聚合物乳液对水泥基材料性能的影响研究

裴丽蓉

（山西省长治市交通建设工程质量监督站，山西 长治 046000）

聚合物乳液改性水泥基材料由于具有较好的抗渗性、耐腐蚀性等优点，近年来常作为修补材料、路面罩面材料、防渗材料等得到了较为广泛的应用[1]。但由于市场上聚合物乳液种类较多，且聚合物乳液种类、用量等不同时对水泥基材料性能的影响差别也较大，例如，一般来说聚合物乳液对水泥的水化具有延迟作用，而对于水泥基材料其凝结时间又是其重要的性能指标，凝结时间过短明显对施工有较大的限制作用，而凝结时间过长又会延误工期，因此在施工前需结合实际状况对聚合物乳液的种类及用量进行选择[2-3]。本文对常用的3种聚合物乳液：Styrofan D623丁苯乳液、Acronal PS608苯丙乳液、S400丙烯酸乳液对水泥基材料的凝结时间、减水性能、抗渗性能、力学性能等指标的影响进行了研究，以便为实际施工提供一定的施工依据，并为后期深入研究提供理论基础。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥：选用由黄石市华新水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其物理性能与化学成分详见表1、表2；聚合物乳液：由上海巴斯夫公司所产的3种乳液，分别为：Styrofan D623丁苯乳液、Acronal PS608苯丙乳液、S400丙烯酸乳液，相关性质见表3；砂：标准砂；减水剂：FDN-1萘系粉剂减水剂，其型号为PC-3301C。

表1 水泥的物理性能

表2 水泥的化学组成 %

表3 聚合物乳液物理性质

1.2 试验方法

a）凝结时间：依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30—2005）中的T0505—2005对水泥净浆的初终凝时间进行测定。b）减水性能：选定灰砂比为1∶3，P/C（聚灰比）控制为5%、10%、15%、20%，新拌水泥砂浆试样的跳桌流动度固定为：140±5 mm，W/C（水灰比）根据流动度进行调整，并通过公式K=(R0-r1)/R0×100%计算不同聚合物乳液的减水率，研究PS608、SD623、S400对水泥砂浆的减水效果，式中K为不同聚合物乳液减水率，%；R0为基准样的水灰比；R1为掺入聚合物乳液样品的水灰比。c）抗渗性能：取水灰比为0.3，灰砂比为1∶3，P/C（聚灰比）分别为 0%（空白样 /KBY）、5%、10%、15%、20%，通过改变减水剂掺量控制水泥砂浆的跳桌流动度为140±5 mm，依据《氯离子扩散系数快速测定法》（RCM法），来研究不同聚合物种类及掺量对水泥砂浆抗渗性能的影响。d）力学性能：选取P/C（聚灰比）分别为0%（空白样）、5%、10%三组试样，依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30—2005）进行成型，并在养护至7 d、28 d后进行强度性能测试，来研究不同聚合物种类机掺量对水泥砂浆力学性能的影响。

2 结果与分析

2.1 不同聚合物乳液对水泥净浆凝结时间的影响

图1 聚合物乳液对水泥初凝时间的影响

图2 聚合物乳液对水泥终凝时间的影响

对于PS608、SD623、S400不同掺量对水泥净浆凝结时间的影响具体见图1、图2所示。通过测试结果可见：3种聚合物乳液加入后，均会延迟水泥水化的进行，且乳液用量越多，试样初、终凝所需要的时间也就越长。这是由于：随着水泥水化的进行，聚合乳液逐渐脱水成膜并吸附在水泥颗粒表面，不仅阻碍了水泥与水的接触，也阻碍了水化产物的迁移，从而延迟其水化。在用量相同时，3种乳液对水泥水化的延迟作用排序为：S400＞PS608＞SD623；在聚灰比为20%时，S400净浆的初凝、终凝时间分别为320 min、410 min，分别是空白样的2.5倍、2.1倍；SD623的初、终凝时间分别为263 min、358 min，分别是空白样的2.0倍、1.8倍。由此也可以看出聚丙烯酸类乳液对水泥水化延迟作用较大，苯丙类次之，而丁苯类乳液对水泥水化延迟作用较小。

