乳胶粉和矿粉在低聚灰比聚合物水泥基材料中的效能研究

刘志勇1 , 李延涛1, 刘津明2
( 1. 河北建工学院, 河北张家口市075024; 2. 天津大学, 天津300072)

1 概述
聚合物的种类、结构形态和分布情况均能对硬化的聚合物水泥基材料( 以下简称PCM) 的结构及性能产生重要影响。一般地, PCM 结构可分为水泥石相、聚合物相、毛细孔3类( 如图1 所示) 。硬化后的PCM 结构主要由水泥石相和聚合物相构成, 每一相均能以封闭或开放的形式存在, 在材料结构中这两相通过无机颗粒与聚合物颗粒间的界面粘结在一起, 聚合物在PCM 中的效能就取决于聚合物与水泥间的存在形式和相互胶结作用。从图1 中看出, 只有结构( 3) 能够在聚合物和硬化的水泥浆间形成有效的胶结作用, 因为结构( 3) 中这两相是封闭的且胶结颗粒的粘接力能够有效地将荷载传递到材料的其它部位中去, 从而在受到外力作用时表现出较好的机械性能; 而其它2 种结构则不能充分地发挥作用, 由此我们可以说结构( 3) 中的聚合物效能较高。要形成这种结构的PCM, 所需的聚合物添加量有一个较大的范围, 且随聚合物种类的不同也可以有很大变化, 但是要获得形成这一结构的用量下限, 进而产生佳的技术经济效益就必需通过大量试验来确定。

图1 PCM 的结构
2 效能试验原理
我们在此前的研究工作中所掺加的聚合物都是以水泥用量的百分率, 掺入方法为外掺法, 从表面上看这是对不同聚合物掺量的PCM 的性能进行比较的常规方法, 但是仅仅这样是不够的。

图2 外掺聚合物折合为内掺时材料各组份体积比例变化
我们从图2 可见, 左边表示骨料、水泥浆及毛细孔在水泥石中的体积比例, 中间是外加聚合物的同配合比的各组份比例情况, 右边是混合物中各组份重新折算为100%时的比例情况, 显然重新折算后胶结料的体积( 含水泥浆、孔隙、聚合物)增加了, 孔隙的体积在胶结料中的比例相对降低, 由此带来机械性能的改善不完全由于聚合物本身, 部分原因是由于胶结料的增加和孔隙率的减少。为了在掺与不掺聚合物或掺量不同的混合物中得到可比较的结果, 聚合物掺量一般应与混合物中的水分进行交换, 如果W/ C 提高的结果未使材料性能比含聚合物的PCM 的性能更差的话, 那么所加的聚合物就是无效的, 与水泥的协同作用即认为是不存在的, 从而为我们准确分析聚合物的效能提供了一个有效的方法。同理, 这种效能试验的方法也可用于矿粉效能的试验上, 如图3 所示。

图3 等体积取代聚合物后PCM 各组份的体积比例( 外掺)
效能的高低用什么指标来表征?基于微观力学和水泥基材料破坏行为, 结合PCM 的特点, 我们在分析有关资料[1 ]的基础上, 通过反复推敲, 找到一个机械特性的简单结合所形成效能的特征值, 这一特征值即是抗折强度与抗压强度的比值, 其物理意义是外加剂或掺和料在单位抗压强度下对抗折强度的影响, 它反映了外加剂或掺和料对水泥砂浆韧性的改善, 这样可克服传统的用压折比反应掺和料或外加剂对混凝土或砂浆脆性影响物理意义不够明确的缺陷。

3 试验方法及原材料
3. 1 原材料
试验用水泥为525
# 普通硅酸盐水泥, 砂为标准砂, 乳胶粉由德国WAC KE R 化学品公司提供, 矿粉A、矿粉B 由试验室自行配制与磨细。
3. 2 试验方法
抗压强度与抗折强度的试验方法参照GB 177- 85 的方法进行, 掺加聚合物的质量分别为水泥质量的( P/ C ) 1%、2% 、4 %, 然后将乳胶粉分别折算为体积, 再用等体积的矿粉、水及水泥替换乳胶粉; 复合掺加时则以1%、2 %、4%( P/C) 的乳胶粉分别与等体积的A、B 2 种矿粉混合后加入, 复合加入时矿粉等体积取代水泥( 矿粉内掺) 。所有试件先放置在标养室养护24 h, 脱模后放置在水中养护, 到7 d 龄期时将掺加聚合物的试件取出放置在相对湿度( 60 5) %的干燥空气中, 其它试件按GB 177 仍在水中养护, 待28 d 龄期, 测试所有试件的抗折和抗压强度。