聚合物乳液对伸缩缝锚固复合材料性能的影响研究

刘 虎

(中铁建科检测有限公司，陕西 西安 710016）

混凝土作为目前应用最广泛的建筑材料之一，在实际应用过程中，由于设计缺陷、施工管理控制不严以及恶劣的环境条件等多重因素，混凝土性能会逐渐丧失，尤其是在化学侵蚀环境中的结构物，实际使用寿命远远低于设计使用年限。若不采取加固措施，其结构强度会显著降低，进而造成结构损坏[1]。因此对结构进行修复能很好的改善结构性能，提高建筑物的耐久性，减少维护费用，有着良好的经济效益和社会效益。

向伸缩缝锚固复合材料中加入聚合物乳液可以提高砂浆的抗冲击性、抗氯离子渗透性、抗冻性以及韧性[2]，在公路、桥梁伸缩缝的快速修补中经常使用。快速修补砂浆中掺入一定量的聚合物，可以在聚合物与水泥水化产物之间形成互穿的网状结构，散布在砂浆内部空隙中，从而快速修复砂浆内部缺陷，因此，相较于普通快速修补砂浆，伸缩缝锚固复合材料的力学性能得到一定的改善，而改善程度的大小，取决于聚合物乳液的种类及其掺量[3]。本文在快速修补材料中分别掺加性能稳定的丁苯乳液和丙烯酸乳液，通过研究两种聚合物不同的掺量对新拌砂浆性能的影响，选择最佳的改性聚合物乳液和掺量。

一、材料与方法

1.原材料

硅酸盐水泥：P·O 42.5 普通硅酸盐水泥；砂：精细河砂，细度模数2.7；MT 400，由德国巴斯夫（BASF）；早强剂：TYWJJ-30 型早强剂，非晶质铝酸钙系早强剂；缓凝剂：TYWJJ-20 型缓凝剂；减水剂：TYWJJ-10型减水剂；膨胀剂：TYWJJ-SP 型膨胀剂；硅灰：甘肃三远硅材料有限公司；矿粉：山西威顿水泥有限公司；聚合物乳液1：丁苯乳液（J1），德国巴斯夫；聚合物乳液2：丙烯酸乳液（J2），陶氏。

本文选择快速修补材料2 h 通车的最佳复配比例，水泥：硅灰：矿粉：TYWJJ-30=65%：5%：10%：20%的基础胶凝材料，固定减水剂TYWJJ-10 掺量为0.3%，缓凝剂TYWJJ-20 掺量为0.2%，消泡剂为乳液固含量的1%，胶砂比为1：1.5，水胶比为0.33。

2.主要实验设备和仪器

JJ-5 型水泥砂浆搅拌机；水泥砂浆流动度测定仪；ZKS-100 型砂浆凝结时间测定仪；HBY-40A 型恒温恒湿标准养护箱；CP 324S 型分析天平；YP 20001 型电子天平；WHY-300/10 型微机控制压力试验机。

3.检测方法

采用GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》测试复合材料力学性能；采用GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测试砂浆流动度；采用GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试其复合材料的凝结时间。

二、结果与讨论

表1 是J1 和J2 两种聚合物乳液不同掺量对伸缩缝锚固复合材料新拌性能的影响，其中编号B00 为空白实验组。

表1 聚合物乳液掺量对伸缩缝锚固复合材料新拌性能的影响

1.聚合物乳液对伸缩缝锚固复合材料含气量的影响

J1、J2 两种聚合物乳液的掺入使砂浆含气量明显增大，相较于J1，J2 的加入使得砂浆含气量增加的更为明显。两种乳液掺量变化对砂浆含气量的影响并不相同，其中当J1 掺量为7%时，含气量达4.82%，此时含气量最大；而J2 随着掺量的增加，含气量逐渐增大，当掺量为10%时，砂浆的含气量达到最大，为5.62%，如图1 所示。

图1 聚合物乳液掺量对砂浆含气量的影响

2.聚合物乳液对伸缩缝锚固复合材料初始流动度的影响

在水胶比一定时，J1、J2 两种聚合物乳液均会提高伸缩缝锚固复合材料的初始流动度，但两种聚合物乳液的减水作用有明显差异，相较于J1，J2 的减水作用较小。两种乳液掺量对伸缩缝锚固复合材料初始流动度的影响基本一致，均呈现初始流动度随聚合物乳液掺量增加而增加的趋势。J1 掺量为10%时，伸缩缝锚固复合材料初始流动度达到最大，为355 mm；J2 掺量为10%时，伸缩缝锚固复合材料初始流动度达到最大，为350 mm，如图2 所示。

