不同粉液比苯丙乳液水泥基复合填缝料剪切性能试验研究

刘高杰，白二雷，许金余，朱从进，杨宁

不同粉液比苯丙乳液水泥基复合填缝料剪切性能试验研究

刘高杰1，白二雷1，许金余1，朱从进2，杨宁3

(1. 空军工程大学 机场建筑工程教研室，陕西 西安 710038；2. 中国人民解放军94921部队，福建 晋江 362200；3. 中国人民解放军75840部队，广东 广州 510000)

针对机场道面填缝料易受剪破坏问题，采用不同的粉液比(无机粉料与聚合物乳液质量之比)，制备一种苯丙乳液水泥基复合填缝料(SCJS)，采用HS-3001B 型剪切实验设备与COX I EM-30型扫描电镜，测试剪切强度性能与剪切变形性能，观察分析其剪切破坏形态。研究结果表明：随着粉液比的增大，SCJS的剪切强度显著提高，剪切负荷位移明显减小，破坏形态逐渐由填缝料内聚破坏转向填缝料与基材间的黏结失效破坏。当粉液比由0.30增大至0.55时，SCJS剪切强度与剪切模量分别提高30%与71.4%，而剪切断裂伸长率与剪切峰前韧度下降35.3%与22.2%。结合扫描电镜结果分析可知，增大粉液比能有效填充SCJS的孔隙结构，增大密实度，进而使SCJS剪切强度提高，但同时会造成SCJS的变形与吸能性能显著下降。

道面填缝料；苯丙乳液；剪切强度；剪切变形性能；破坏形态

机场道面接缝类病害是影响军用机场使用性能、威胁飞行安全的重要因素之一。作为机场道面的薄弱环节，接缝处所用填缝材料的性能及其所能达到的封缝效果，严重影响着机场的使用性能及寿命。目前，常用的水泥混凝土机场道面填缝材料有聚氨酯、聚硫、硅酮类材料。但这些材料仍存在黏结强度低，易老化，与混凝土道面相容性差，造价成本高等问题[1-2]。聚合物水泥基复合材料是一种通过有机聚合物与水泥共混得到的高性能复合材料[3-4]。由于聚合物成膜和水泥水化的交互进行及耦合关系，这类材料通常能够兼具水泥基材料耐久性好、强度高、价廉环保与聚合物材料黏结强度高、柔韧性好等优点[5-6]。因此考虑将聚合物水泥基复合材料应用于道面填缝料，充分发挥其变形柔韧性好、黏结性强、耐久性优异等特点以适应道面接缝要求。目前国内外学者针对聚合物水泥基复合材料开展了许多研究，大多集中于其力学性能[7-8]、制备方法[9-10]、改性机理[11-2]、施工工艺[13-14]、试验方法[15]、应用研究[16]及耐久性能[17-18]等方面。以上研究对将聚合物水泥基复合材料应用于道面填缝料作了初步验证，但目前针对其抗剪性能的研究仍相对较少。特别是在飞机机轮的反复剪切荷载作用下(如图1所示)，填缝材料易失效而引发如断板、错台、拱起、唧泥、边角损坏等道面病害，严重威胁飞行安全[3, 11]。因此对聚合物水泥基复合填缝料的剪切性能的研究显得尤为必要。聚合物水泥基复合填缝料中无机填料在聚合物膜界面及水泥基体中起到重要的填充、堆叠、润滑及黏结作用。此外水泥的水硬性胶凝作用在填缝料中的聚合物成膜过程中起重要影响。粉液比即无机粉料(水泥与无机填料)总质量与聚合物乳液总质量之比，不仅影响填缝料的各项性能指标，而且关系填缝料的制备成本，同时粉液比是有机无机复合材料组成比例的定量表征。基于此，本文在已有试验基础上，控制灰粉比(水泥质量与无机填料质量之比)不变，改变粉液比制备苯丙乳液水泥基复合填缝料(SCJS)。采用控制变量法，研究不同粉液比(0.30，0.35，0.40，0.45，0.50和0.55)对SCJS剪切性能、破坏形态及其微观形貌的影响，并结合电镜照片分析阐述粉液比对SCJS的微观改性机理。

