聚合物改性硅灰水泥砂浆性能的实验研究

图 3 氯离子浓度与经过时间的关系
图 5 集料与水泥浆体间的显微硬度与硅灰掺量的关系 ( PAE = 15 %)
214 红外线分析 为了考察 PA E 与水泥水化生成物[ Ca (O H)2 ]之间的反
应性 , 进行了红外光谱分析 。单独的 PA E 、Ca (O H) 2 和 PA E 加 Ca (O H) 2 的混合物的红外谱图如图 7 所示 。图中 , 在 1740 c m - 1 处 的 峰 值 为 PA E 中 的 COO - 的 峰 值 , 1550c m - 处的峰值为 Ca (O H) 2 与 PA E 反应生成物的峰 值 。这一结果表明 , PA E 与水泥水化反应生成物 Ca (O H) 2 之间能产生化学反应 。 215 讨论
同时 , 掺入硅灰和 PA E 的水泥砂浆的氯离子有效扩散 系数计算结果如图 4 所示 。随着 PA E/ C 和硅灰掺入量的增 加 ,氯离的有效扩散系数明显减小 。 213 界面显微硬度
图 4 硅粉掺量 、PAE/ C 与氯离子有效扩散系数的关系
集料与水泥浆体间的界面粘结性能对水泥砂浆的强度 和不透水性等有较大的影响 。掺入 PA E 和硅粉的水泥砂浆 中集料与水泥浆体间界面显微硬度的测试结果如图 5 、6 所 示 。由图可知 , 界面显微硬度从界面至约 30n m 处逐渐降至 最低点 , 此后逐渐提高 , 约离界面 60n m 后 , 集料周围的界面 显微硬度基本不变 。界面显微硬度的分布随硅灰和 PA E 的 掺入量的多少而变化 。随 PA E 或硅粉的掺入量的增加 ,界面 处的显微硬度提高 。离开界面约 70n m 以外的水泥浆体的显 微硬度不受界面的影响 , 界面区域 (0～70n m) 的最薄弱点的 显微硬度与水泥浆体 (70n m 后) 的显微硬度之差随 PA E 和 硅粉的掺入而减小 。
No
水胶比
PAE/ 水泥 ( %)
SF掺入率 ( %)
1
0. 35
0
0 、5 、10 、15
2
0. 28
5
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3
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10
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百度文库
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图 1 聚合物 、硅粉掺入量对砂浆抗折强度的影响
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高建明 森野奎二
聚合物改性硅灰水泥砂浆性能的实验研究
和硅粉的水泥砂浆相比 ,提高了近一倍 。此外 ,聚合物水泥砂 浆的抗压强度也随硅粉掺入量的增加而增加 , 当 PA E/ C = 15 % , 硅粉掺入量为 15 %时 , 硅灰聚合物水泥砂浆的抗压强 度为 78M Pa ,而不掺 PA E 和硅粉的水泥砂浆其抗压强度为 58M Pa ,其增加的幅度与抗折强度的增加相比要小 。由此可 知 , 硅粉和 PA E 的掺入对聚合物水泥砂浆的抗折强度的影 响要比对抗压强度的影响要大 。
RC —O — R- + OH- ∴ RCOO- + R- (OH)
图 6 集料与水泥浆体间的显微硬度与 PAE/ C 的关系 (SF = 10 %)
图 7 红外线吸收谱图 力学性能得到了明显的改善 :
(1) 聚合物的减水效果 : 聚合物中含有表面活性成份 ,掺 入水泥砂浆中 , 可以使水泥水化产物形成的絮凝结构分散开 来 , 随着絮凝结构的分散 , 包裹着的游离水即可释放出 , 从 而 , 在水泥砂浆具有相同流动度的情况下 , 水泥砂浆的水灰 比可显著降低 ,硬化后 ,水泥砂浆的孔隙率大大减少 。
(2) 聚合物的填充效果 : 水泥水化硬化过程中 ,聚合物填 充在砂浆的微裂缝 、孔隙 、集料与水泥浆体界面区域的孔隙 中并在其中固化 ,从而增加了砂浆的密实性和不透水性 。
(3) 火山灰效应 : 水泥水化生成物 Ca (OH) 2 与硅粉中的 活性 SiO2 发生反应 , 降低了水化水泥浆体中 Ca (OH) 2 的数 量 ; 而且含硅粉的水泥石中大孔体积降低 ,小孔增多 ,连通孔 减少 , 从而减少了 Ca (OH) 2 在集料周围的定向分布 , 提高了 集料与水泥浆体之间的界面显微硬度 。
