作用而导致的强度损失。随着SWF掺量的增加总孔隙率也随之提高, 机理主要是闭孔结构的、互不相连的微小细孔使改性砂浆的抗冻融能力明显提高。

3 抗渗性

王兴培[14]等通过水性环氧树脂和水性环氧树脂固化剂加入水泥砂浆中制得新型改性水泥砂浆修复材料。测试了聚灰比为30%的水性环氧改性水泥砂浆的抗渗性。结果表明:水性环氧改性水泥砂浆的工作性能和力学性能最佳, 普通水泥砂浆的抗渗等级为P6, 改性水泥砂浆的抗渗等级为P10, 改性水泥砂浆比普通水泥砂浆的抗渗性提高了40%。

张水[15]等采用掺加苯丙乳液和聚丙烯纤维对水泥砂浆进行改性, 研究了苯丙乳液和聚丙烯纤维对水泥砂浆抗渗性的影响。结果表明:单掺10%苯丙乳液与单掺聚丙烯纤维相比水泥砂浆抗渗压力的增幅达到了100.0%。当掺加0.6kg/m3聚丙烯纤维和10%苯丙乳液时, 试样的抗渗压力值高达1.0MPa, 为基准水泥砂浆试样的5.0倍、掺10%苯丙乳液的水泥砂浆试样的2.5倍、掺0.6kg/m3聚丙烯纤维的水泥砂浆试样的3.3倍。聚丙烯纤维和苯丙乳液在水泥砂浆中的复合效应显著提高了水泥砂浆的抗渗性能。

刘广烽[16]等以苯乙烯 (St) 和丙烯酸丁酯 (BA) 为主要原料, 掺量为3%、3.5%的乳化剂十二烷基硫酸钠, 采用半连续预乳化法合成苯丙乳液, 再与硫铝酸盐水泥复合制备了聚合物硫铝酸盐水泥砂浆, 研究了聚灰比P/C对聚合物硫铝酸盐水泥砂浆抗渗性的影响。结果表明:乳化剂掺量为3%的聚合物硫铝酸盐水泥砂浆抗渗性能优于3.5%的, 当乳化剂掺量为3%、P/C=7.5%时, 抗渗性存在最优值, 渗水高度仅为10.3mm。随着聚灰比的提高, 水泥砂浆的抗渗性逐渐提高;当P/C=7.5%时, 抗渗性达到最好;P/C≥10%时, 会出现全渗现象。

赵帅[17]等通过在聚丙烯纤维增强砂浆中掺加一定量的POLYWELL BP-281型聚合物乳液, 来改善纤维与砂浆基体的界面结合, 以提高砂浆性能抗渗性能。结果表明:含量10%聚合物乳液掺入含量1%聚丙烯纤维水泥砂浆中, 相对渗透系数为1.685, 相比普通水泥砂浆下降了51.82%;抗渗性能最好。含量为5%和10%聚合物乳液分别掺入含量1%聚丙烯纤维的砂浆试样与未加入聚合物乳液的纤维水泥砂浆相比下降了15.06%和45.77%。含量为5%和10%聚合物乳液分别掺入含量2%聚丙烯纤维的砂浆试样与未加入聚合物乳液的纤维水泥砂浆相比下降了12.50%和38.46%。适量的聚丙烯纤维和聚合物乳液的加入可以进一步提高砂浆试样的抗渗性能。

4 抗碳化性

章凯[18]等研究了不同掺量的环氧树脂乳液对水泥砂浆的碳化深度随碳化龄期的变化情况。结果表明:聚灰比越大, 碳化深度越小。聚灰比为6%、灰砂比为1:2.5的水泥砂浆的3、7、21d和28d的碳化深度分别为空白水泥砂浆的80.6%、60.0%、65.1%和72.3%;灰砂比越大, 碳化深度也越小。聚灰比为8%、灰砂比为1:2的砂浆试件的碳化深度明显小于同聚灰比的灰砂比为1:2.5的试样。

刘大智[19]等研究了醋酸乙烯一乙烯共聚乳液 (EVA) 掺量对水泥砂浆的抗碳化性能研究。结果表明:EVA掺入水泥砂浆中, 其抗碳化性能提高, 随掺量的增加水泥砂浆抗碳化性能逐步提高, 在聚灰比0~15%范围内聚合物掺量越大则在水泥砂浆中硬化后形成相互交织的网状胶膜结构越完善, 水泥砂浆结构的密实度更好, 其抗碳化性能提高。掺入纳米级Si02在聚合物水泥砂浆中, 其抗碳化性能相对较差, 但远优于普通水泥砂浆。

5 抗氯离子渗透性

何如[20]等采用NEL法研究了不同掺量的苯丙聚合物乳液、丁苯乳液、VAE聚合物乳液、丙烯酸脂聚合物乳液对水泥砂浆抗氯离子渗透性能的影响。结果表明:掺加20%聚灰比的丁苯乳液改性水泥砂浆的28d氯离子渗透系数为29.810-14, 与空白试样相比下降幅度达75%;苯丙乳液、VAE乳液、丙烯酸酯乳液, 水泥砂浆的氯离子渗透系数相比空白试样分别降低了69%、27%、42%, 其渗透性达到了IV级标准。

周志刚[21]等采用12.5%的苯丙交联型丙烯酸乳液掺入水泥砂浆中, 以测定其氯离子扩散系数, 研究聚合物对水泥砂浆抗氯离子渗性能的影响, 结果显示:掺入丙烯酸乳液的聚合物水泥砂浆的氯离子扩散系数明显低于普通水泥砂浆, 氯离子扩散系数与普通水泥砂浆相比平均降低幅度达70%, 聚合物的加入显著改善水泥砂浆的抗氯离子渗透性能。