图1 填缝料受机轮剪切

1 试验

1.1 原材料与试件制备

制备苯丙乳液水泥基复合道面填缝料的主要试验原材料为：苯丙乳液、水泥、无机填料(滑石粉、重质碳酸钙、石英粉)、助剂(分散剂、消泡剂、成膜助剂)。各类材料具体介绍如下：聚合物选用Acronal S400F ap型苯丙乳液，黏度400～1 800 MPa∙s，平均粒度0.1 μm，固含量56±1%；无机粉料中水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，初凝141 min，终凝296 min，无机填料选用超细滑石粉，纯白，细度600目，二氧化硅含量99%；助剂选用NOPCO NXZ消泡剂，SN-DISPERSANT 5040分散剂，醇酯-12(DN-12)成膜助剂。

依据表1中配比制备试件，具体过程为：1) 将苯丙乳液与分散剂倒入混料机中搅拌4 min，再依次加入消泡剂、成膜助剂，搅拌4 min；2) 干拌水泥与滑石粉4 min至充分混合；3) 将无机粉料倒入苯丙乳液外加剂混合液中高速搅拌10 min后低速搅拌5 min得到拌合料，再与水泥砂浆基材共同浇筑出如图2 所示填缝料试件。尺寸见图3。

表1 试验配合比

注：成膜助剂掺量为苯丙乳液质量的5%，分散剂及消泡剂掺量分别为苯丙乳液和无机粉料总质量的0.8%和0.5%[10]，原材料以质量份表示，单位为g或kg。

图2 SCJS试件

单位：mm

1.2 试验设备及方法

剪切试验采用HS-3001B 型剪切实验设备，试验过程为将SCJS试件固定于剪切实验夹具中，保持试件水平，恒定5 mm/min的速率垂直提升夹具上升端，待PCJS试件破坏停止，剪切试验过程见图4。微观形貌分析借助于COX I EM-30型扫描电镜(如图5所示)，将经喷金处理后的微观切片试样置于扫描电镜试验仓内进行微观形貌扫描观测。

图4 剪切试验过程

图5 扫描电子显微镜

2 结果与讨论

2.1 剪切强度指标分析

剪切强度(f)为SCJS试件在剪切试验中达到峰值应力时对应的应力值，剪切模量(E)为SCJS试件剪切长度达到试件初始宽度60%所对应的应力值。二者直接反映材料的抗剪性能，均为表征试件在剪切试验中的重要强度力学指标[2]。SCJS试件的f与E随粉液比改变的变化规律见图6。由图6可知，随着粉液比的增大，f表现出先快后缓再快的增长规律。粉液比由0.30增至0.40时，f提高了16.9%；当粉液比在0.40～0.50范围内时，f呈平缓增长，增幅为6.4%；当粉液比由0.30增至0.55时，f提高了0.30。E随着粉液比的增大而近似线性提高，当粉液比由0.30增至0.55时，E提高了71.4%；当粉液比在0.35～0.55范围内时，E每次增幅稳定在11.2%～13.6%。以上表明，SCJS的f与E随着粉液比增大而有显著提高。

随粉液比增大而f与E显著提高有以下2个主要原因：一方面，随着粉液比的增大，填缝料中无机粉料含量增加，填缝料内部的自由孔隙被不断填充，孔隙量逐渐减少，密实度不断增大；另一方面，水泥用量随粉液比提高而增多，同时意味着水泥水化产物增多，从宏观上SCJS刚硬程度随之提高。综上，SCJS的f与E得到显著提高。

图6 粉液比对SCJS的fs与Es的影响

2.2 剪切变形指标分析

剪切断裂伸长率(δ)及剪切峰值应变(ε)通常被用来衡量材料的剪切变形性能[10]。δ表示SCJS在剪切破坏时的位移与填缝料初始宽度的比值，ε表示剪切试验中SCJS达到的峰值应力时的应变。SCJS受粉液比改变影响的δ与ε变化规律如图7 所示。由图7 可知：1) 随着粉液比的增大，SCJS的δ与ε呈现不断下降的趋势，当粉液比由0.30增至0.55时，δ与ε降幅分别达到35.3%和29.9%；2) 当粉液比在0.30～0.35，0.40～0.45与0.50～0.55的3个范围中变化时，δ的降幅较平缓，分别为6.7%，2.0%与3.8%，而在0.35～0.40与0.45～0.50变化范围中降幅较剧烈，分别为14.6%与13.9%。