总第 115 期
密实性提高 , 降低了填充水泥粒子间空隙的用水量 , 使水泥 浆的流动性提高 。
(5) PAE 与水泥水化生成物 Ca (OH) 2 的反应 : PAE 中含 有大量的酯基 COO- , 水泥水化生成大量的 Ca (OH) 2 , 酯在碱 的环境中会发生水解 , 生成的羧酸根离子 COO- 可与 Ca2 + 发 生反应 ,即 :
(4) 微细粒子填充效应 :硅粉的比表面积为 23. 2m2 / g ,水 泥的比表面积为 3560cm2 / g , 细小的球状硅粉颗粒可以填充 于水泥颗粒之间 , 使胶凝材料具有好的级配 , 降低其标准稠 度下的用水量 。同时 , 硅粉对水泥粒子的填充性使水泥石的
O 2RCOO- + Ca2 + → [ RCOO] - Ca2 + [ OOCR] -
水泥砂浆中掺入聚合物与硅粉后 ,由于以下原因其物理
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2000 年第 5 期
混凝土与水泥制品
2000 年第 5 期 10 月
混凝土与水泥制品 CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS
2000 No5 October
聚合物改性硅灰水泥砂浆性能的实验研究
高建明 森野奎二 (东南大学材料科学与工程系 210096) (日本爱知工业大学)
摘 要 : 本文研究了掺丙烯酸酯共聚乳液 ( PAE) 、硅粉的水泥砂浆的抗折强度 、抗压强度 ; 测定了集料与水泥浆体之间的界面 显微硬度及氯离子在水泥砂浆中的渗透性 。采用红外光谱技术探讨了聚合物与水泥水化产物之间的化学反应 。实验结果表明由于 硅粉的火山灰反应 、聚合物的减水效应和其填充效应 , 水泥浆体的孔隙率减少 、密实度增加 , 从而提高了水泥砂浆的抗折 、抗压强 度 ,而且界面区的最低显微硬度提高 ,氯离子在水泥浆体中的有效扩散系数减少 。
根据上述反应 ,在 C - S - H 凝胶或 Ca (OH) 2 结晶表面生 成[ RCOO] - Ca2 + [ OOCR] - ,这种以 Ca2 + 桥连的离子键大分子 体系形成交织的网络结构 , 可以增强结构的致密性 , 导致水 泥浆体的密实度增加 。
由于上述原因 , 水泥砂浆的抗折强度 、抗压强度提高 , 水 泥砂浆中的集料周围的显微硬度增加 , 氯离子在砂浆中的有 效扩散系数减小 。 3 结论
水泥 :普通波特兰水泥 ; 聚合物 :丙烯酸酯共聚乳液 ( PA E) ; 硅粉 : SiO 2 含量为 91. 7 % ; 集料 :石英砂 。 硅粉采用内掺法 , 聚合物采用外掺法 , 砂与胶凝材料之 比为 1. 5 :1 。试验采用萘系高性能减水剂调整不同配比的聚 合物硅粉水泥砂浆的流动性使之保持相同的流动度 。
掺硅粉的聚合物水泥砂浆的抗折强度和抗压强度如图 1 , 图 2 所示 。由图可知 , 随硅粉掺入量的增加 , 聚合物水泥砂浆 的抗折强度提高 ,当 PA E/ C = 15 % ,硅粉掺入量为 15 %时 ,硅 灰聚合物水泥砂浆的抗折强度高达 14. 8M Pa ,与不掺 PA E
表 1 聚合物水泥砂浆的配合比
112 实验方法 砂浆试件制作时 , 首先将硅粉加水或加入水 、PA E 和减
水剂的混合液 , 搅拌均匀后 , 将其倒入已混合均匀的水泥和 砂中继续搅拌三分钟 。试 件 尺 寸 为 40 ×40 ×160m m 和
70 ×4m m 两种 。试件成型后 ,置于温度 20 ±3 ℃,湿度 80 % 以上的环境中养护一天后脱模 ,对不掺 PA E 的试件 ,在温度 20 ±3 ℃, 湿度 95 %以上的养护室内养护至 28 天 , 对掺入 PA E 的试件 , 首先在温度 20 ±3 ℃, 湿度 95 %以上的养护室 内养护 7 天 , 然后置于温度 20 ℃, 湿度 60 %的恒温恒湿养护 室内养护至 28 天 。抗折强度和抗压强度的测定采用 40 × 40 ×160m m 的试件 , 氯离子渗透性 (有效扩散系数) 的测定 采用 70 ×4m m 的试件 。氯离子的扩散试验参照[ 2 ] [ 5 ] 。界 面显微硬度的测定和红外线分析参照[ 2 ] [ 3 ]进行 。 2 实验结果与讨论 211 硅粉聚合物水泥砂浆的强度特性
(4) 红外线分析表明 , 聚合物中的 COO- 与水泥水化产物 Ca (OH) 2 之间能够发生反应 , 从而使聚合物水泥砂浆的组织 结构进一步致密 , 提高了水泥浆体的不透水性和化学抵抗 性。