兰明章[22]等采用电通量法和NEL法研究了不同掺量的聚合物干粉:聚丙烯酸酯乳胶粉 (A) 、醋酸乙烯-乙烯共聚胶粉 (B) 、羟乙基甲基纤维素醚 (C) 对水泥砂浆抗氯离子渗透性能的影响。结果表明:聚合物干粉A、B、C均能够一定程度的改善水泥砂浆抗氯离子侵蚀能力。在聚合物干粉B掺量不变的情况下, 随聚合物干粉C掺量的增加, 电通量和氯离子扩散系数总体下降, 最低分别可达1035C和6.69710-13m2/s。在聚合物干粉C掺量不变情况下, 随聚合物干粉A、B掺量的增加, 电通量和氯离子扩散系数也随之降低, 最低分别可达1036C、980C和6.81710-13m2/s、5.95910-13m2/s。

6 抗酸碱腐蚀性

张晏清[23]通过试验研究了掺入苯丙乳液聚合物水泥砂浆经不同浓度盐酸、硫酸、醋酸腐蚀后的性能与微观形貌。结果表明:经盐酸、硫酸溶液腐蚀后, 试件的质量、强度损失率较大;随着酸溶液浓度的增大, 试件的强度损失率增大;醋酸溶液浓度对试件的质量损失率影响较小。掺入聚合物乳液对改善水泥砂浆试件的耐盐酸腐蚀性能较为明显, 而对耐硫酸、醋酸腐蚀的改性效果较差。改性机理在于苯丙乳液的加入使水泥水化产物体系中形成高分子聚合物膜, 与水泥水化产物互相穿插, 提高了水泥砂浆的强度, 减少了固体颗粒的剥蚀性, 从而改善水泥砂浆的耐酸腐蚀性能。

黄从运[24]等采用静浆裹砂工艺分别将丁苯胶乳 (SBR) 和醋酸乙烯醋一乙烯共聚乳液 (VAE) 作为聚合物添加到水泥砂浆中, 研究了在常温的3.5%Na2SO4溶液和低温10℃以下的3.5%Mg2SO4溶液的侵蚀下聚合物水泥砂浆的抗硫酸盐腐蚀性能的影响。结果显示:在Na2SO4溶液的浸泡下, 180d时试块表面无腐蚀破坏的迹象;SBR改性砂浆的抗折强度随着腐蚀时间的增加而降低;VAE改性砂浆的抗折强度在聚灰比为8%、12%、16%随着腐蚀时间的增加而降低;VAE改性砂浆的抗Na2SO4腐蚀性能明显优于SBR改性砂浆。在低温Mg2SO4溶液的浸泡下, 180d时SBR改性砂浆聚灰比为12%、16%、20%的试块表面出现疏松、边脚脱落、开裂现象, 且随着聚灰比增大腐蚀破坏现象越显著;VAE改性砂浆无腐蚀破坏迹象。VAE改性砂浆的抗折抗蚀系数KP和抗压抗蚀系数KC的最大值分别为1.37和1.19, 其余均大于1, 具有良好的低温下抗Mg2SO4腐蚀能力。SBR改性砂浆的抗折抗蚀系数KP均大于0.6, 在聚灰比P/C为4%时可得到最高为1.39;抗压抗蚀系数KC随聚灰比P/C增大而减小, 在聚灰比P/C为4%时可得到最高为1.53, SBR改性砂浆抗Mg2SO4低温下腐蚀的性能随聚灰比的增大而降低, 具有较差低温下抗Mg2SO4腐蚀能力。

李祝龙[25]等采用SD622S羧基丁苯和丁苯5050乳液掺入水泥砂浆中制得聚合物水泥砂浆, 并研究了在2%HCl溶液, 5%H2SO4溶液和5%CH3COOH溶液对养护28d的试样浸泡60d的抗压强度试验, 以浸泡后抗压强度损失百分率作为耐腐蚀性能指标。结果表明:SD622S羧基丁苯和丁苯5050乳液的掺入, 均降低了水泥砂浆的浸泡后抗压强度损失百分率, 提高了耐腐蚀性能, 且随着聚灰比的增加, 浸泡后抗压强度损失百分率降低的幅度增大。

7 结语

目前, 聚合物改性水泥砂浆在一定程度改善了水泥砂浆的耐久性, 为了得到所要改善的效果, 应有目的地选择聚合物改性剂、改性方法, 且渴望通过不同的工艺发现新的制备方法;虽然聚合物改性水泥砂浆通过不同的工艺得到优良的耐久性, 在混凝土结构修补、隧道及给排水设施的防水等修补工程作为修补材料得到广泛的应用, 但聚合物在改性水泥砂浆的综合性能方面显示出其不足、改性机理方面的研究不够完善, 为了满足现代工业要求, 在聚合物改性水泥砂浆方面期待能够研究出具有优越的综合性能、有利于生态环保型、降低成本经济型的聚合物水泥砂浆, 以扩大其应用领域。

摘要：综述了近几年国内外聚合物改性水泥砂浆耐久性的研究进展, 重点介绍了聚合物对水泥砂浆抗冻性、抗渗性、抗碳化性、抗氯离子渗透性、抗酸碱腐蚀性等方面的性能研究, 并对聚合物改性水泥砂浆的发展趋势及应用前景作了展望。