聚合物对修补砂浆力学性能影响试验研究

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摘要：本文以试验为手段，分别研究了不同体积掺量的聚丙烯纤维和可分散乳胶粉聚合物对修补砂浆工作性及力学性能的影响并分析了不同组分对修补砂浆性能的作用机理。结果表明，两者均能够显著提高修补砂浆本体的粘结强度、韧性和延性，但对修补砂浆抗折、抗压强度的影响各异。

关键词： 聚合物；修补砂浆；力学性能

Abstract: this paper for experimental means, are studied different volume of the mixed quantity of polypropylene fiber and dispersible emulsion powder to repair the workability and polymer mortar the mechanics properties of different compositions and analyzed to repair the mechanism of the mortar performance. The results show that both can obviously improve the bonding strength repair mortar ontology and ductility and toughness, but to repair the mortar bending, compressive strength of different effects.

Key words: polymer; Repair mortar; Mechanical properties

中图分类号：C33文献标识码：A 文章编号：

0.引言

当今世界由于各种原因引起的结构劣化或建筑功能失效不仅影响了人们的正常生活而且造成了巨大的经济损失，如果要将已损设施完全替换掉或重新修建，这在经济上是不可行的，解决的办法只有修补加固。迄今为止，待修补加固的建筑物大部分都是采用混凝土构筑而成，这从根本上决定了修补材料的性能应与这种基材的性能有较好的相容性和协调性。水泥基修补材料与混凝土基材之间有较好的相容性，强度和耐久性优良，但水泥基无机修补材料抗张拉强度差，与基材之间粘结强度不够，在温度应力外部荷载及自身变形下易发生开裂、剥落，造成修补失效。研究[1]表明，一定量的聚合物对砂浆进行改性，可以提高砂浆柔韧性、增加砂浆的粘结强度。以普通硅酸盐水泥为主要胶凝材料，同时掺入矿物掺合料、高效减水剂来达到降低水灰比、在较好的流动度的情况下来获得更高的强度和耐久性能是制备高性能的混凝土和砂浆的主要途径。本文沿用这条思路，选用聚丙烯纤维、可再分散乳胶粉两种高分子聚合物，研究其对修补砂浆力学性能的作用。

1.试验

1.1试验原料

水泥（简称C）为湖南宁乡南方水泥厂生产的P・O42.5级硅酸盐水泥，比表面积为350 m2/kg，密度为3.10 g/cm3，水泥的化学组成见表1；粉煤灰（简称FA）由湖南湘潭电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，比表面积465m2/kg，密度为2.16 g/cm3，主要化学成分见表1；硅灰（简称SF）为上海艾肯公司提供，表观密度2.1 g/cm3，比表面积为18100m2/kg，化学组成见表1；采用普通河砂作为细骨料，满足中砂级配要求，细度模数为2.62；膨胀剂为硫铝酸钙型膨胀剂（简称HEA），最佳掺量为胶凝材料用量的4%；减水剂为聚羧酸高效减水剂，北京九洲宏业有限公司提供，粉剂，外观呈白色，减水率为33%；聚丙烯纤维（简称PP）由长沙博赛特建筑工程材料有限公司提供，单丝直径为27~32μm，长度为10mm；上海巴斯夫公司提供的乙烯基可再分散乳胶粉（简称EVA），白色粉剂。

1.2试验方案

本文考虑到修补砂浆应具有较好的保水性，黏聚性，流动性，采用硅灰(SF)和粉煤灰(FA)两种矿物掺合料，其中，硅灰掺量为胶凝材料（水泥+矿物掺合料）用量的5%，粉煤灰为胶凝材料用量的20%。为了保障修补砂浆能与被修补材料的表面充分接触，采用膨胀剂，膨胀剂的掺量为胶凝材料用量的4%。保持各试样流动扩展度在200～250mm之间，减水剂的掺量为胶凝材料用量的0.3%，自各试样的配合比如表2所示。

1.3试验方法

根据配合比方案进行砂浆搅拌，搅拌好的砂浆根据GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行流动度的测试并成型标准胶砂试件（40mm×40mm×160mm），1d后脱模，经标准条件养护到规定龄期后测试28d强度。本试验为能较好的反应新老材料之间的粘结性能，结合国内外学者的研究结论[2~4]，采用弯曲抗拉试件和Z型剪切试件两种方式分别对粘结试件的抗弯拉粘结强度和抗剪粘结强度进行试验分析，示意图见图1。此外，本实验中分别采用对旧砂浆试件断面使用切割机切断和胶砂抗折试验机折断两种方式，研究了不同的断面形式对修补试件抗弯拉粘结强度的影响，试验实际制作的试件形式见图2。选用的旧砂浆试件龄期为1年，抗压强度45.1MPa，抗折强度8.2MPa，断面处均经过刷洗并在粘结前将明水吸净，成型24h后拆模移置清水中养护，28d龄期时测试其抗弯拉粘结强度；Z型剪切试件中旧混凝土试件龄期大于1年，抗压强度40MPa，粘结试件采用100KN液压试验机试压，以平均破坏剪切强度值评价砂浆抗剪粘结强度，其计算式为：

