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閱讀 6365 次 WSP水泥砂漿力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究

摘要：關(guān)于水溶性高分子（WSP)水泥砂漿的研究較少且研究環(huán)境不一致。本文在相同工作條件下，通過試驗(yàn)研究了不同摻量的新一代水溶性高分子聚合物水泥砂漿與普通水泥砂漿、摻加聚羧酸高效減水劑的水泥砂漿的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度。結(jié)果表明, WSP增強(qiáng)水泥砂漿強(qiáng)度并降低了水泥用量；此外，存在一個(gè)WSP最佳摻量，在此摻量時(shí)，水泥砂漿的力學(xué)性能最好。SEM照片分析顯示，加入WSP后改變了砂漿的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài), 在砂漿中形成了水化產(chǎn)物與WSP膜交織的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 從而起到改性作用。...
 
WSP水泥砂漿力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究
 
張巖    張浩博    孫有聚    劉禹
（西安理工大學(xué) 西安 710048） 
（杭州鼎膜結(jié)構(gòu)工程有限公司  浙江 311112）
1、引言
    普通混凝土存在一些自身難于克服的缺陷，如它的抗拉強(qiáng)度較低，脆性大，凝結(jié)硬化比較緩慢，干縮量大等。因而，普通混凝土向高性能、多功能化發(fā)展是當(dāng)今的必然趨勢。
 
    我國現(xiàn)代化建設(shè)的高速發(fā)展對混凝土用量和質(zhì)量提出了較高的要求。實(shí)際工程表明，在滿足建設(shè)質(zhì)量、保證工藝簡單的同時(shí)，要厲行節(jié)約。聚合物改性混凝土能夠采用普通混凝土的拌合設(shè)備和成型設(shè)備，容易適應(yīng)現(xiàn)有混凝土的生產(chǎn)工藝，因而對聚合物改性混凝土的研究已經(jīng)成為當(dāng)前混凝土發(fā)展的前沿領(lǐng)域。但是在大型的工程實(shí)踐推廣應(yīng)用中，國內(nèi)外聚合物混凝土除了聚合物纖維能夠廣泛應(yīng)用于纖維增強(qiáng)混凝土以外，別的方面基本上還沒有取得較大的進(jìn)展。因此，對聚合物混凝土的深入研究并能夠使其迅速在工程中得到最廣泛地的普及應(yīng)用迫在眉睫。
 
    新一代水溶性高分子聚合物WSP（Water Soluble Polymer）易溶于水，在混凝土中分布均勻，不存在攪拌結(jié)團(tuán)、離析、易折斷等問題， WSP分子可以在混凝土內(nèi)部生成三維網(wǎng)狀纖維物質(zhì)，纖維的縫隙間形成空間骨架體系結(jié)構(gòu)，從而起到增強(qiáng)增韌作用。此外，WSP不同于傳統(tǒng)的聚合物乳液，不僅具有高效減水劑的效果，而且形成的網(wǎng)狀纖維物質(zhì)與水泥石具有“親附性”，使得混凝土力學(xué)性能在根本上進(jìn)行改善。
 
    本文對普通、摻加聚羧酸高效減水劑及摻加WSP的三種水泥砂漿進(jìn)行了力學(xué)性能對比試驗(yàn)研究，并對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為聚合物改性混凝土的研究提供定性認(rèn)識。
 
2、試驗(yàn)設(shè)計(jì)  
    2.1  試驗(yàn)原料
    1）水泥：秦嶺牌PO32.5R水泥，各項(xiàng)指標(biāo)符合國標(biāo)GB 175-1999。
    2）砂子：產(chǎn)于西安灞河，細(xì)度模數(shù)為2.7的中砂，級配良好。
    3）外加劑：陜西金石混凝土科技發(fā)展有限公司提供的聚羧酸高效減水劑,WSP水溶性高分子聚合物。
 
