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环氧树脂乳液改性水泥砂浆性能与结构

来源:浙江省建筑科学设计研究院有限公 作者:章凯 时间:2014-08-25 点击:
导读:研究了水性环氧树脂乳液改性水泥砂浆的力学性能、粘结性能、收缩性能和耐久性能,用SEM 和MIP 分析了砂浆的结构。结果表明,掺加6%~10%水性环氧树脂乳液可有效提高水泥基修补砂浆的力学性能和与老砂浆的粘结强度,降低水泥砂浆的收缩值;水泥砂浆的抗渗性、抗
0 引言
土木、交通、水利和电力工程中各种混凝土构件和建筑物在服役过程中经受各种物理和化学作用会产生缺陷,造成开裂和剥落,严重影响其使用性能和安全性,必须进行补强加固处理。聚合物砂浆或聚合物改性水泥砂浆是常用的混凝土修补材料,但聚合物改性水泥砂浆的抗压强度通常不及相应的普通水泥砂浆。
环氧树脂是一种具有优良力学性能和粘结性能及化学稳定性的胶粘材料,环氧树脂砂浆被广泛应用于建筑物的加固、补强,但其成本高,且不适于潮湿基面的修补。近年来人们通过对环氧树脂进行乳化改性,形成分散在以水为连续相的分散介质中的稳定树脂乳液。与环氧树脂相比,环氧树脂乳液最大的优点是可在室温和潮湿或过湿的环境中固化,能与水泥砂浆、混凝土等常用的水泥基材料混合使用,并能提高上述材料的早期强度、韧性、抗冲击性能,增强防水性能。人们对环氧树脂乳液改性水泥砂浆的性能已作较多研究,但关于其对于砂浆的耐久性及结构的影响鲜见报道。本文研究环氧乳液改性水泥砂浆的力学性能、粘结性能、收缩性能和耐久性能,分析砂浆的显微结构和孔结构。

1 试验
1.1 材料
试验所用水泥为新宝集团萧山第二水泥厂产P·O42.5 水泥,砂为ISO 标准砂。环氧乳液体系为上海绿嘉水性涂料有限公司提供的环氧乳液GEM03 和固化剂LJ910,其主要技术性能见表1。
水性环氧乳液和固化剂的性能
1.2 试验方法
水泥砂浆流动性参照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测试,砂浆密度、含气量、用于各种性能试验的水性环氧树脂改性水泥砂浆试件的制备、养护及其物理力学性能均按DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》进行测试。用扫描电镜观察砂浆试样显微结构,用压汞法分析孔结构。
 