2.2 不同聚合物乳液的减水性能研究

由于聚合物乳液中有表面活性剂，并能引入气泡，能起到滚珠作用，从而表现出一定的减水效果[4-5]。对于这3种乳液不同掺量的减水效果，见图3。可见聚合物乳液种类、用量不同，减水效果也会有所不同：a）在相同聚灰比下减水效果的顺序为：SD623＞PS608＞S400，在聚灰比为10%时S400的减水率为13.1%，而SD623的减水率为28.3%，是S400的2.2倍。b）随着聚合物乳液用量的上升，3种乳液的减水效果也会有所增加，但在P/C高于15%时，聚合物乳液减水效果的上升趋势并不明显增加，而是逐渐趋于稳定趋势。对于PS608：在聚灰比为15%时减水率比10%时提高42.9%，而聚灰比为20%时比15%时提高6.7%。由此看出SD623的减水效果最好，而S400的减水效果较差，且考虑到性价比聚灰比尽量不高于15%。

图3 不同聚合物乳液的减水性能

图4 聚合物乳液对水泥砂浆抗渗性能的影响

2.3 不同聚合物乳液对砂浆抗渗性能的影响研究

对于PS608、SD623、S400对水泥砂浆抗渗性能的影响，结果见图4所示。可见：乳液掺量及种类不同，砂浆试样的抗渗性能也会有所不同，但在一定程度上均会有所提高。这是由于聚合物乳液具有一定的减水效果，能够降低砂浆内部孔隙率，此外聚合物乳液脱水后形成的聚合物膜能较好地填充内部空隙及改善界面过渡区，提高砂浆密实性，从而提高砂浆的抗渗性能[6]。3种乳液改善砂浆的抗渗性顺序为：SD623＞PS608＞S400，且随着聚灰比的增加，抗渗性能呈现上升趋势，当P/C为20%时SD623、PS608、S400三种乳液改性砂浆的氯离子抗渗系数分别为：3.4×10-13m2/s、4.1×10-13m2/s、5.2×10-13m2/s，分别比空白样降低71.7%、65.8%、56.7%，说明聚合物乳液能较好地改善水泥砂浆的抗渗性能，并且在P/C相同时，SD623改性砂浆的抗渗性能最佳。

2.4 不同聚合物乳液对砂浆力学性能的影响

表4 聚合物乳液种类及掺量对砂浆力学性能的影响

由表4可见：

a）对于抗压性能 乳液的加入会使试样的抗压强度有所降低，并且P/C越大，降低程度越多，其中加入S400乳液的试样表现的最为突出，在聚灰比为10%时，28 d抗压强度降低35.1%。

b）对于抗折性能 分别加入3种乳液后，砂浆试样的抗折强度均会改善，其中SD623改善作用较大，其P/C为10%时，28 d抗折强度为11.35 MPa，提高12.3%。

c）对于折压比 乳液的加入对砂浆的折压比有较好的改善作用，可见乳液能够改善砂浆试样的柔韧性，且顺序为：S400＞SD623＞PS608，在聚灰比为10%时，掺入S400的28 d砂浆试样折压比提高69.5%，掺入PS608的28 d砂浆试样折压比提高20.0%。这是由于加入的聚合物乳液脱水形成的聚合物膜虽能改善砂浆试样内部界面过渡区，增大浆体与集料间的黏结性能，但聚合物膜相对柔软，起不到较好的刚性支撑作用，因此加入聚合物乳液后会降低试样的抗压强度，而提高其抗折强度及折压比[6]。

3 结论

a）3种聚合物乳液均会延迟水泥水化的进行，且乳液用量越大，试样初、终凝时间也越长。在用量相同时，3种乳液对水泥水化的延迟作用顺序为：S400＞PS608＞SD623。

b）3种聚合物乳液均具有一定的减水效果，且在相同聚灰比下减水效果的顺序为：SD623＞PS608＞S400，在实际应用时考虑到性价比，聚灰比尽量不高于15%。

c）分别加入3种聚合物乳液后，砂浆试样的抗渗性能均会得到提高，并随着聚灰比的增加抗渗性能呈现上升趋势，且3种乳液改善砂浆的抗渗性顺序为：SD623＞PS608＞S400。

d）3种乳液均会使砂浆试样的抗压强度降低，而抗折强度、折压比均有所提高，改善了砂浆试样的柔韧性，且顺序为：S400＞SD623＞PS608；在聚灰比为10%时，掺入S400的28 d砂浆试样折压比提高69.5%，掺入PS608的28 d砂浆试样折压比提高20.0%。