聚合物改性硅粉混凝土力学性能研究

张　恒，张守杰，郝新宇

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

目前国内外对聚合物改性硅粉混凝土的研究还比较少，像美国、日本、德国、韩国等发达国家，他们对聚合物改性混凝土的研究及应用虽然已经有三四十年的历史，但其研究应用的范围有很大的局限性，只偏重于某些方面，还没有形成一套比较完善的理论体系[1]。我国对聚合物改性硅粉混凝土的研制开发虽然已近40 a，但还远远比不上发达国家，再加上建筑造价和国情所限，应用数量和范围还相当有限，有待进一步开发和发展。本研究采用正交试验手段方法来研究聚合物改性硅粉混凝土力学性能。由此对聚合物改性硅粉混凝土的理论加以完善，并推动其在国民经济建设中的应用步伐。

1　试验原材料及配合比

1.1　水泥

水泥均为哈尔滨水泥厂生产的天鹅牌42.5等级水泥，其物理力学性能和化学成分分别见表1、表2。

表1　水泥物理力学性能

表2　普通硅酸盐水泥化学成分　%

1.2　硅粉

本次实验所用普通硅粉的化学组成见表3。改性硅粉是由普通硅粉通过硅烷偶联剂改性之后得出的产品。

1.3　高效减水剂FDN

本次实验采用FDN萘系高效减水剂,它是β-萘磺酸盐甲醛缩合物，属阴离子表面活性剂。推荐使用掺量为0.5%～1.0%。

表3　硅粉的化学成分　%

1.4　细集料

实验中所用细集料的性能指标见表4。

表4　细集料性能指标

1.5　粗集料

实验中所用的石子的性能指标见表5。

表5　粗集料性能指标

实验中所用粗集料的级配见表6。

表6　粗集料级配

1.6　甲基纤维素

实验所用的甲基纤维素是中国医药(集团)上海化学试剂公司生产的，分子式为

-[C6H7O2(OCH3) x(OH)3-x]-n,

黏度为15～25 cP。

1.7　聚醋酸乙烯乳液

本实验用北京实诚信工贸有限责任公司生产的“京都牌”BJ-235型聚醋酸乙烯乳液。

1.8　拌和水

城市普通饮用水。

1.9　试验配合比

实验采用了42.5等级的普通硅酸盐水泥。空白混凝土、掺硅粉、改性硅粉、苯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液、乳胶、甲基纤维素的混凝土分别记为P、SF、GSF、B、C、L、M。各种聚合物混凝土的配合比见表7。

表7　混凝土配合比(每m3混凝土)

2　力学性能分析

2.1　抗压强度数据

不同组成的聚合物硅粉混凝土的抗压强度见表8、图1。

2.2　抗折强度数据

不同组成的聚合物混凝土的抗折强度见表9、图2。

表8　混凝土的抗压强度　MPa

表9　混凝土的抗折强度　MPa

图1　混凝土抗压强度示意图

图2　混凝土抗折强度示意图

2.3　强度结果分析

2.3.1抗压强度结果分析

由图1可知，掺加各种聚合物的水泥混凝土的抗压强度的发展规律基本一致，即掺加聚合物后，混凝土各龄期强度均比基准混凝土低。

掺硅粉和改性硅粉的混凝土强度比同龄期的纯混凝土要高。掺硅粉混凝土3 d、7 d、28 d龄期的强度同纯混凝土强度(试样p)的比是217%、144%、179%，掺改性硅粉混凝土3 d、7 d、28 d龄期的强度同纯混凝土强度(试样p)的比是239%、145%、120%。这主要是由于：

(1)硅粉的火山灰效应：水泥水化生成物Ca(OH)2与硅粉中的活性SiO2发生反应，降低了水化水泥浆中的Ca(OH)2的数量，生成CSH凝胶[2]；而且含有硅粉的水泥石中大孔体积降低，小孔增加，连通孔减少，从而减少了Ca(OH)2在集料周围的定向分布，提高了集料与水泥浆之间的界面黏结强度[3]。

(2)微细粒子填充效应：硅粉的比表面积为232 000 cm2/g，水泥的比表面积为3560 cm2/g，细小的球状硅粉颗粒可以填充于水泥颗粒之间，使胶凝材料具有良好的级配，降低其用水量。同时，硅粉对水泥粒子的填充性使水泥石的密实性提高，降低了填充水泥粒子间空隙的用水量，使水泥浆的流动性提高。

而掺改性硅粉比掺没改性硅粉的混凝土同龄期的强度大。这是因为：

(1)硅烷偶联剂的减水效果：硅烷偶联剂中含有表面活性成分，掺入混凝土中，可以使水泥水化产物形成的絮凝结构分散开来，随着絮凝结构的分散，包裹着的游离水即可释放出来，从而在混凝土具有相同流动度的情况下，混凝土的水灰比(如表7所示，掺改性硅粉与掺没改性硅粉相比，混凝土的水灰比从0.41降到0.37)降低，硬化后，混凝土的孔隙率有所减少[4]。

