水灰比和聚灰比对改性砂浆性能和微观结构的影响

第31卷第2期2010年2月东北大学学报(自然科学版) Journal of Northeastern University (Natural Science ) Vol 131,No. 2Feb. 2010

水灰比和聚灰比对改性砂浆性能和微观结构的影响

赵文杰1, 张会轩2,3, 张宝砚1

(1. 东北大学理学院, 辽宁沈阳　110004; 2. 长春工业大学化学工程学院, 吉林;

3. 中国科学院长春应用化学研究所, 吉林长春　)

摘　　　要:将核壳比为50/50的聚丁二烯接枝聚苯乙烯(2g ) , 考察了聚灰比

(聚合物对水泥的质量比) 和水灰比(、抗压和抗折强度以及水吸

收速率的影响・结果表明:; 胶乳能显著降低改性砂浆的毛细孔吸水率; , , 部分改性砂浆的抗折强度有所提高・微观结构分析表明:, ・

关　键　; 砂浆性能; 微观结构; 水灰比; 聚灰比

中图分类号:41　　　文献标志码:A 　　　文章编号:100523026(2010) 0220236205

E ffects of Polymer 2Cement R atio and W ater 2Cement R atio on

Properties and Microstructure of Modif ied Mortars

ZHA O Wen 2jie , ZHA N G Hui 2x uan

1

2, 3

, ZHA N G B ao 2yan

1

(1. School of Sciences , Northeastern University , Shenyang 110004, China ; 2. Institute of Chemical Engineering , Changchun University of Technology , Changchun 130012, China ; 3. Changchun Institute of Applied Chemistry , Chinese Academy of Sciences , Changchun 130022, China. Corres pondent :ZHAO Wen 2jie , E 2mail :zwjie4855@sina. com )

Abstract :The polybutadiene 2graft 2polystyrene (PB 2g 2PS ) latex with a core 2shell ratio 50/50was used to modify cement mortar. The effects of water 2cement ratio (W/C ) and the polymer 2cement ratio (P/C ) on the flowability , compressive/flexural strength and water absorption rate of the cement mortar modified with PB 2g 2PS core 2shell structure latex were investigated. Experimental results showed that the flowability of modified mortar increases with increasing P/C and W/C , and the PB 2g 2PS latex can remarkably reduce the capillary water absorption rate. Although the compressive strength of the PMM (polymer modified mortar ) decreases , the flexural strength of part of PMMs increases to a certain extent at low W/C. The microstructural analysis showed that the mortar modified in such way is of more compact structure , thus benefitting the improvement of its performance.

K ey w ords :core 2shell latex ; modified cement mortar ; property of cement mortar ; microstructure ; water 2cement ratio ; polymer 2cement ratio

利用聚合物对水泥砂浆进行改性可以提高水泥砂浆的黏结和抗渗性能[1]・在以往的研究中[2], 人们使用较多的聚合物是无规共聚胶乳, 但核壳结构聚合物与其相比能够显著提高聚合物耐水性、耐磨性、耐候性、耐污性及防辐射性能, 并

且能降低最低成膜度, 成膜性、稳定性及力学性能

更好[3-4]・

本文利用核壳比为50/50的PB 2g 2PS 胶乳制备改性砂浆, 考察了水灰比和聚灰比对水泥砂浆的流动性、抗压和抗折强度、水吸收速率以及形态

收稿日期:2009201220

基金项目:国家高技术研究发展计划项目(2004AA304020) ・

作者简介:赵文杰(1970-) , 男, 吉林长春人, 东北大学博士研究生; 张宝砚(1942-) , 女, 黑龙江哈尔滨人, 东北大学教授, 博士生

导师・

第2期　　　　赵文杰等:水灰比和聚灰比对改性砂浆性能和微观结构的影响结构的影响, 并且在实验结果及Ohama [5]的改性机理基础上, 进一步探讨聚合物对水泥砂浆的改性机理・

237

24h , 脱模后置于20℃水中养护6d , 再于温度为20℃,RH 65%的空气中养护21d , 共养护28d ・

1　实验材料和实验方法

1. 1　实验材料

PB 2g 2PS 胶乳:自制; 水泥:鼎鹿牌P ・Ⅱ4215R 硅酸盐水泥, 亚泰水泥厂生产; 集料:水泥

依据G B/T 2419—2005进行聚合物改性砂浆的流动度实验・依据德国标准DIN 52617进行砂浆水吸收速率实验・依据G B 17671/1999测定聚合物改性砂浆的抗压和抗折强度・

将养护28d 的砂浆试体经抗压和抗折实验后, 用锤子敲碎, 选取表面平整的薄片, 先用质量分数为1%的盐酸腐蚀60s , 再用无水乙醇浸泡2～3h , 重, , 照胶砂强度检验用ISO 标准砂, 厦门艾思欧标准砂有限公司生产; 用中国科学院科学仪器厂KYKY -2800B 型扫描电子显微镜观察砂浆样品的微观