τp=P/A，τp为Z型试件剪切强度；P为破坏荷载；A为试件剪切面积（本试验中取为100mm×60mm）。

2.结果与分析

2.1 聚合物对修补砂浆工作性及抗折、抗压强度的影响

表3给出了聚丙烯纤维和可分散乳胶粉对修补砂浆工作性能的影响。从上表中的数据并结合图3分析可以得知，纤维掺入修补砂浆中会在一定程度上影响砂浆的工作性能，随着纤维掺量的增加，砂浆的工作性能呈线性下降，未掺纤维的基准组流动扩展度为245mm，纤维掺量为1.5kg/m3时砂浆流动扩展度仅为200mm；而可分散乳胶粉对修补砂浆的工作性能的影响明显不同，掺量小于4kg/m3时，对砂浆的工作性能影响较小，掺量大于4kg/m3时修补砂浆的工作性能受到较大的影响。

此外，表3中的数据显示出掺入纤维的修补砂浆其强度较基准组有较大的提高，特别是抗折强度。未掺纤维的基准组抗折强度为9.1MPa，随着纤维掺量的递增，砂浆的抗折强度有较明显的增加，当纤维掺量达1.5kg/m3 时，砂浆的抗折强度为11.2 MPa，提高幅度达23.1%。可分散乳胶粉掺入修补砂浆后，随着掺量的增加，28d的抗折、抗压强度呈下降趋势。当乳胶粉掺量在2kg/m3左右时，砂浆的强度变化不大，抗折强度稍有提高；当乳胶粉掺量大于2kg/m3时，砂浆的抗折、抗压强度均下降。由于纤维的吸附、加筋、阻裂作用，在砂浆中交织成空间网状，传递应力和吸收能量，改善了砂浆的受力性能，因此提高了砂浆的强度，特别是抗折强度有较大幅度的提升。可分散乳胶粉具有水中再溶解和分散能力，保持原乳液具有的成膜特性，掺量增加，乳液成膜隔断水泥水化产物的作用也越强，结果表现为砂浆的强度下降。

2.2聚合物对修补砂浆粘结强度的影响

粘结强度是评价修补材料与老材料粘结性能及修补成功的重要指标。本试验采用的两种聚合物对修补砂浆粘结强度的影响如图4，图5所示。

从图4中可知，聚丙烯纤维的掺入对砂浆的粘结弯拉强度、粘结抗剪强度影响程度有所差异。随着聚丙烯纤维掺量的增加，QD试件粘结抗弯拉强度变化并不明显，说明如果修补断面比较光滑则在本文所选掺量范围内，粘结弯拉强度基本上不受纤维掺量变化的影响；ZD试件粘结弯拉强度不断增加，最大增加幅度可达27%；纤维掺量为0.5kg/m3时，Z型试件粘结抗剪强度提高了17%，但纤维掺量进一步增加时，粘结剪切强度提高效果反而不明显。聚丙烯纤维弹性模量低，柔韧性好，掺入砂浆中与干粉料充分搅拌，成型后均匀的分布在砂浆中，并相互搭接成一种空间网络结构，这种结构一方面可以有效的抑制砂浆内部微裂缝的发展，另一方面减小了新拌修补砂浆的收缩，这都对改善修补砂浆的粘结性能有利。此外，聚丙烯微纤维能够显著提高修补砂浆本体的张拉强度、韧性和延性，当其随浆体渗入至基材孔隙后，在修补材料与基材之间形成较好的桥接作用，增强了修补断面的粘结（尤其是抗张拉）强度。

从图5中可知，修补砂浆中掺入可分散乳胶粉，QD试件粘结抗弯拉强度、ZD试件粘结弯拉强度、Z型试件粘结抗剪强度均有一定程度的增加，但三者增加的幅度不同。与基准组C相比，乳胶粉掺量为4kg/m3时，效果最佳，砂浆QD试件粘结抗弯拉强度、ZD试件粘结弯拉强度、Z型试件粘结抗剪强度增幅最大，分别提高9.1%、22.6%、22.0%。由此可见，可再分散乳胶粉与基材具有较好的相容性，能够显著提高修补砂浆的柔性和粘结性能，但乳胶粉的掺量不是越多越好，其最佳掺量约4kg/m3。

3.结论

（1）聚丙烯纤维聚合物能够有效提高修补砂浆的抗折强度，但抗压强度提高程度并不明显；纤维掺量较高时修补砂浆的工作性能下降。

（2）可分散乳胶粉掺量小于4kg/m3时，砂浆的工作性能受到的影响较小；由于乳胶粉溶于水后，保持了原乳液具有的成膜特性，隔断了水泥水化产物，修补砂浆的抗折、抗压强度有所下降。

（3）聚丙烯纤维弹性模量低，柔韧性好，可再分散乳胶粉与基材具有较好的相容性，两者均能够显著提高修补砂浆本体的粘结强度、韧性和延性。

参考文献：

[1] 王晓峰，张量. 采用粉末聚合物改性的混凝土修补砂浆. 新型建筑材料，2007（3）：70-73

[2] P.C.Hewlett.Assessment and evaluation of polymer-based repair materials. Concrete International.1993(15): 39-41

[3] A.Momayez, M.R.Ehasni. Comparison of methods for evaluating bond strength between concrete substrate and repair materials. Cement and Concrete Research. 2005(35): 748-757

[4] M.Alexander. Holistic system approach to design and implementation of concrete repair. Cement and Concrete composites, 2006(28): 671-678

[5] 赵立群，王琼，张鑫，陈宁. 聚合物修补砂浆性能及不同组分作用机理研究. 新型建筑材料，2010，37（12）：15-17

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