    2.2  試驗(yàn)方案
    1）流動(dòng)度試驗(yàn)，測定減水率；
    2）測出相同流動(dòng)度（133mm±2）下，普通砂漿、摻加聚羧酸、摻加不同摻量WSP水泥砂漿各組成原料的最佳比例；及其3天、7天、28天的抗壓、抗折強(qiáng)度對比；
    3）摻入WSP的砂漿其抗壓、抗折強(qiáng)度及壓折比同聚灰比的關(guān)系比較。
 
3、試驗(yàn)結(jié)果及分析
    3.1  試驗(yàn)結(jié)果
    普通、摻加聚羧酸以及WSP水泥砂漿各原料用量如表1所示。測定相同流動(dòng)度條件下的各類砂漿的力學(xué)性能，分別如表2、表3所示。
表1 水灰比與流動(dòng)度一定條件下各水泥砂漿用量比
砂漿類別
編號
摻量（%）
水泥：砂子：水
流動(dòng)度（mm）
減水率（%）
普通
N1
0
1:2.6:0.5
133
0
摻加聚羧酸
J
1.5
1:3.2:0.5
18.85
摻加WSP
W1
2
1:3.0:0.5
13.46
W2
4
1:3.2:0.5
20.00
W3
6
1:3.3:0.5
22.11
W4
8
1:3.6:0.5
27.30
 
表2 復(fù)合砂漿與同條件下普通水泥砂漿的抗折強(qiáng)度比較
砂漿類別
編號
抗折強(qiáng)度（MPa）
相對普通砂漿強(qiáng)度提高率（％）
3天
7天
28天
3天
7天
28天
普通
N1
4.05
4.82
6.52
0
0
0
摻加聚羧酸
J
3.42
4.65
6.34
-15.6
-3.5
-2.8
摻加WSP
W1
3.35
4.76
6.73
-17.3
-1.2
3.2
W2
3.80
4.58
7.17
-6.2
-5.0
10.0
W3
3.88
4.56
6.32
-4.2
-5.4
-3.1
W4
3.78
4.56
5.74
-6.7
-5.4
-12.0
 
表3 復(fù)合砂漿與同條件下普通水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度比較及壓折比
砂漿類別
編號
抗壓強(qiáng)度（MPa）
相對普通砂漿強(qiáng)度提高（％）
壓折比降低（％）
3天
7天
28天
3天
7天
28天
3天
7天
28天
普通
N1
15.3
24.3
41.7
0
0
0
0
0
0
摻加聚羧酸
J
12.5
21.5
34.6
-18.3
-11.5
-17.0
3.4
8.3
14.6
摻加WSP
W1
15.3
23.2
31.6
0
-4.5
-24.2
-20.9
3.4
26.7
W2
15.1
21.8
32.5
-1.3
-10.3
-22.1
-5.0
5.6
29.2
W3
14.8
20.0
28.7
-3.3
-17.7
-31.2
-0.8
13.5
28.3
W4
13.6
19.2
26.3
-11.1
-21.0
-36.9
-4.8
16.5
28.4
    注：表2、表3中強(qiáng)度負(fù)號表示與普通砂漿相比，強(qiáng)度降低，表3中壓折比負(fù)號表示壓折比提高。
 
    3.2   結(jié)果分析
    根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分別繪出圖1－圖4。
    1）由圖1、圖2，在砂漿中摻入2%、4%、6%、8% (WSP與水泥的質(zhì)量比即聚灰比)后的WSP抗折、抗壓強(qiáng)度在一定程度上有所提高，摻量為4%時(shí)強(qiáng)度最大，強(qiáng)度提高率隨齡期的增長有所下降。表明，WSP摻量存在最佳值，最佳摻量在4％左右。
 
    2）由圖3，WSP水泥砂漿早期強(qiáng)度一般，28d齡期時(shí)，抗折強(qiáng)度較普通砂漿提高10％；聚羧酸砂漿抗折強(qiáng)度略低。由此可知，在相同流動(dòng)度和水灰比條件下，摻入聚羧酸能夠大幅度減少水泥用量，但對提高水泥漿體的抗折強(qiáng)度作用不大；WSP在最佳摻量時(shí)，在大幅度減少水泥用量的同時(shí)能較大地提高水泥漿體的抗折強(qiáng)度。
 