形貌; 拌和水:蒸馏水・

表1　PB 2g 2PS 胶乳的性能指标Table 1　Performance indice s of g 粒径mm

410

p H 9. 0

2. 1　水灰比和聚灰比对改性砂浆流动度的影响

固含量

非离子型

50/50

1. 2　实验方法

表2列出了胶乳改性砂浆的混合比例・首先向搅拌机中加入胶乳, 然后加入所需水量, 样品依据G B 17671(ISO 679) 制备成40mm ×40mm ×160mm 的试体・在20℃, RH 90%条件下养护

从表2可见, 相同水灰比时, 改性砂浆的流动

度随聚灰比增加而增加, 在较高聚合物水平时增加更为显著; 原因是水泥颗粒通常带正电荷, 乳胶粒子表面也带正电荷, 因此在乳胶粒子和水泥颗粒之间存在静电斥力作用, 这可能有助于增加砂浆的流动性・在相同聚灰比时, 发现改性砂浆的流动度随水灰比的增加而增加, 因为在较高水灰比时改性砂浆稠度增加・

表2　聚合物改性砂浆的混合比例及性能

Table 2　Mixture ratios and propertie s of polymer 2modified mortar

代　号　纯水泥砂浆

50/502550/5021050/5021550/50220纯水泥砂浆50/502550/5021050/5021550/50220

灰砂质量比

1∶3

聚灰比/%

[**************]

水灰比

0. 40. 40. 40. 40. 40. 50. 50. 50. 50. 5

流动度/mm

[***********]234300>300>300

抗压强度/MPa

50. 6345. 3135. 6332. 2127. 1842. 4027. 8726. 3029. 6024. 27

抗折强度/MPa

7. 398. 599. 307. 306. 407. 117. 376. 96. 75. 1

1∶3

2. 2　水灰比和聚灰比对砂浆抗压强度的影响

从表2可见, 水灰比相同时, 随聚灰比增加, 抗压强度急剧降低, 这是由于聚灰比较低时, 砂浆的孔隙率显著上升[2]・对水灰比为015的改性砂浆, 当聚灰比增加到10%时, 抗压强度下降至最低值; 此后, 抗压强度开始反弹, 当聚灰比为15%时, 改性砂浆抗压强度达到最大值, 然后又呈下降趋势, 但降幅较小・总体上, 改性砂浆抗压强度都

比参比砂浆的低, 但一部分改性砂浆抗压强度损失率仅为百分之几・抗压强度降低的原因是胶乳加入到水泥砂浆后成为水泥砂浆的组成相, 这虽

然可以增加材料内部的黏结, 填充孔隙, 阻止微裂

纹生长, 有利于提高改性砂浆抗压强度, 但是胶乳在水泥砂浆中仍占有一定体积, 其弹性模量远远低于水泥砂浆; 因此, 它只能承受拉应力, 而几乎不能承受压应力・当水泥砂浆受压时, 聚合物相就如同砂浆中的孔隙一样, 导致砂浆抗压强度降低[6]・聚灰比相同时, 水灰比为015的改性砂浆抗压强度较低, 这可能是由于水含量较高导致改性砂浆孔隙增加及结构疏松・2. 3　水灰比和聚灰比对砂浆抗折强度的影响

同样从表2可见, 随聚灰比增加, 抗折强度呈

238

东北大学学报(自然科学版) 　　　　　　　　　　　第31卷

量之外多余的水分较少

・

先增加后下降的趋势, 聚灰比增至5%～10%时,

抗折强度达最大值, 进一步增加聚灰比时, 抗折强度又下降・总体上, 在聚灰比较低时, 一部分改性砂浆的抗折强度比参比砂浆的高・这一实验结果与Sakai [7]等研究结果一致・在聚灰比较低时抗折强度的提高可能归因于聚合物粒子分布; 但是在较高聚灰比时抗折强度降低, 可能是由于软的聚合物粒子在砂浆中象孔隙一样, 导致抗折强度下降・聚灰比相同时, 水灰比为014的改性砂浆抗折强度较高, 这可能是由于水含量较低导致改性砂浆孔隙较少・

2. 4　水灰比和聚灰比对砂浆水吸收速率的影响

图2　参比砂浆的SE M 照片

Fig. 2　SE M image s of the mortar as reference

(a ) —水灰比014; (b ) 015・

3. 23. 图1的变化曲线・从图中可见, , 水量随时间的延长而增加长缓慢・比较5浆低得多・, , 在聚灰比为%时, 24h 吸水量仅为0187kg/m 2, 这与梅迎军[8]等研究结果一致・主要原因是, 在改性砂浆中更多缝隙和孔洞被聚合物膜和薄片状物质所封闭和填充

・

3和图4所示・当5%时, 少量薄片状物质松散地分散在砂浆孔洞中; 当聚灰比为10%～15%时, 孔洞中薄片状物质数量增加; 当聚灰比达20%时, 薄片状物质变得相当浓密・这种薄片状物质可能是氢氧化钙和聚合物的混合物, 但前者含量应较高・比较图3和图4发现, 在图4的孔洞中薄片状物质变得相当浓密, 可能是由于水含量较高时有利于氢氧化钙晶体生成・3. 2. 2　改性砂浆中聚合物膜的不同形态