粉液比增大对SCJS的剪切变形性能的影响主要分为以下2个方面：1) 随着粉液比的增大，SCJS中的无机粉料含量增加，无机粉料的表面润湿与解聚分散及水泥的水化反应消耗了更多的苯丙乳液中的水分。因此能够通过渗透到达水泥砂浆基材内部在黏结面起黏结作用的乳液减少，聚合物分子链所形成的网状结构被破坏，导致SCJS内部黏结能力与柔韧性下降；2) 随着无机粉料的增多，SCJS内部的孔隙被不断填充，孔隙率逐渐下降，同时聚合物分子链结构中积聚或附着的未水化的水泥颗粒也随之增多，从而导致在剪力作用下聚合物分子链的位移形变和自由伸缩受到阻碍。上述表明增大粉液比会造成SCJS的剪切变形性能显著降低。

图7 粉液比对SCJS的δb与εp的影响

2.3 剪切能耗指标分析

材料在剪切荷载作用下的能耗指标通常用剪切韧度(T)与剪切峰前韧度(T,b)定量表征[11]。图8 所示为SCJS的T与T,受粉液比影响的变化规律。由图8 可知：1) 随粉液比增大T与T,均呈显著下降趋势，当粉液比由0.30增至0.55时T与T降幅分别为15.4%与22.2%；2)T,下降呈先平缓后剧烈的变化趋势，粉液比由0.30增至0.45时，T,降幅仅4.9%，而粉液比由0.45增至0.55，T,降幅达17.3%。

图8 粉液比对SCJS的Ts与Ts,b的影响

随着粉液比增大，SCJS内部供聚合物分子链在承受外部荷载时得以自由曲卷、伸缩、转动的自由孔隙被无机粉料大量填充，而不同孔径的孔隙同时也是吸收并消耗大量的变形能和断裂能的基础条件。因此SCJS剪切韧度随粉液比增大下降，吸能性能被削弱。

2.4 剪切破坏形态分析

图9 所示为在剪切试验中不同粉液比SCJS试件的剪切破坏形态变化规律。1) 当粉液比大于0.40时，填缝料在受剪过程中与上升端水泥砂浆基材的黏结角点处易发生脱边，而后随着剪切负荷和负荷位移的增大逐渐与基材失黏脱边，最终发生严重黏结破坏，如粉液比分别为0.55，0.50和0.45的FYB-1，FYB-2和FYB-3；2) 当粉液比小于0.40时，填缝料的剪切破坏形态为内聚破坏(如FYB-4，FYB-5和FYB-6所示)，且在较大的剪切负荷位移下展现出良好的抗剪性能，如FYB-4，FYB-5和FYB-6分别在33.33，32.88和40.02 mm的负荷位移下尚未发生破坏。上述试验结果表明，随着粉液比的增大，填缝料的剪切破坏形态由“内聚破坏”向“黏结破坏”转变，剪切负荷位移减小。

(a) 粉液比0.30；(b) 粉液比0.35；(c) 粉液比0.40；(d) 粉液比0.45；(e) 粉液比0.50；(f) 粉液比0.55

3 微观机理分析

苯丙乳液水泥基复合道面填缝料是一种非均质的多相体系，由聚合物膜、水泥水化产物和其他无机填料所构成的固相以及存在于孔隙中的水和空气所组成，即固−液−气三相多孔体。填缝料宏观性能的改变，实质是复合材料体系内部的微观结构变化所致。图10(a)~图10(f)所示为不同粉液比SCJS切片放大100倍的微观形貌。随着粉液比的增大，SCJS试件的内部孔隙数量总体上呈明显减小趋势，无机粉料中水泥及其水泥水化产物与其他无机填料镶嵌其间，孔径不断得到细化，密实度渐渐提高。由图10(a)~图10(b)SCJS试件切片微观形貌可看出，粉液比较低(0.30和0.35)时，试件内部自由孔隙数量多、孔径大；随着粉液比增至0.40，0.45和0.50时，孔隙数量随之不断下降且孔径细化程度显著；粉液比增至0.55时，SCJS试件切片无较大孔径孔隙出现，仅少量细小孔隙，切片表面密实程度高，结构致密。观察分析试件切片微观形貌可知，SCJS内部孔隙随粉液比的增大数量上呈明显下降趋势，孔径逐渐得到细化，填缝料密实程度不断提高。

随着苯丙乳液失水成膜及其与水泥的反应固化，SCJS内部中生成一定数量的孔隙。随着粉液比的增大，SCJS内部的自由孔隙被不断填充，孔隙量逐渐减少，密实度不断增大，从而导致聚合物分子链在外力作用下的自由伸缩和位移形变受到阻碍，孔隙吸能及耗能减少，因而宏观上表现为SCJS的剪切强度指标明显增大，变形性能及耗能性能显著下降。

