混凝土预制构件MPC接缝材料性能研究*

黄兴亮，周胜波

(1.陕西省建筑科学研究院有限公司，陕西 西安 710082；2.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

传统基建一般采用构件现场加工制作、现场拼装的方式进行建造，材料的飞尘和碎屑难免在空气中扩散传播，造成较大的环境污染，且现场施工混凝土养护所需时间较久，影响施工进度，部分建筑企业为加快进度而导致混凝土养护时间不足的问题时有发生，影响建筑成型质量和结构安全。装配式结构因施工速度快、绿色环保、成型质量佳等优点在建筑业发展中脱颖而出。但吊装碰撞、设计与加工尺寸精度问题使构件接缝处存在施工缺陷，限制了装配式结构的发展，众多学者对装配式结构接缝设计和接缝材料进行了研究，并取得一系列研究成果。潘金炎等[1]采用乳胶粉、水泥、橡胶粉、石英砂等制备了一种用于叠合板拼缝的接缝胶泥，工程实践证明该方法满足叠合板对接缝材料变形、黏结、耐久等性能的要求，可防止结构因荷载、温度效应等原因造成的接缝开裂。宁丽平[2]以硅烷作为外加剂，研究不同掺量硅烷对氯磺化聚乙烯性能的影响，结果表明硅烷改性后的氯磺化聚乙烯(CSM)具有更好的热稳定性及较高的热变形温度。李化建等[3]通过总结国内外硅酮嵌缝材料，从跟随性、黏结性和耐久性等方面，提出实现硅酮嵌缝密封材料高性能化的技术途径。目前常见的接缝材料主要包括硅酸盐水泥基材料和硫酸盐水泥基材料，但工程实践发现这2种材料存在早期强度不足、黏结力差、长期体积稳定性不佳等问题[4-7]。磷酸盐水泥因早期强度高、黏结性能好和体积稳定等优势近年来成为接缝材料新的发展方向[8]。

磷酸镁水泥(magnesium phosphate cement，MPC)是由死烧镁砂、磷酸盐和一定量外加剂组成的新型胶凝材料，其胶凝本质为酸碱中和反应[9-10]。现有研究表明，MPC早期强度较高、体积稳定性和黏结性能稳定，但其脆性较大，劣化了其使用效果；通过在MPC中掺入纤维材料可较好地优化其脆性性能，但纤维材料的存在使其流动性显著降低。

基于此，本文采用橡胶粉对MPC进行改性，通过测试流动度、抗压强度、黏结性能等对橡胶MPC综合性能进行评价，最后通过扫描电镜研究橡胶颗粒对MPC的作用机理，以期为混凝土预制构件高性能接缝材料应用提供理论支撑。

1 试验

1.1 原材料

试验用MPC采用死烧氧化镁(MgO)，由菱镁矿石经1 650℃煅烧而成。酸性组分为纯度96%工业纯磷酸二氢铵(NH4·H2PO4，ADP)。缓凝剂采用复合缓凝剂(RET)，主要由磷酸盐和硼砂组成。粉煤灰(fly ash，FA)作为掺合料用于MPC。为测试MPC基材料的黏结性能，P·O 42.5普通硅酸盐水泥(ordinary portland cement，OPC)用来制备棱镜试样。试验用主要材料的氧化物组成如表1所示。

表1 试验用主要材料的氧化物组成 %

试验骨料由石英砂(SS)和再生橡胶粉(RTR)组成。RTR颗粒表观如图1所示。

图1 再生橡胶粉颗粒表观

1.2 试验方法

1.2.1配合比

试验MPC砂浆主要包括胶凝材料(MgO，ADP，FA，RET)、骨料(SS，RTR)和水。氧化镁与ADP的质量比固定为2.2，缓凝剂质量占胶凝材料的5%，骨料与胶凝材料的质量比固定为1.25，水固比为0.075，具体试验配合比如表2所示。设计2个系列的MPC砂浆，分别为未掺入橡胶粉的对比试样(MIX CON)和掺入不同量橡胶粉的RMC试样。橡胶粉掺量以骨料总体积计算，最高占骨料总体积20%。

表2 试验配合比设计

1.2.2测试方法

MPC砂浆制备过程参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，制备完成的MPC砂浆倒入4cm×4cm×16cm的棱柱体PVC模具中，振捣后倒入模具放入标准养护室(20±2℃)养护28d进行砂浆性能测试。

依据GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度试验标准》，采用“跳桌法”测试制得的MPC砂浆流动度，测试结果取砂浆倒置平板桌经25次振动后的平均值。MPC砂浆黏结性能采用黏结抗折指标和黏结抗压强度综合测定。黏结抗折强度依据GB/T 22 459.4—2008《耐火泥浆 第4部部分：常温抗折粘接强度试验方法》进行测试，黏结抗压强度依据BS EN 12615∶1999《Products and systems for the protection and repair of the concrete structures》进行测试。

黏结抗折强度与黏结抗压强度的计算如下：

(1)

(2)

式中：ff为黏结抗折强度(MPa)；fb为黏结抗压强度(MPa)；F为直观测试结果。

耐水性能是评价MPC基材料性能的重要指标之一。将养护28d的MPC砂浆试样浸没置入去离子水中，浸泡至特定龄期后，取出MPC试样测试其抗压强度，耐水系数为MPC砂浆浸泡后强度与未浸泡强度的比值。

(3)