紧密堆积的聚合物粒子在毛细压力和挤压力的作用下可能形成聚合物膜, 如图5和图6所示・在聚灰比较低时, 聚合物成膜并不占优势, 聚合物膜的碎片有时分散在砂浆基体中, 从而在水泥水化物之间起到桥接作用(图5a ) , 有时分散在孔洞中(图6a ) ・当聚灰比为10%时, 聚合物呈现一种带状结构, 可能由于在外力作用下聚合物膜发生形变, 在水泥水化物之间起到一种桥接作用, 而且

图1　聚合物改性砂浆的吸水量随时间的变化

(水灰比014)

Fig. 2　T ime 2dependent change in weight absorbed

by PMMs (W/C =014)

水灰比为015时, 改性砂浆吸水情况与图1基本相同・在聚灰比为20%时,24h 后吸水量为1198kg/m ・水灰比为014的改性砂浆吸水速率

2

能够封闭微裂纹・这一过程会吸收能量, 从而提高

材料抗折性能・当聚灰比为15%时, 聚合物膜变得更加浓密, 与水泥水化物相互交织在一起, 已形成了互穿网络结构・当聚灰比为20%时, 完全发展的互穿聚合物膜最为浓厚, 与水泥水化物完全相互交织在一起, 部分聚合物网膜由于水泥水化物的生长已破裂, 聚合物膜与水泥水化物之间已形成了占有绝对优势的互穿网络结构, 水泥水化物和骨料几乎融为一体, 极大地改善了砂浆结构・比较图5、图6发现, 图6聚合物成膜性较好, 这可能是由于水灰比较高时水泥水化较充分, 因此由水泥水化物体积长大而产生的对聚合物粒子的挤压力增加・

形成上述不同结构的主要原因是外力和基体中局部分布的不均匀性造成的・这种不均匀性主要是由于机械(如应力) 、物理(如毛细压力、水分

较低, 原因是改性砂浆的孔隙和微裂纹较少, 更容易被聚合物膜和薄片状物质所填充和封闭・

3　微观结构分析

3. 1　参比砂浆的微观结构

图2是参比砂浆SEM 照片・水灰比为015的砂浆结构较疏松, 水泥水化物和骨料之间结合较弱, 而且存在较长较宽的缝隙; 水灰比为014的参比砂浆结构比较致密, 原因是除水化作用所需水

第2期　　　　赵文杰等:水灰比和聚灰比对改性砂浆性能和微观结构的影响蒸发、水化产物体积长大而产生的挤压力和水撤出时的推动力) 或化学(如局部沉淀, 即溶解的化

239

学物质重新分布) 等因素的综合作用造成的

・

图3　水灰比为0. 4时不同聚灰比的改性砂浆的孔隙结构

Fig. 3　Pore s structure s of PMMs at W/C =0. 4with different P/C (a ) —聚灰比5%; (b ) —聚灰比

10%; (c ) —聚灰比%; () 图4　水灰比为0. 5时不同聚灰比的改性砂浆的孔隙结构

Fig. 4　Pore s structure s of PMMs at W/C =0. 5with different P/C ratios

(a ) —聚灰比5%; (b

) —聚灰比10%; (c ) —聚灰比15%; (d ) —聚灰比20%・

图5　聚合物改性砂浆中聚合物膜的不同形态(水灰比0. 4)

Fig. 5　Different morphology of polymer films in the PMMs at W/C =0. 4

(a ) —聚灰比5%; (b

) —聚灰比10%; (c ) —聚灰比15%; (d ) —聚灰比20%・

图6　聚合物改性砂浆中聚合物膜的不同形态(水灰比0. 5) Fig. 6　Different morphology of polymer films in the PMMs at W/C =0. 5

(a ) —聚灰比5%; (b ) —聚灰比10%; (c ) —聚灰比15%; (d ) —聚灰比20%・

4　结　　论

1) 胶乳改性砂浆流动度随聚灰比和水灰比

先增加后下降趋势; 聚灰比相同时, 水灰比为0. 4

的改性砂浆抗折强度较高・

4) 改性砂浆水吸收速率随聚灰比增加呈下降趋势, 并且都低于参比砂浆水吸收速率; 水灰比为014的改性砂浆水吸收速率较缓慢・

5) 改性砂浆中各组分紧密结合在一起; 水灰比为0. 4的改性砂浆结构比水灰比为015的致密, 但不宜于聚合物膜和薄片状物质的生成・

的增加而增加・

2) 改性砂浆抗压强度比参比砂浆的低・水灰比为015的改性砂浆抗压强度随聚灰比增加呈先下降后增加最后又下降趋势; 聚灰比相同时, 水灰比为0. 5的改性砂浆的抗压强度较低・

3) 随聚灰比的增加, 改性砂浆抗折强度呈

240

东北大学学报(自然科学版) 　　　　　　　　　　　第31卷

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