聚合物对砂浆性能的影响研究

聚合物对砂浆性能的影响研究王政李家和董淑惠吴敬龙（哈尔滨工业大学材料科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001）【摘要】本文研究了两种聚合物对砂浆强度的影响，测试了砂浆的干燥收缩。采用环形约束装置测定砂浆的开裂情况，用开裂总权值W表征了砂浆收缩开裂程度情况，应用裂缝控制率K表征了聚合物对砂浆开裂性能改善程度，通过SEM研究了聚合物砂浆的微观结构。试验结果表明：砂浆中掺入羟丙基甲基纤维素，其抗压和抗折强度均下降，但砂浆的折压比增加。砂浆中掺入可再分散胶粉（2350）和可再分散胶粉，其抗折强度提高较大，折压比大幅度提高。掺两种聚合物的砂浆的干燥收缩均比未掺的沙降低。在约束条件下，掺聚合物砂浆的开裂时间较未的砂浆有较大的延长﹑裂缝数量及裂缝最大宽度﹑开裂总权值均下降，裂缝控制率K明显提高。本文采用的两种聚合物具有很好的阻裂作用。【关键词】砂浆；聚合物；开裂；阻裂1前言普通砂浆的干缩变形往往很大，在承受荷载或温度条件变化时，容易产生变形和裂缝。正是由于这些不利因素，普通砂浆的应用往往只限于建筑物的砌筑、抹面和勾缝等方面。就抹灰砂浆而言，如果使用不当，墙面会在施工三、四个月后发生空鼓、开裂、脱落等现象，严重影响建筑物的质量和使用功能，而这一现象的产生与砂浆收缩率过大有着直接的关系[1]。砂浆在凝结硬化过程中会由于失水而出现干燥收缩现象，当这种收缩受到基体约束时，砂浆内部就会产生收缩应力，一旦这种收缩应力超过砂浆的抗拉强度，砂浆就会出现裂纹。而砂浆渗水的基本原因，就是砂浆体内存在孔隙和裂缝。砂浆的开裂是建筑工程中非常普遍的现象。裂缝的发生和扩展，将会引起结构物墙体渗漏和粉刷层脱落，进而导致内层混凝土或砌体的碳化侵蚀，使后期结构物的整体强度降低，危害建筑物的使用寿命，严重的将会引起建筑物使用功能丧失。裂缝是破坏建筑物的危险先兆。因此，开发出一种具有明显阻裂作用的砂浆这项工作在当前的建材研发领域中显得尤为重要。目前建筑领域对于具有低收缩、阻裂性强的高性能砂浆材料的需求却日渐增长，因此，开发和研究工作就十分的迫切且具深远的意义。通过聚合物以及纤维等阻裂材料来改善砂浆的物理力学、收缩等性能，以达到防止开裂的目的[2]。本文研究了两种聚合物对砂浆强度及干燥收缩的影响，采用环形约束装置测定砂浆的开裂情况，用开裂总权值W表征砂浆收缩开裂程度情况，采用裂缝控制率K表征阻了裂材料对砂浆开裂性能改善程度，通过SEM研究了聚合物砂浆的微观结构。这些研究对于提高砂浆的抗裂性具有一定的作用。2砂浆开裂性能测试及评价考察砂浆的抗裂性能，不仅需要考虑收缩的增长，应力的发展也很重要。因此，试件必须在约1束状态下进行试验，才能准确模拟工程中的实际情况。约束收缩试验一般观测给定时间内材料的开裂情况，包括平板式、单轴型和环形约束收缩试验方法。本研究采用自行设计的环形约束试验装置，通过观察试件的裂缝情况，来直接评价砂浆的收缩开裂趋势。试件为圆环状，内部钢环同时给环形试件提供径向和切向的约束，使其不能自由收缩，并可以检测试件在不同条件下的开裂行为。环形约束收缩试验可以通过开裂时间反映硬化水泥砂浆的抗裂性能[3,4]。试件在成型后24h±2h拆去外模，保留起到约束作用的内模，然后用风速为0.6m/s的风扇两边对吹，以加速试件开裂。采用25倍读数显微镜观察裂缝情况，裂缝出现以前，每隔6h测量一次，其后每隔1d测量一次，直到28d，记录初始开裂时间，测量并记录裂缝的长度、宽度发展情况。开裂性能试验试件成型方式如图1所示，试件尺寸如图2所示。图1试件成型示意图图2试件尺寸示意图对于开裂性能的评价，本文采用了PaulP.Kraai等关于水泥砂浆/混凝土塑性收缩裂缝试验方法[5]，该方法主要采用裂缝面积(裂缝的权值宽度×相应的长度)和最大裂缝宽度作为开裂的评价指标。并辅助以裂缝出现的时间、裂缝的长度等指标进行评定。对于不同宽度裂缝赋予权值，见表1。