聚合物砂浆基本性能试验研究

吴祥海 张 强 许 辉 任国斌 丁 攀 郝金迎

（1.甘肃省公路事业发展中心，甘肃 兰州 730070；2.云上甘肃科技有限公司，甘肃 兰州 730070；3.甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司，甘肃 兰州 730070；4.陕西中盛道路养护工程技术有限公司，陕西 西安 710000）

0 前言

聚合物砂浆作为水泥基材料的一种复合材料，具有强度高、抗老化、耐久性好的特点[1]，同时又改善了高普通水泥砂浆强度低、黏结性差的问题，具有广泛的应用前景[2]。

国内外学者针对聚合物砂浆进行了大量的研究试验，王培铭等人[3-4]研究表明丁苯乳液可以有效改善水泥砂浆力学性能，提高抗折强度。闫义等人[5]研究发现羧甲基纤维素钠和矿物掺合料可以有效改善聚合物砂浆的抗裂性能；吴开胜等人[6-7]研究表明消泡剂可以有效提升丁苯乳液聚合物砂浆的力学性能，同时发现聚合物掺量越高，可以有效改善抗折强度和黏结强度，但不利于抗压强度的发展。韩晓丽等人[8]进行了聚合物砂浆对裂缝、坑槽等病害处理技术研究，结果表明聚合物砂浆在公路维修养护具有良好的路用效果。张浩等人[9]通过研究发现纤维可以有效提升聚合物砂浆的力学性能，尤其是对人性的改善尤为显著，并对其微观增强增韧机理进行了分析。SHAKER[10]等人研究表明聚合物可以有效提升水泥砂浆的耐久性能和混凝土的耐腐蚀性能。该文在借鉴已有科研成果的基础上，通过研究聚灰比对聚合物砂浆性能的影响规律，测试了丁苯乳液掺量和丙稀酸乳液掺量对聚合物砂浆的稠度、密度、黏结强度等性能的影响，为聚合物砂浆的制备和应用提供参考依据。

1 试验

1.1 试验原材料

水泥采用陕西冀东水泥盾石工程有限责任公司生产的P.042.5级普通硅酸盐水泥；硅灰：实测密度为2.214 g/cm3，粒径1 μm以下；丁苯乳液（SBR）：水乳溶液固体含量为47%；高效减水剂：聚羧酸系列高效减水剂，减水率大于25%；消泡剂：消泡剂为磷酸三丁酯；膨胀剂（UEA）：全称U型混凝土膨胀剂，为钙矾石型膨胀剂；砂采用标准砂，实测密度为2.63 g/cm3，SiO2含量大于96%。

1.2 试验方法

具体方法如下。1）聚合物砂浆制备：根据配比设计，先将称取好的聚合物、试验用水以及减水剂倒入搅拌锅中进行混合，待聚合物和水混合均匀后加入预先称好的消泡剂、水泥和砂子进行搅拌，低速搅拌120 s后，转高速搅拌60 s即可制得聚合物改性水泥砂浆。2）试件养护：常温养护24 h脱模后，在温度为20℃，湿度为90%的护箱中进行5 d的初养，再将试验转移到温度为20℃，湿度为65%的养护箱中进行养护。3）性能测试：根据《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GBT 1346）和《聚合物改性水泥砂浆试验规程》（DL/T5126）进行聚合物砂浆的密度和稠度测试，采用黏结强度检测仪进行黏结性能测试。

1.3 试验方案

试验基础配比为水泥∶级配砂∶硅灰∶膨胀剂∶消泡剂∶减水剂∶水=400∶500∶25∶15∶1∶2∶160。研究了丁苯乳液（SBR）不同掺量下对砂浆的密度和稠度的影响规律，同时也分别研究了砂灰比、聚灰比以及矿物掺合料对SBR聚合物砂浆的力学性能影响规律，具体配合比见表1。

表1 聚合物砂浆配合比（kg）

2 结果与讨论

2.1 丁苯乳液对聚合物砂浆密度和稠度的影响

丁苯乳液（SBR）不同掺量（聚灰比为0%、5%、10%、15%）下对聚合物砂浆的密度和稠度影响结果如图1、图2所示。

由图1可以看出，丁苯乳液对聚合物砂浆密度的影响规律为SR0>SR5>SR10>SR15，表现为SBR乳液掺量越多，聚合物砂浆的密度越小。聚灰比分别为0%、5%、10%和15%时，SR0、SR5、SR10和SR15这4组聚合砂浆的密度比分别为1.000、0.998、0.967和0.955。以SR0组不加聚合物的试验组为对照组，SR5、SR10和SR15这3组的密度比下降率分别为0.2%、3.3%和4.5%。结合图1中的曲线规律可以得出聚灰比对密度比下降率的影响规律：当聚灰比小于等于5%时，SBR聚合物砂浆的密度下降率较小，对砂浆密度的影响程度较低；当聚灰比大于5%，小于10%时，SBR聚合物砂浆的密度下降率最大，对砂浆密度的影响程度最高，整体呈现为两端下降率低、中间下降率高的趋势。这主要是因为和SR0空白对照组相比，SR5、SR10和SR15这3组加入SBR聚合物后，会在拌合过程中引入一定的气泡，存在于砂浆基体中，所以降低了砂浆的密度。

