三种乳液改性水泥砂浆性能的研究

0 引言
聚合物乳液改性水泥砂浆有良好的抗渗性能[1 ] ,近年来已被广泛应用于混凝土修复、水工建筑耐水层、高速公路路面及耐化学介质腐蚀等许多场合的构筑物中[2 ,3 ]。聚合物乳液对水泥砂浆的改性效果,一般可以有两种比较方法: 一种是保持水灰比不变, 另一种是保持流动度不变。人们往往在相同流动度下比较纯水泥砂浆和改性砂浆的性能[2 ] , 由于聚合物乳液有减水作用, 流动性相同的改性砂浆的性能实际上包括了水灰比降低的作用。本文在保持水灰比相同的条件下, 对丁苯胶乳、氯偏胶乳和氯丁胶乳改性水泥砂浆的氯离子渗透性、流动度及力学性能进行了比较。

1 实验
111 原材料
采用上海水泥厂生产的525 普通硅酸盐水泥; 福建标准砂;氯化钠,氢氧化钠,硝酸银,荧光黄(铬酸钾)都为分析纯试剂。所用聚合物乳液(都是市售产品) 见表1。

112 试样制备及测试
11211 试样制备
灰砂比1 : 215 ,水灰比0144 ,氯偏胶乳在改性砂浆中的掺量, 以干胶固体含量计, 分别为水泥质量的5 %、10 %; 氯丁胶乳和丁苯胶乳则分别为水泥质量5 %、10 %、15 %。试件制样方法参照B177 – 85 ,胶乳与水一起加入。用跳桌法测定新拌砂浆的流动度,试件成型后带模在室温下养护一天,脱模后,用塑料薄膜包覆试样于(23 ±2) ℃温度下养护28 天。

11212 氯离子渗透性
(1) 染色法[2 ,4 ]测定氯离子渗透深度P4cm×4cm×16cm的试件在抗折强度测试后, 其中一半浸入NaCl (3 %) 溶液中, 浸泡16 天后割下厚度为20mm的试样,用色差法测定Cl – 的渗透深度P。测定方法如下: 先将试样在105 ℃下烘30min 取出后在切面上喷上荧光黄溶液,试样表面呈棕红色。待试样表面干燥后, 立即喷上AgNO3 , 在Cl – 存在区, 由于AgNO3 与Cl -反应生成AgCl , 棕红色维持不变, 而未含Cl – 区由于AgNO3 在光线作用下分解出Ag ,颜色逐渐变黑。这样在黑红交界处出现一清晰的轮廓线, 试件边缘到轮廓线的距离即为Cl – 扩散深度,实验结果为9 个试样测试值中去掉两个最大值和两个最小值后的平均值。
(2) 快速Cl – 渗透的测试
试件尺寸为直径100mm,厚50mm的圆柱体。为避免由于吸收水分影响氯离子扩散系数的测量, 同时为确保所有被测试样的样品有相同的水饱和度, 在进行测试前, 样品的圆柱形表面用环氧树脂涂, 24h 后所有的样品都要进行真空水饱和。真空水饱和包括在真空中对样品干燥1 小时,然后将蒸馏水引入,保持真空12 小时,最后将样品在常压水中保持12 小时。扩散室装置如图1 所示, 对每种试样都有两个样品在相同条件下进行测试。试样两边平面加30V 直流电压, 保持6 小时, 然后取下试样, 烘干后沿轴线方向剖开, 喷洒011m的硝酸银溶液, 半小时后便在含氯区域与无氯区域出现清晰的分界线, 前者呈灰白色, 后者呈灰褐色, 由颜色分界线的位置便可以测量出一定时间下氯离子在强电场下的扩散深度。然后计算氯离子扩散系数。

2 结果与讨论
211 流动度
用跳桌法测定了新拌砂浆的流动度, 此处以(D -D0) / D0 ×100 表示, 其中D0 为截锥圆模底部内径,D 为新拌砂浆振动后的直径。测试结果见表2。可见,在普通砂浆中掺加氯丁胶乳和丁苯胶乳明显提高流动度,其作用随聚合物掺量的增加而增加。但氯偏相反, 其流动性随掺量的增加而降低, 且实验中发现, 拌和物刚拌好的瞬间, 流动性尚可, 但很快变干, 成为自粘性和粘结性差的松散粒子, 成型困难。其原因可能是氯偏胶乳的破乳所至。