按裂缝宽度分段测量裂缝长度l，将开裂面积定义为裂缝宽度与长度的乘积，开裂总权值为各段面积的总和，按下式计算：iilAW∑⋅=式中W——开裂总权值；2Ai——不同宽度裂缝权值；li——不同裂缝宽度下的裂缝长度。表1裂缝宽度权值表裂缝宽度d(×10-2mm)d≤11＜d≤22＜d≤3……10＜d≤1111＜d≤12权值Ai123……1112同时，本文考虑到聚合物对砂浆抗裂行能的改善，用裂缝控制率来评价聚合物对砂浆抗裂性的改善程度。裂缝控制率可以由下式计算。%100)1(0×−=WWK式中K——裂缝控制率(%)；W——改性后砂浆的开裂总权值；W0——基准砂浆的开裂总权值。采用开裂总权值W表征砂浆收缩开裂程度发展情况，用裂缝控制率K来表征对聚合物砂浆开裂性能改善的程度。3原材料及试验配合比3.1水泥本研究采用水泥为哈尔滨水泥厂生产的天鹅牌P·O32.5型普通硅酸盐水泥。3.2砂所用砂为中砂，细度模数为2.54。3.3聚合物及消泡剂聚合物采用羟丙基甲基纤维素(HPMC)，试验中HPMC掺量为水泥用量的0.05%；可再分散胶粉（2350），掺量为水泥用量的0.05%。考虑到聚合物的加入可能会在砂浆中引入一定量的气泡，过多的气泡会影响到砂浆的强度，因此，掺入选用磷酸三丁酯作为消泡剂，掺量为水泥用量的0.03%。在试验中固定灰砂比为1:2，以稠度7cm±0.5cm标准来控制用水量。为加速试件开裂，裂缝试验中采用粒径为2.5mm以下的细砂，砂浆的配合比见表2。3表2砂浆配合比/kg/m3编号水泥砂HPMC胶粉（2350）消泡剂水灰比稠度/cmA7001400---0.466.9E70014000.35-0.210.507.3G7001400-0.350.210.417.14试验结果及分析4.1砂浆的强度表3结果表明：砂浆中掺入羟丙基甲基纤维素(HPMC)0.05%后，其各龄期的抗压强度和抗折强度都降低，但HPMC却使砂浆的折压比提高；砂浆中掺入可再分散胶粉（2350）0.05%后，其各龄期抗压强度和抗折强度均提高，但抗折强度提高幅度较大，3天抗折强度提高了33%，28天提高11%。砂浆中掺入羟丙基甲基纤维素和可再分散胶粉后，砂浆的折压比均比未掺聚合物的砂浆大，尤其是可再分散胶粉对砂浆折压比的提高作用更大。表3砂浆的力学性能抗折强度/MPa抗压强度/MPa折压比编号3d7d28d3d7d28d3d7d28dA3.34.87.113.925.237.20.2350.1900.186E3.04.56.512.323.134.20.2440.1950.190G4.45.77.914.127.239.60.3120.2100.2004.2砂浆试件的收缩本文采用比长仪测定硬化砂浆的收缩值，操作方法及试验结果处理参照JC/T603─1995《中华人民共和国建材行业标准水泥胶砂干缩试验方法》。砂浆试件的收缩见表4。表4砂浆的收缩率收缩率/×10-6m/m编号14d21d28d42d56d90dA5936666937739261174E582635693733811953G5806276797128069434（1）三种砂浆的收缩都是随着龄期的增加而增大的，其中普通砂浆增大的速度最快。(2)聚合物砂浆的早期收缩均小于普通砂浆的早期收缩，但差别并不是很大。这是因为砂浆中掺加的聚合物具有一定的保水作用，在水化初期可以减少砂浆的收缩。(3)聚合物改性砂浆的后期的收缩值比普通砂浆的收缩值小很多，90天收缩要比普通砂浆的收缩率小19%。聚合物使水泥砂浆的收缩率减小主要原因是由于聚合物中的活性基团和除泡基团的作用。4.3砂浆试件开裂情况基准（普通）砂浆试件开裂情况如图3所示。各组砂浆开裂性能试验结果见表5。