2 试验结果与讨论
2.1 乳液用量对水泥砂浆密度和含气量的影响
由于乳液的球状颗粒能起到“滚珠”的作用,水性环氧树脂具有一定的增加水泥砂浆流动度的作用,砂浆制备时普通砂浆的水灰比取0.44,而其它砂浆的水灰比为0.39,其中水含量包含了水性环氧树脂乳液带入的水,灰砂比为1∶2.5,流动度为160~180 mm 时,聚灰比对改性砂浆密度和含气量的影响见图1。
聚灰比对改性砂浆密度和含气量的影响
由图1 可见,由于加入水性环氧树脂后改性砂浆的水灰比比普通砂浆小,砂浆密度不同程度地高于普通砂浆。改性砂浆的含气量均高于普通砂浆,说明水性环氧乳液与水泥作用会产生一定量的气体。在本试验范围内,加入水性环氧树脂乳液后,改性砂浆的含气量比普通砂浆最多增加0.4%,不至于对砂浆性能产生较大的不利影响。
2.2 改性砂浆的力学性能和粘结性能(见表2)
环氧乳液改性砂浆的力学性能和粘结性能
从表2 可见,环氧树脂乳液对水泥砂浆早期(7 d)抗压强度有一定不利影响,这是由于环氧树脂乳液对水泥水化有明显的延缓作用;但环氧树脂乳液可明显提高水泥砂浆的7 d 抗折强度,28 d 抗折、抗压强度和抗拉强度,其中28 d 的抗折、抗压和抗拉强度比同灰砂比的普通砂浆最高分别提高了6%、22%和28%。水性环氧树脂乳液对砂浆与老砂浆的粘结能力提高更大,本试验中,改性水泥砂浆的粘结强度比同灰砂比的普通砂浆最大提高73%。
2.3 改性砂浆的收缩性能(见图2)
不同环氧乳液掺量的砂浆随养护龄期的收缩率变化
由图2 可见,掺入水性环氧树脂乳液后,砂浆各龄期的收缩率明显降低,其中聚灰比为6%、灰砂比为1∶2.5 的M6-2.5试样28 d 的收缩率为相同灰砂比普通砂浆M0-2.5 试样的76.4%;相同灰砂比条件下,随聚灰比的增大,各龄期收缩率减小,聚灰比为10%、灰砂比为1∶2.5 的改性砂浆M10-2.5 试样28 d 收缩率为普通砂浆M0-2.5 试样的55.6%。
2.4 改性砂浆的耐久性能
2.4.1 碳化性能
不同环氧树脂乳液掺量砂浆的碳化深度随碳化龄期的变化见图3。
不同乳液掺量时砂浆的碳化深度
由图3 可知,添加水性环氧树脂乳液可显著提高水泥砂浆的抗碳化性能,聚灰比为6%、灰砂比为1∶2.5 的砂浆(M6-2.5)3 d、7 d、21 d 和28 d 碳化深度分别为砂浆M0-2.5 的80.6%、60.0%、65.1%和72.3%;聚灰比越大,碳化深度越小。而灰砂比越大,碳化深度越小,聚灰比为8%、灰砂比为1∶2.0 的M8-2.0砂浆试件的碳化深度明显小于同聚灰比的灰砂比为1∶2.5 的M8-2.5 试件。这是由于灰砂比越大,单位体积内Ca(OH)2 含量越高,碳化所需消耗的CO2 量也越大。
2.4.2 氯离子渗透性能(见图4)
不同乳液掺量时砂浆的氯离子渗透深度
由图4 可知,加入乳液后改性砂浆的氯离子渗透深度明显小于未加乳液的砂浆,且乳液含量越高,氯离子渗透深度越小,其中聚灰比为10%的砂浆M10-2.5 渗透深度为普通砂浆M0-2.5 的47.2%,而灰砂比增大,渗透深度略有减小。
2.4.3 抗冻性能
试验发现,环氧乳液冻融后质量变化较小,因此主要用相对动弹性模量的变化来表征其抗冻性。图5 为水性环氧树脂乳液改性砂浆相对动弹性模量随冻融次数的变化。
不同乳液掺量砂浆相对动弹性模量随冻融次数的变化
由图5 可知,普通砂浆M0-2.5 随冻融的进行损伤较大,冻融175 次后相对动弹性模量已降低至60%以下,表明试件已经破坏;水性环氧树脂乳液改性砂浆的动弹性模量随冻融次数的增加降低速率明显低于普通砂浆,本试验中几组水性环氧树脂乳液改性砂浆经175 次冻融循环后,相对动弹性模量仍均在60%以上,试件尚未破坏。对于同灰砂比的砂浆,聚灰比越高,不同次数冻融后的相对动弹性模量越高,即抗冻性越好;对于同聚灰比的砂浆,灰砂比越高,抗冻性越好。
2.5 微观分析
2.5.1 显微结构
普通砂浆M0-2.5 和水性环氧树脂乳液改性砂浆M8-2.5的SEM 照片见图6。
砂浆试样的SEM 照片
由图6 可见,普通砂浆的结构相对比较疏松,其中含有大量片状Ca(OH)2 和针状钙矾石,而水性环氧树脂乳液改性砂浆结构比较致密,其中的孔隙大多被聚合物填充,环氧聚合物形成了连续三维网状膜结构,Ca(OH)2 较少,而未水化水泥颗粒较多。正是环氧聚合物对孔隙的填充作用和对水泥水化物与骨料的粘结作用赋予了改性砂浆良好的力学性能。对孔隙的填充还堵塞了内部孔隙与外界的通道,阻碍了水分的蒸发与CO2和氯离子的渗入,从而显著降低了水泥砂浆的干燥收缩,提高水泥砂浆的抗碳化性能和抗氯离子渗透性。聚合物膜的低弹性模量使其具有较大的可变形性,尤其堵塞裂缝时可以有效阻止裂缝的扩展,有利于降低砂浆在冻融过程中的结构损伤。
2.5.2 孔结构
普通砂浆M0-2.5 和水性环氧树脂乳液改性砂浆M8-2.5硬化28 d 试样的孔径分布见表3。
环氧树脂乳液改性砂浆和普通砂浆的孔径分布
由表3 可见,掺加水性环氧树脂乳液后,砂浆的孔径分布发生了较大的变化,即总孔体积和平均孔径均明显减小。改性砂浆M8-2.5 的总孔隙率为0.065 cm3/g,比普通砂浆M0-2.5降低了34.5%;砂浆M0-2.5 中孔径大于100 nm 的孔占总孔体积的35.64%,而砂浆M8-2.5 中孔径大于100 nm 的孔仅占总孔体积的14.30%,大孔体积大大降低。
 
3 结语
(1)掺加水泥用量的6%~10%水性环氧树脂乳液可以有效提高水泥砂浆的抗折、抗压、抗拉强度和与老砂浆的粘结强度。
(2)水性环氧树脂乳液可显著提高水泥砂浆的体积稳定性和耐久性。掺加水泥用量的6%~10%水性环氧树脂乳液后,水泥砂浆的收缩值减小,抗氯离子渗透性、抗碳化性以及抗冻性能均随水性环氧树脂掺量的增加而显著提高。
(3)水性环氧树脂乳液成膜后可以填充砂浆孔隙,降低砂浆孔隙率,减小砂浆平均孔径,增强砂浆中各种组分间的连接,从而改善砂浆性能。
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