(a) 粉液比0.30；(b) 粉液比0.35；(c) 粉液比0.40；(d) 粉液比0.45；(e) 粉液比0.50；(f) 粉液比0.55

4 工程应用经济性

由前文分析知，随着粉液比的增大，苯丙乳液水泥基复合填缝料的拉伸和剪切强度指标不断增大，变形性能及耗能能力明显降低，剪切破坏形态逐渐由内聚破坏向黏结破坏转变。结合各试验指标分析得，合理的粉液比取值范围为0.35～0.40。苯丙乳液水泥基复合填缝料基础配合比具体如下：以100 g苯丙乳液为准，需水泥8.75～10 g，滑石粉26.25～30.00 g，成膜助剂5 g，消泡剂0.68～0.70 g和分散剂1.35～1.40 g。

目前，我国军用机场常用的道面接缝填缝料主要为聚氨酯、聚硫及硅酮三大类，结合大量的机场调研并根据市场调查结果，将我国常用机场道面接缝填缝料市场价格对比分别列于表2。通过对比分析，可以看出本文制备的苯丙乳液水泥基复合填缝料为1.5～2万元/t，每延米仅需2～3元，相比其他类产品具有价格低廉的明显经济优势，是一种极具潜力的机场道面接缝填缝材料。

表2 常用机场道面接缝填缝料市场价格对比

注：一次施工投入费用的缝宽及缝深均按10 mm计算。

5 结论

1) SCJS的剪切强度及剪切模量随着粉液比的增大而提高，其中剪切模量提高程度稳定近似线性且增幅显著，试件承受剪切荷载能力得到增强。

2) 随着粉液比的增大，SCJS的剪切变形性能和剪切韧性显著降低，在剪切负荷下位移明显减小，破坏形态由填缝料与基材间的黏结失效破坏向填缝料内聚破坏转变。

3) 通过电镜扫描观察SCJS微观形貌发现，增大粉液比可改善SCJS内部结构，SCJS内部孔隙量随粉液比增大而降低，同时孔径不断减小，密实度不断提高。

4) 当粉液比为0.35～0.40范围内时，SCJS在剪切荷载作用下的剪切强度、韧度性能较好，同时保持较好的变形能力，抗剪性能综合表现最佳。

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Shear behavior of styrene-acrylic emulsion cement-based composite joint sealant with different powder-emulsion ratio

LIU Gaojie1, BAI Erlei1, XU Jinyu1, ZHU Congjin2, YANG Ning3

(1. Teaching and Research Office of Airport Construction Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China; 2. Unit 94921, People’s Liberation Army of China, Jinjiang 362200, China; 3. Unit 75840, People’s Liberation Army of China, Guangzhou 510000, China)

Styrene-acrylic emulsion cement-based composite joint sealant (SCJS) was prepared with different powder-emulsion ratio (the ratio of inorganic powder to polymer emulsion). The shear strength and deformation properties of SCJS were investigated, and the shear failure morphology was observed and analyzed as well by Hs-3001b shear test equipment and COX I em-30 scanning electron microscope. The results indicate that with the increase of powder-liquid ratio the shear strength of SCJS is significantly improved. Meanwhile, the shear load displacement is remarkably reduced. Furthermore, the failure model is changed from cohesive failure of joint sealant to bond failure between joint sealant and cement substrate. When the powder-emulsion ratio increased from 0.30 to 0.55, the shear strength and shear modulus of SCJS increased by 30% and 71.4% respectively, while the shear elongation at break and the shear peak toughness decreased by 35.3% and 22.2% respectively. Finally, analysis of micro-mechanism based on scanning electron microscope (SEM) images illustrates that the increasing of powder-to-liquid ratio can effectively fill the pore structure of SCJS, and thus increase the shear strength. While at the same time, the deformation and energy absorption performance of SCJS are significantly reduced.

pavement joint sealant; styrene-acrylic emulsion; shear strength; shear deformation behavior; failure model

TU528

A

1672 − 7029(2020)03 − 0615 − 08

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190529

2019−06−14

国家自然科学基金资助项目(51208507，51378497)；军队后勤重点科研资助项目(BKJ13J005)

白二雷(1979−)，男，河南焦作人，副教授，博士，从事建筑工程与防护工程研究；E−mail：bwxkgy@163.com

(编辑 涂鹏)