212 力学性能
表3 为抗压强度与抗折强度的试验结果, 由表3可知, 无论是何种聚合物掺入, 随着聚灰比增大, 抗折强度有所提高, 提高幅度为24 %~108 % , 其中以丁苯胶乳的提高最多; 抗压强度则随聚灰比增大而降低。文献[ 2] 在恒定流动度条件下发现, 随丁苯胶乳EL1703 用量增加, 改性砂浆的抗压强度是提高的, 这实质上是体现了水灰比降低的作用, 而本文是水灰比恒定, 流动度提高; 此外, 还可看到, 在聚灰比大于10 %时,抗折强度提高变缓,丁苯胶乳试样的抗压强度降低加快(图2) 。


213 氯离子渗透性
21311 浸泡试样的氯离子渗透深度
试验结果见表4。由表4 可见,随聚灰比增加,试样的抗氯离子渗透性以所用乳液不同而不同。丁苯胶乳改性砂浆抗氯离子渗透的能力几乎随掺量的增大而线性增大, 聚合物乳液改性水泥砂浆的良好抗渗性能主要归因于聚合物膜阻断了砂浆内的毛细通道[1 ,2 ] ; 氯偏胶乳试样的氯离子渗透深度先降低,后增大,其主要原因可能是加10 %氯偏胶乳试样的流动度降低(表2) ,以至成型所得试样的密实度可能有所降低; 尤其出人意料的是, 氯丁胶乳试样的氯离子渗透深度均比纯水泥砂浆大, 聚灰比变化对渗透深度的影响很小原因尚有待于进一步研究。

21312 扩散室测试结果
可以通过稳态和非稳态的方法来测定氯离子在混凝土中的扩散系数[5 ] , 此处为非稳态扩散法, 混凝土中氯离子的浓度既是位置的函数,又是时间的函数。在外加电场的作用下,可以用改进的Fick 第二定律[5 ] :



由(7) 式可以根据测试时间t 和渗透深度Xd (单位cm)计算试样的氯离子扩散系数,结果见表5。由于测试装置不多, 试样从制样到测试的龄期有点差别, 表中也一并列出。

虽然试验龄期不一致,但由表5 仍然可以看出,加入聚合物以后,随聚灰比提高,氯离子的渗透深度有所减小,扩散系数有所下降。特别是掺量从5 %到10 %的氯偏胶乳下降的更为显著, 而丁苯胶乳的扩散系数随聚灰比增加下降最少。从聚合物膜阻断砂浆内的毛细通道[1 , 2 ] 的观点出发, 说明掺加5 %丁苯胶乳就已达到了这种效果, 继续提高聚灰比只不过增加了聚合物膜的厚度和连续性,于抗渗效果无补,且有损于砂浆的抗压强度,但能提高砂浆的抗折强度(见表3) 。丁苯胶乳试样龄期比对比的空白试样短15 天左右, 但扩散系数接近,因为扩散系数随龄期增加而降低[5 ] ,所以可以预期丁苯胶乳试样的扩散系数会比空白试样小。
表5 中氯丁胶乳试样与对比空白试样测试龄期很接近,其测试结果可以比较。虽然氯丁胶乳试样表现出聚灰比提高,扩散系数降低的趋势,但和212 节浸泡试验结果相一致, 氯丁胶乳试样的氯离子扩散系数比对比空白试样还略大。从表中还可以看到,氯偏胶乳试验龄期最短,但试样的氯离子扩散系数最小;值得注意的是, 两个被环氧树脂污染了的试样的扩散系数比同种试样的小得多, 说明极少量的环氧树脂施加于砂浆表面就能大大降低氯离子扩散速度。

3 结论
311 采用直流电压加速的扩散室测试方法可以快速测定氯离子渗透性,其结论和浸泡法是基本一致的。
312 丁苯胶乳和氯偏胶乳降低了试样的氯离子渗透性, 氯偏胶乳效果最好, 加量为5~10 %时, 可以使试样的氯离子渗透深度和扩散系数下降一半。
313 氯丁胶乳增加了试样的氯离子渗透性, 其原因有待于进一步研究。
314 所有3 种乳液改性砂浆的抗折强度随聚灰比增加而提高,抗压强度则随聚灰比增加而降低,在聚灰比为10 %以上时, 抗折强度增加减慢, 而丁苯胶乳试样的抗压强度降低加快。

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