式中：RCw为MPC砂浆的耐水系数；fCn是MPC砂浆浸泡n天后的抗压强度(MPa)；fC28是MPC砂浆空气养护28d、浸泡前的抗压强度(MPa)。

扫描电子显微镜背散射模式(BSE)一般用来展示橡胶粉掺入后MPC砂浆微观结构变化，BSE试样选自抗压强度测试破碎试样。

2 试验结果分析

2.1 工作性能

不同橡胶粉掺量下MPC砂浆流动度如图2所示。

图2 不同橡胶粉掺量下MPC砂浆流动度

由图2可知，未掺入橡胶粉对比试样CON砂浆的流动度为210mm，接近传统硅酸盐水泥基接缝材料的流动度。当MPC砂浆中橡胶粉掺量为5%时，砂浆流动度出现小幅度增加，随着MPC砂浆橡胶粉掺量增加至10%～20%时，MPC砂浆流动度随橡胶粉掺量的增加而持续减小。分析原因认为主要是橡胶粉颗粒表面粗糙度和表观密度引起，橡胶粉表面粗糙度使其表面吸附一定水分，同时橡胶粉表面密度较低使橡胶粉流动过程中浮于拌合料表面，阻碍了其他固体颗粒的迁移。

2.2 抗压强度

不同橡胶粉掺量下MPC砂浆各龄期抗压强度如图3所示。由图3可知，未掺入橡胶粉对比试样CON砂浆1h时强度为31.9MPa，约为28d强度的70%；橡胶粉掺入后，试样RMC-I，RMC-III的1h强度分别为22.6，16.1MPa，仅为CON砂浆1h强度的70.5%，50.5%。CON砂浆28d强度为54.3MPa，而掺入橡胶粉后试样RMC-I，RMC-III的28d强度分别为53.6，40.8MPa，为对比砂浆同龄期强度的98.7%，75.1%。分析各试样测试结果可知，橡胶粉会降低MPC砂浆早期强度，主要由于橡胶粉自身强度较低，对砂浆拌合料产生负面影响。

图3 不同橡胶粉掺量下MPC砂浆各龄期抗压强度

2.3 黏结强度

不同橡胶粉掺量下MPC砂浆各龄期黏结强度如图4所示。由图4可知，各龄期黏结性能随着橡胶粉掺量的增加而降低；橡胶粉对MPC砂浆1h黏结抗折强度和黏结抗压强度的影响较小，对MPC砂浆28d黏结强度的影响更显著。分析原因，黏结强度是黏结界面对外力的抵抗作用，橡胶粉的存在不会改变MPC砂浆的水化产物，但其掺入后占据黏结界面位置，降低了黏结面处胶凝水化产物的数量，使黏结性能下降。

图4 不同橡胶粉掺量下MPC砂浆各龄期黏结强度

2.4 耐水性

不同橡胶粉掺量下MPC砂浆浸泡后的各龄期强度与耐水系数如图5所示。由图5可知，MPC砂浆抗压强度与耐水系数随浸泡时间的增加而降低，CON试样28d浸泡后耐水系数为0.90，浸泡60d后耐水系数仅为0.82，MPC砂浆耐水性能随浸泡时间性能衰退，与现有研究成果一致。随着橡胶粉参数比例的增加，耐水系数先增大后减小，橡胶粉掺量为10%时，其耐水系数最大为0.95，说明掺入定量的橡胶粉可强化MPC砂浆耐水性能。研究发现橡胶粉表面疏水性较大，水分难以渗入，同时在MPC基材料与橡胶粉颗粒界面处，大量掺入的橡胶粉增加了水分迁移通道。

图5 不同橡胶粉掺量下MPC砂浆浸泡后的各龄期强度与耐水系数

2.5 微观结构

选择养护28d CON试样和RMC-Ⅲ试样进行BSE测试，结果如图6所示。BSE图中不同颜色代表不同矿物类似，如MgO与石英砂颜色类似。分辨其矿物类别可通过形貌进行辨别，由图6可知，石英砂颜色完整统一、MgO中夹杂有灰黑色。由图6a可知，大粒径石英砂产生了较大裂缝。对比图6a，6b可知，掺入的橡胶粉与MPC基材料黏结性较好，裂缝基本消失。分析原因认为当石英砂颗粒较大时，颗粒间存在较大空隙，掺入橡胶粉后会扩散嵌入颗粒内部，进而减小了裂缝。

图6 28d背散射图片

3 结语

1)少量的橡胶粉颗粒对MPC砂浆流动度影响较小，但当橡胶粉掺量>10%时，MPC砂浆流动度显著降低。

2)掺入橡胶粉可降低MPC砂浆各龄期强度。掺入10%橡胶粉的MPC砂浆1h强度为16.1MPa，仅为不掺橡胶粉对比试样的50.5%，而同配合比的MPC砂浆28d强度为对比样的75.1%。说明橡胶粉对MPC砂浆的早期强度影响更显著。橡胶粉可不同程度地降低MPC砂浆的各龄期黏结抗折强度和黏结抗压强度。

3)橡胶粉可在一定程度上提高MPC砂浆的耐水性，未掺橡胶粉的MPC砂浆浸水60d后耐水系数仅为0.82，而掺入10%橡胶粉的MPC砂浆浸水60d后耐水系数可达0.88。

4)BSE结果显示在MPC砂浆对比试样中观察到石英砂与MPC基材料间存在较大微缝隙。当掺入一定量橡胶粉颗粒后，橡胶粉颗粒与MPC基材料间黏结性能优异，几乎看不到裂缝。