(2)硅烷偶联剂的作用机理：硅烷偶联剂的化学式为RSiX3, 其中R为有机基团，X为可水解基团[5]。

首先，当硅粉浸入到硅烷偶联剂当中时，硅烷偶联剂包裹于硅粉的表面，主要为物理吸附。

其次，硅烷偶联剂中的X基团水解，形成硅醇：

硅醇的羟基与水泥水化产物Ca(OH)2中的羟基之间形成氢键后脱水形成硅氧键：

这种由硅氧键形成的网络结构可以明显提高混凝土的强度。

而掺加了甲基纤维素、苯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液、乳胶的混凝土强度比同龄期的纯混凝土的强度要小。因为在估计聚合物水泥材料的物理-力学实验结果时，应考虑其密度和孔隙率。掺上述聚合物的混凝土密度分别为2.386×103kg/m3,2.401×103kg/m3,2.463×103kg/m3,2.276×103kg/m3,比纯的混凝土的密度2.615×103kg/m3都要小。所以，这里不能不考虑到聚合物混凝土的比强度(单位质量的强度)这个因素的影响。

在四种掺聚合物的混凝土中，掺甲基纤维素的和掺聚醋酸乙烯乳液的混凝土的28 d抗压强度要比其他的高。这是因为甲基纤维素能使水泥浆体的水化产物分布更加均匀，从而提高了其总体的受力能力。聚醋酸乙烯乳液中含有表面活性成分，可以使水泥水化产物形成的絮凝结构分散开来，释放出游离水，从而降低水灰比和孔隙率，提高了其强度。掺甲基纤维素的3 d强度较其他聚合物的同龄期强度要低，主要是因为甲基纤维素具有缓凝作用，使其早期强度相对较低，而且甲基纤维素具有引气作用，使混凝土密度降低了。

掺苯丙乳液和乳胶的混凝土强度都比同龄期的纯混凝土的强度要低。这主要归因于聚合物自身的特性，苯丙乳液和乳胶的加入使混凝土的储存模量有所下降，刚度变低。而且聚合物本身的密度都比较低，它们的掺入使混凝土的气孔率增大，密度降低，掺苯丙乳液的混凝土密度为2.401×103kg/m3,掺乳胶的混凝土密度为2.276×103kg/m3,这在一定程度上影响了其强度的发展。

2.3.2抗折强度结果分析

从各种聚合物混凝土的抗折强度的发展来看，掺硅粉和改性硅粉的混凝土的强度比纯混凝土的强度要大。这是由于硅粉的火山灰活性所致，它与水泥的水化产物Ca(OH)2反应生成CSH凝胶，使混凝土的密实度提高，同时也使其界面强度得到改善。

掺甲基纤维素、苯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液的混凝土的抗折强度与纯混凝土相比有一些差异，但不是很大，这说明其抗折强度的发展比抗压强度的发展要好。因为，在聚合物水泥混凝土硬化过程中，聚合物和水泥砂浆之间没有发生化学反应。当拌和混凝土和聚合物乳液时，由于水泥砂浆的水灰比小于临界水灰比，水泥首先从乳液中吸取水分进行水泥的水化反应，与此同时，聚合物乳液由于失去水分而变稠，凝聚成丝状膜层，就像网络一样和水泥凝胶形成的网络贯穿在一起，将骨料牢固地黏结在一起，形成一个整体[6]，这就提高了混凝土的界面强度，从而提高了其抗折强度。

掺乳胶的聚合物混凝土的抗折强度比较小，甚至其28 d强度比7 d强度还要小。这属于比较反常的现象，跟其成型过程有关。乳胶有很强的黏结性，且其水溶性不好，当把乳胶加入水泥混凝土当中时，便凝结成絮状、块状结构，分散性不好，这就降低了混凝土的均匀性，从而影响到其强度的发展。其抗压强度较低也跟这方面的因素有关。这一点是在今后关于聚合物混凝土方面的研究中要引起注意的。

3　结　论

(1)分析比较了掺加各种聚合物、硅粉和改性硅粉对于混凝土的抗压强度、抗折强度的影响。由实验数据可以看出：掺加硅粉、改性硅粉的混凝土的抗压强度、抗折强度都比同龄期的空白混凝土要高，这是因为硅粉的火山灰活性、填充作用和硅烷偶联剂的减水作用、连接机理造成的。

(2)掺甲基纤维素、苯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液和乳胶的混凝土抗压强度比同龄期的空白混凝土要小，因为聚合物的加入使混凝土的气孔率增大，密度下降；但其抗折强度与空白混凝土的差异比较小，因为聚合物的加入在混凝土中形成了网状结构，使浆体与集料的界面强度大大提高。

参考文献：

[1]李湘洲.聚合物发展的若干动向[J].化学建材,1994(2)：68-72.

[2]戴剑锋,刘晓红,龚俊，等.混杂复合材料胶结机理的探讨[J].甘肃工业大学学报,2000，26(3):26-30.

[3]杨小利，王钧.聚合物混凝土的应用及发展[J].玻璃钢/复合材料,1996(6)：47-48.

[4] 忻秀卿.聚合物混凝土复合材料的技术进展[J].新型建筑材料,1995(2)：27-31.

[5]廉慧珍，童良，陈恩义.建筑材料物相研究基础[M].北京:清华大学出版社,1996.

[6]IO.C.契尔金斯基.聚合物水泥混凝土[M].北京:建筑工业出版社,1978.