摘 要 通過試驗探討了羧基丁苯聚合物改性混凝土的強度、韌性及內部孔隙結構。結果表明:聚合物改性混凝土的力學性能較好;孔隙分布分析表明:羧基丁苯聚合物在混凝土中交織成網狀膠膜,是混凝土的內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的提高。
關鍵詞 聚合物乳液 改性混凝土 強度 孔隙
1 前言
水泥混凝土的發展歷史雖然只有100多年,但如今已成為世界范圍內應用最廣、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,使其應用受到很多限制。隨著科學技術的發展和現代化建設的逐步深入,針對混凝土的性能提出了更高的要求。人們一直在尋找對普通水泥混凝土進行改良的途徑,諸如改善水泥的性質、添加纖維材料、添加外加劑等。對混凝土基本力學特性的改善,特別是降低混凝土的剛性、提高韌性、降低壓折強度比的措施之一就是采用高分子聚合物對混凝土進行改性。摻入聚合物后可以在混凝土內部形成空間網狀結構,并使其微觀結構發生變化,從而提高水泥混凝土的柔韌性,增強水泥混凝土的抗裂性及抵抗裂紋擴展的能力。
聚合物混凝土是指在水泥混和時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合材料,其確切的名稱為聚合物改性水泥基復合材料( 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硬化過程中脫水,在混凝土中形成致密結構的空間網狀結構,并可能影響水泥的水化過程及水泥混凝土的結晶結構,從而對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成的。因此,聚合物應滿足下列要求: 聚合物分散體應對從水泥中析出的Ca2 + ,Al3 +等陽離子的侵蝕,具有化學穩定性和對攪拌時產生剪應力等作用具有力學穩定性。聚合物分散體內所含乳化劑和穩定劑等表面活性劑、消泡劑等均不得妨礙水泥的水化硬化。聚合物應具有良好的抗滲性、耐堿性、強度等。
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。本次試驗采用42. 5級硅酸鹽水泥,采用細度模數為3. 2的機制粗砂,采用連續級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公司生產的羧基丁苯( SD622S)乳液,固體含量為47% ,助劑選用有機硅油和磷酸三丁酯消泡劑。
2. 2 聚合物改性機理概述
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,聚合物乳液顆粒會相當均勻地分散在水泥混凝土體系中。形成水泥基的復合材料。隨著水泥的水化,體系中的水不斷地被水化水泥所結合,乳液中的聚合物顆粒會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構。Ohama給出了這種結構形成過程的模型,并把這一結構形成過程分為三個階段[ 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 達到飽和狀態,同時聚合物顆粒沉積在水泥凝膠(凝膠內包含未水化水泥)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形成一層硅酸鈣凝膠的過程。
(2)其次隨著結構體系中的水減少和水泥凝膠結構的發展,聚合物逐漸被限制在毛細孔隙中。隨著水化的進一步進行,聚合物顆粒絮凝在一起,水化凝膠的表面形成聚合物封層,同時聚合物封層也粘結了骨料顆粒的表面及水泥水化凝膠與水泥顆粒混合物的表面,因此可以認為混合物中的較大孔隙被有粘結性的聚合物填充。水泥漿體中孔隙的尺寸在零點幾個納米到幾百個納米之間,而聚合物顆粒尺寸一般在50nm～500nm之間,故這種認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構的化學結合水中去,最終聚合物顆粒聯結在一起形成的交聯的空間網狀結構。這種空間網狀結構把水泥水化產物聯結在一起,改善了水泥石的結構形態。
所以高分子聚合物對水泥混凝土的改性機理大致可歸納為: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力。聚合物的膠凝作用增大了砂漿的強度,使混凝土只有在砂漿破壞和連續出現微裂紋后才會遭到壓縮破壞。在混凝土中的聚合物與水泥凝膠形成了相互貫穿的網絡,有利于應力的分散和轉移,阻止和減弱了裂紋的增長。水灰比的減少和聚合物形成的保護層大大降低了結構中孔隙率,減少了材料的吸水性,提高了材料抗滲性和耐腐蝕性。
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配合比的基礎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現,羧基丁苯聚合物改性混凝土的流動性、粘聚性、保水性均得到改善,其泌水及離析現象也得到了抑制。
Ohama提出了計算乳液改性混凝土和砂漿的抗壓強度的公式[ 3 ] 。對乳液改性砂漿有:
logσc = (A /Bβ) +C
對乳液改性混凝土有:σc = aα + b
式中:σc 為抗壓強度;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是經驗常數。
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,分別養護至7d和28d并測定其抗壓強度和抗折強度。表1為最后的強度結果(水灰比在計算時包含了羧基丁苯乳液的含水量) 。
并使用壓汞儀測定混凝土砂漿的孔隙率如圖2所示。
2. 4 性能分析
由以上試驗結果可知,摻加了15%羧基丁苯乳液的混凝土無論是7d和28d的抗折強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,可以看到試件的抗壓強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,從這個意義上說聚合物的摻加增強了混凝土材料的韌性。
根據壓汞試驗的結果,可以看出聚合物的使用對于混凝土內部孔隙結構的改變是比較顯著的。10nm～100nm這個級別的孔隙的數量有所增加,而500nm以上的孔隙數量有了不同程度的減少,總孔隙量也有減少的趨勢。這樣就改善了改性混凝土內部孔隙結構的分布,使得混凝土的抗滲性能和抗氯離子損害的能力有了適當的提高。
羧基丁苯聚合物改善混凝土性能的作用機理為: ①聚合物的空間三維連續網狀結構從而增強水泥漿體基體的抗折強度,抵抗了裂紋擴展。②聚合物中大量的表面活性物質增強了混凝土拌和物集料表面的濕潤作用,改善了集料與基體之間的粘結能力,從而有效地防止了微裂縫的起裂與擴展。③聚合物與水泥漿體中的離子之間能夠發生一定程度的化學反應,從而增強了聚合物與水泥之間的結合,提高了抗折強度。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程度得到提高。
3 結論
(1)羧基丁苯乳液改性混凝土能夠增大混凝土的抗折強度,在抗壓強度適當減小的同時降低了壓折比,使混凝土的韌性得到了增強。
(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
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