    3）水灰比相同，隨WSP摻量的增加，減水率增大。
 
    4）隨著聚灰比的增大，壓折比也增大。由圖4，隨齡期的增長，普通砂漿的脆性增加，而隨著WSP摻量的增大，脆性逐漸減小。聚羧酸和WSP的摻入均可以降低壓折比，提高柔韌性。
 
    5）WSP相比聚羧酸，減水率更高，和易性好，流動(dòng)性持久，保水性良好，且強(qiáng)度不降低。
 
    3.3  微觀結(jié)構(gòu)分析
    微觀結(jié)構(gòu)通過SEM照片進(jìn)行分析，普通、摻加聚羧酸及摻加WSP的水泥砂漿7天齡期的SEM照片分別如圖5、圖6、圖7所示。
    水泥砂漿是一個(gè)多相多孔的體系，加入WSP后，其微觀結(jié)構(gòu)，特別是孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，由SEM照片可以觀察。由圖5，普通砂漿中有大量針狀的鈣礬石晶體和一些絮狀的水化硅酸鈣凝膠，未水化水泥仍以顆粒形式單獨(dú)存在，水化產(chǎn)物在其表面生長，存在較多孔隙且之間的連接稀少。由圖6顯示的聚羧酸水泥砂漿的水化結(jié)構(gòu)中，一些絮狀物形成多而雜，它們之間有薄弱連接，但不規(guī)則。當(dāng)摻入WSP，由圖7觀察到聚合物WSP的成膜情況，針狀的鈣礬石晶體之間被許多膜狀物粘結(jié)在一起，很多條形物聚集成為環(huán)形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，許多膜狀物越過孔隙，起到架橋和填充作用，孔隙體積變小，聚合物的相互交錯(cuò)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。照片顯示，WSP在水化早期就開始逐漸形成大量的膜狀聚合物網(wǎng)絡(luò)和聚合物鍵橋，使得其后期的抗折強(qiáng)度以及韌性等有很大改善。
 
    圖8與圖9對比發(fā)現(xiàn)，聚合物的摻入明顯改變了骨料－漿體界面過渡區(qū)的形貌。普通砂漿，骨料－漿體界面過渡區(qū)較松散；摻入WSP，聚合物的成膜反應(yīng)不僅在水泥漿體中形成了聚合物鍵橋和膜狀聚合物網(wǎng)絡(luò)，而且聚合物的黏附特性使得骨料顆粒的表面包裹著一層呈集聚態(tài)的聚合物膜。此時(shí)，骨料與聚合物改性水泥漿體的界面連接已經(jīng)不再是水泥水化產(chǎn)物與骨料凹陷區(qū)域的直接嚙合搭接，而是聚合物膜與包裹在骨料顆粒表面的聚合物以聚合物鍵橋的方式搭接。此外，聚合物成膜反應(yīng)所形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以聚合物鍵橋和有孔聚合物膜相互交錯(cuò)的形式分布在整個(gè)水泥漿體中，在應(yīng)力作用時(shí)可以發(fā)揮緩沖效應(yīng)，對荷載作用下漿體裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展具有抑制作用，從而在根本上改善硬化水泥漿體的性能。
 
4、結(jié)論
    1) WSP使水泥砂漿力學(xué)性能得到一種全新的改善，抗折強(qiáng)度提高10%以上，壓折比降低達(dá)25%，有效提高了水泥砂漿的柔韌性，并在更大程度上降低了水泥用量，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。微觀結(jié)構(gòu)分析表明，水泥砂漿摻入WSP后，形成空間網(wǎng)狀纖維結(jié)構(gòu)，使得其微觀結(jié)構(gòu)得到改善。
 
    2) 通過試驗(yàn)得出WSP的最佳摻量值，為WSP在實(shí)際施工的推廣應(yīng)用提供了參考依據(jù)。
 
 
參考文獻(xiàn)：
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[5]  李亞杰,方坤河. 建筑材料[M].中國水利水電出版社,2007,1.
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[7]  張巖.WSP聚合物混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[D], 西安:西安理工大學(xué),2008,3.
 
 
(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 楊葉 編輯  劉真 審核)
 
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