表5掺加不同组分材料砂浆开裂性能试验结果编号开裂时间(d)最大裂缝宽度(mm)开裂总权值裂缝控制率(%)A70.11101.3—E110.0640.460.1G150.0526.673.7图3基准试件开裂情况表5掺加不同组分材料砂浆开裂性能试验结果编号开裂时间(d)最大裂缝宽度(mm)开裂总权值裂缝控制率(%)A70.11101.3—E110.0640.460.1G150.0526.673.75图3及表5表明，普通砂浆侧面出现贯通裂缝，7d时就已开裂，裂缝最大宽度0.11mm，开裂总权值很大；在砂浆掺入聚合物HPMC以后，砂浆的开裂时间延长，裂缝宽度也极为微细，开裂总权值较小，裂缝控制率达到了60%以上。掺入可再分散胶粉（2350）的砂浆开裂时间延长一倍以上，裂缝宽度降低了45%，开裂总权重仅为26.6，裂缝控制率达到70%以上，可再分散胶粉（2350）很好的改善砂浆的开裂性。通过实验观察及结果分析表明：开裂总权值W表征了砂浆收缩开裂程度发展情况，裂缝控制率K表征了聚合物对砂浆开裂性能改善的程度。4.4聚合物在砂浆中作用机理采用英国产EDΛX─S240扫描电子显微镜对砂浆的微观结构进行观察，基准砂浆及聚合物砂浆的SEM图见图4。由图4可见，基准砂浆中水化产物主要是含有凝胶孔CSH凝胶。而掺聚合物的砂浆中存在一定量的聚合物网络与CSH凝胶交织在一起，而且凝胶孔的尺寸很小。a)基准砂浆b)胶粉聚合物砂浆c)HPMC聚合物砂浆图4基准砂浆及聚合物砂浆的SEM图聚合物在水泥浆体中的作用机理主要是：聚合物在水泥浆体的拌合过程中，有一部分会均匀的分散到水泥浆体中，在水泥水化初期，聚合物便附着于未水化的水泥颗粒上。随着水泥水化的进行，水泥浆体中水分不断消耗、水化产物增多，聚合物就会逐渐聚积在毛细孔中，并在凝胶表面、未水化水泥颗粒表面形成紧密堆积。这些聚积的聚合物逐渐填充毛细孔。由于水化或干燥使水分进一步减少，在浆体和孔隙中堆积的聚合物便凝聚成膜形成聚合物网络，这种聚合物网络的弹性模量较水泥浆体的弹性模量低，能够使硬化水泥浆体的韧性得到提高，这对改善砂浆的变形协调性非常有利。另外，聚合物分子中的活性基团与水泥水化产物发生化学作用，形成特殊的桥键作用[6]，改善水泥水化产物的物理组织结构，缓解内应力，从而减少水泥浆体中微裂纹的产生。5结论(1)掺入羟丙基甲基纤维素，砂浆的抗压及抗折强度都降低，但砂浆的折压比提高；可再分散胶6粉的掺入，不仅可提高砂浆的抗压及抗折强度，而且各龄期砂浆的折压比提高较大。(2)采用自行设计的环形约束开裂试验装置可以有效地测定砂浆的开裂现象，开裂总权值W可以表征砂浆收缩开裂程度发展情况，裂缝控制率K可以表征阻裂材料对砂浆开裂性能改善的程度，能有效地评价砂浆的开裂性能。(3)在砂浆中掺入羟丙基甲基纤维素及可再分散胶粉这两种聚合物以后，可显著降低砂浆收缩值。(4)掺入羟丙基甲基纤维素及可再分散胶粉这两种聚合物砂浆的开裂时间延长，开裂总权值较小，裂缝控制率也较高，这两种聚合物具有提高砂浆的抗裂性的作用。(5)聚合物主要具有填充砂浆毛细孔并与水泥水化产物CSH凝胶形成聚合物网络的作用，改善砂浆的抗裂性。参考文献1Hwai-chungwu,YunMookLim,VCLi.Applicationofrecycledtirecordinconcreteforshrinkagecrackcontrol[J].JornalofMaterialsScienceLetters,1996,(15):1828~1831.2杨医博.化学外加剂和矿物掺合料对砂浆干缩性能的影响研究[D].华南理工大学博士学位论文.2002:32~68.3ShahSP,OuyangC,MarikunteS,YangW.Amethodtopredictshrinkagecrackingofconcrete.ACI,Mater[J]1998:95(4):339~347.4MiroslawGrzybowski,SurendraPShah.Shrinkagecrackingoffibereinforcedconcrete[J].ACIMaterialsJournal,1990,87(2):138~148.5PaulP.Kraai.Aproposedtesttodeterminethecrackingpotentialduetodr