图1 丁苯乳液对聚合物砂浆密度的影响

由图2可以看出，丁苯乳液对聚合物砂浆稠度的影响规律为SR0

图2 丁苯乳液对聚合物砂浆稠度的影响

通过数据曲线拟合分析发现，聚灰比与聚合物砂浆的密度和稠度之间具有良好的相关性，曲线均符合公式（1）的线性关系。

式中：a、b均为常数。

SBR聚合物对聚合物砂浆密度和稠度的拟合公式的相关系数见表2。由图1、图2、表2中相的关系数可以看出聚合物砂浆的密度与聚灰比呈负相关性，稠度与聚灰比呈正相关性。

表2 SBR聚合物砂浆密度线性拟合相关系数

2.2 砂灰比对聚合物砂浆黏结性能的影响

不同砂灰比（砂灰比为1.0、1.5、2.0、2.5）对聚合物砂浆抗压强度、抗折强度和黏结强度的影响结果如图3～图5所示。

由图3、图4可以看出，7 d、28 d龄期下，砂灰比对聚合物砂浆抗压强度和抗折强度的影响规律一致，砂灰比越大，抗压强度和抗折强度越低，整体规律呈现为SS1>SS2>SS3>SS4。根据图4可知，SS1、SS2、SS3和SS4这4组28 d抗压强度分别为53.9 MPa、43.3 MPa、38.8 MPa和34.8 MPa。以SS1组为对照组，SS2、SS3和SS4这3组抗压强度分别降低了19.7%、28.0%和35.4%。根据图5可知，SS1、SS2、SS3和SS4这4组28 d抗折强度分别为12.4 MPa、12.1 MPa、10.8 MPa和10.1 MPa。以SS1组为对照组，SS2、SS3和SS4这3组抗折强度分别降低了2.4%、12.9%和18.5%。这主要是因为随着砂灰比增大，单位体积内的水泥用量降低，生成的水化产物较少，所以导致强度下降。

图3 砂灰比对聚合物砂浆抗压强度的影响

图4 砂灰比对聚合物砂浆抗折强度的影响

根据图5可知，SS1、SS2、SS3和SS4这4组7d、28d黏结强度分别为2.71MPa、2.82MPa、2.41MPa、2.23MPa、3.73MPa、2.95MPa、3.13MPa和3.22MPa。以SS1组为对照组，7d龄期时SS2组的黏结强度增加4.1%，SS3、SS4这2组的黏结强度分别下降了11.1%、17.7%；28d龄期时，黏结强度分别下降了20.9%、16.1%和13.7%。由此可以看出，不同龄期下，砂灰比对聚合物砂浆的黏结性能影响规律不一致。7d龄期时，聚合物砂浆的黏结强度随着砂灰比的增大呈先增大、后减小的规律；28d龄期时，聚合物砂浆的黏结强度随着砂灰比的增大呈先减小、后增大的规律。

图5 砂灰比对复合改性砂浆黏结强度的影响

2.3 硅灰对SBR复合改性聚合物砂浆黏结性能的影响

不同硅灰掺量对聚合物砂浆抗折强度和黏结强度影响结果如图6～图7所示。

由图6可以看出，7 d、28 d龄期下，硅灰对聚合物砂浆抗折强度的影响规律一致，随掺量的增加，聚合物砂浆的抗折强度均呈先增大、后降低的趋势，整体规律呈现为SH2>SH1>SH3>SH4。SH1、SH2、SH3和SH4这4组28 d抗折强度分别为10.4 MPa、11.2 MPa、9.8 MPa和8.1 MPa。以SH1组为对照组，SH2组的抗压强度增加了7.7%，SH3、SH4这2组的抗压强度分别降低了5.7%、22.1%。这表明掺入一定范围的硅灰可以有效改善聚合物砂浆的抗压性能和抗折性能，这主要是因为硅灰的颗粒粒径更细，可以更好地填充水泥石里面的微小孔隙，提高其密实度，进而使强度增高。

图6 硅灰对聚合物砂浆抗折强度的影响

根 据 图7可 知，SH1、SH2、SH3和SH4这4组7d、28d黏结强度分别为3.01MPa、2.90MPa、1.92MPa、2.43MPa、3.91MPa、3.97MPa、3.88MPa和3.72MPa。以SH1组为对照组，7d龄期时SH2、SH3和SH4这3组的抗压强度分别降低了3.6%、36.2%和19.3%；28d龄期时SS2组的黏结强度增加1.5%，SS3、SS4这2组的黏结强度分别下降了0.7%、4.9%。由此可得硅灰的掺入降低了聚合物砂浆的早期强度，但在一定掺量范围内可以有效提升聚合物砂浆的后期强度。

图7 硅灰对聚合物砂浆黏结强度的影响

3 结论

通过对聚合砂浆稠度、密度、抗压、抗折以及黏结强度的影响分析，得到以下结论：1）随着聚灰比的增加砂浆的密度逐渐减小，聚灰比越大砂浆密度越小；随着聚灰比的增加砂浆的稠度逐渐增大，聚灰比越大砂浆稠度越大；聚合物砂浆的密度与聚灰比呈现负相关性，稠度与聚灰比呈现正相关性。2）不同龄期下聚合物对砂浆黏结强度的影响规律不完全相同，7 d龄期时随着聚灰比的增大，黏结强度呈减小趋势。28 d龄期时随着聚灰比的增大，黏结强度呈现增加趋势。3）砂灰比对聚合物砂浆抗压强度和抗折强度的影响规律一致，砂灰比越大，抗压强度和抗折强度越低。不同龄期下，砂灰比对聚合物砂浆的黏结性能影响规律不一致。7 d龄期时，聚合物砂浆的黏结强度随砂灰比的增大呈先增大、后减小的规律；28 d龄期时，聚合物砂浆的黏结强度随砂灰比的增大呈先减小、后增大的规律。4）一定掺量范围内的硅灰可以有效改善聚合物砂浆的抗折强度和黏结强度。