参考文献 [ 1 ] Chen , Z. and Tan , M. : Progress of Polymer Concrete Composite , Proceedings of the First East Asia Symposium Polymers in Concrete , Korea , pp . 25 - 40 ,May 2 - 3 ,1994 [ 2 ] Gao , J . M. , et. al . : The Properties of Polymer Modified Concrete , Southeast University , 1996. 5 [ 3 ] Sun , W. And Gao , J . M: Study of the Bond Strength of Steel Fiber Reinforced Concrete , Proceedings of lnd International Symposium on Cement and Concrete , Beijing , China , Vo1. 2 , 1985 [ 4 ] Midgley , H. G. et. al : The Penetration of Cl - into Hardend Cement Paste , CCR , Vo1. 14 , No. 4 , pp . 546 - 558 , 1984 [ 5 ] Macdonald , K. A. and Northwood , D. O , : Experimental Measure2 ments of Chloride Ion Diffusion Rates Using a Two - Compartmemt Diffusion Cell , CCR , Vo1. 25 , No. 7 , pp . 1407 - 1416 , 1995
关键词 :聚合物 、硅粉 、水泥砂浆 、有效扩散系数 、显微硬度
0 前言 聚合物改性水泥砂浆与普通水泥砂浆相比 , 有较高的抗
折强度 、抗拉强度 、延伸能力 、不透水性 , 与钢筋的粘结力也 较大 。因此 ,聚合物改性水泥砂浆广泛应用于各种防腐工程 、 混凝土构筑物的修补材料及地面 [1 ] 。近年来 , 人们对聚合物 改性水泥砂浆的强度特性 、耐腐蚀性和细孔结构进行了较多 的研究 , 但有关聚合物水泥砂浆中掺入硅粉的研究报告很 少 。本文研究了掺入比表面积为 23. 2m2 / g 的硅粉聚合物水 泥砂浆的性能 , 主要测定了掺硅粉聚合物水泥砂浆的抗折强 度 、抗压强度 ; 测量了集料与水泥浆体之间的界面显微硬度 及氯离子在水泥砂浆中的渗透性 。采用红外光谱探讨了聚合 物与水泥水化产物[ Ca (O H)2 ]之间的化学反应 。实验结果表 明由于硅粉的火山灰反应 、聚合物的减水效应和填充效应 , 使水泥浆体的孔隙率减少 、密实度增加 , 在硅粉和聚合物的 双重作用下 , 水泥砂浆的抗折强度和抗压强度有了明显的提 高 , 水泥浆与集料界面区的最薄弱点的显微硬度提高 , 氯离 子在水泥砂浆中的有效扩散系数减少 。 1 原材料与实验方法 111 使用材料及聚合物水泥砂浆的配合比
图 2 聚合物 、硅粉掺入量对砂浆抗压强度的影响
212 氯离子的渗透性 有关氯离子渗透性的研究报告较多[4 ][5 ] 。氯离子的有效
扩散系数与所用原材料的化学成份 、水泥砂浆的孔结构和密 实度 、集料与水泥浆体间的界面结构等有关 。但在聚合物和 硅灰双掺情况下 , 氯离子在水泥砂浆中的扩散研究报告很 少 。硅灰和聚合物双掺情况下 , 通过水泥砂浆试件扩散的氯 离子的浓度与经过时间的关系如图 3 所示 。由图可知 , 随着 时间的增加 ,氯离子的渗透量线性增加 ,但 PA E 的掺入量对 直线的斜率有较大的影响 , 根据直线的斜率 , 可以计算出氯 离子的有效扩散系数 。
(1) 水泥砂浆中掺入聚合物和硅粉 , 有效地提高了水泥 砂浆的抗折强度和抗压强度 。
(2) 水泥砂浆中掺入聚合物和硅粉 , 由于聚合物的减水 效果和填充效应 , 以及硅粉的火山灰反应 , 水泥砂浆中的孔 隙率下降 , 密实性提高 , 氯离子在水泥砂浆中的有效扩散系 数减小 。
(3) 随硅粉掺入量和 PAE/ C 比的增加 , 集料与水泥浆体 间的界面显微硬度增加 , 界面区域的最薄弱点的显微硬度与 水泥浆基体间的显微硬度差减小 。