图2 乳液掺量对初始流动度的影响

聚合物的减水机理，一方面是因为聚合物能通过引气作用在颗粒表面形成微小气泡及少量团聚的聚合物颗粒，从而使得胶凝材料更加容易产生相对运动；另一方面是聚合物中富含大量的表面活性剂，能够有效减少胶凝材料的团聚现象，使得胶凝材料更加分散。因此，在固定水胶比的情况下，掺入聚合物乳液后伸缩缝锚固复合材料的初始流动度会明显的增大[7]。

3.聚合物乳液对伸缩缝锚固复合材料凝结时间的影响

伸缩缝锚固复合材料的凝结时间明显长于普通快速修复砂浆，凝结时间延长的程度因聚合物乳液种类及掺量的不同而存在差异，就J1、J2 而言，掺量相同的情况下，J1 的缓凝作用明显强于J2。从图3（a）可见：J1 加入到伸缩缝锚固复合材料产生非常明显的缓凝作用，随着聚合物掺量的增加，凝结时间逐渐延长，凝结时间间隔逐渐增大。从图3（b）可见：J2 加入到伸缩缝锚固复合材料中也有非常明显的缓凝效果，其凝结时间随着掺量的增加而延长。

图3 乳液掺量对凝结时间的影响

4.聚合物对伸缩缝锚固复合材料抗折、抗压强度的影响

J1、J2 掺量对伸缩缝锚固复合材料2h、4h 和8h 的抗折、抗压强度的影响见表2。

表2 聚合物乳液掺量对伸缩缝锚固复合材料抗折、抗压强度的影响

聚合物乳液掺量对伸缩缝锚固复合材料抗折、抗压强度有明显的影响，J1 和J2 掺入对伸缩缝锚固复合材料抗折、抗压强度的影响基本一致。

从图4（a）、5（a）可见：随着聚合物乳液掺量的增加，砂浆抗折强度降低，当乳液掺量为10%时，J1改性伸缩缝锚固复合材料2h的抗折强度较空白样降低了44.19%，4h的抗折强度较空白样降低了16.67%，8h的抗折强度较空白样降低了22.22%；J2改性伸缩缝锚固复合材料2h的抗折强度较空白样降低了51.16%，4h 的抗折强度较空白样降低了41.67%，8h 的抗折强度较空白样降低了42.59%。对于早龄期的砂浆，其抗折强度的降低主要是因为聚合物乳液的减水作用，增加了砂浆的凝结时间，延缓了水泥的水化反应。

图4 J1 掺量对伸缩缝锚固复合材料抗折抗压强度的影响

从图4（b）、图5（b）可以看出：对于不同龄期的砂浆，其抗压强度跟聚合物乳液掺量成反比，当聚合物乳液掺量为10%时，J1 改性伸缩缝锚固复合材料2h、4h 和8h 龄期的抗压强度较空白样分别降低了61.65%、34.16%、和41.64%，J2 改性伸缩缝锚固复合材料2h、4h 和8h 龄期的抗压强度较空白样分别降低了64.29%、51.86%和55.62%，这主要是因为聚合物自身弹性模量比水泥石低，其受压时起不到刚性支撑作用，从而抗压强度大幅降低。

图5 J2 掺量对伸缩缝锚固复合材料抗折抗压强度的影响

5.聚合物乳液对伸缩缝锚固复合材料压折比的影响

聚合物乳液掺量对伸缩缝锚固复合材料2h、4h 和8h 龄期压折比的影响，见表3。

表3 聚合物乳液掺量对伸缩缝锚固复合材料压折比的影响

聚合物乳液的掺入降低了伸缩缝锚固复合材料的压折比，对于各龄期砂浆来说，J1 改性伸缩缝锚固复合材料压折比低于J2，说明J1 改性伸缩缝锚固复合材料的柔韧性好于J2 改性伸缩缝锚固复合材料。由图6 可知，对于不同龄期的伸缩缝锚固复合材料，其压折比都是随着聚合物乳液掺量的增加而逐渐减小；对于8h 龄期的超早强无收缩修补料，当J1 掺量在10%时，其压折比最小，为5.07，较空白样降低了25.00%，大大提升了伸缩缝锚固复合材料的柔韧性。

图6 乳液掺量对伸缩缝锚固复合材料压折比的影响

聚合物乳液提升伸缩缝锚固复合材料的柔韧性主要有两个原因[8]：第一，聚合物乳液属弹性体结构，添加在水泥基材料中能够增加其抵抗变形的能力，从而使得韧性增加、脆性降低；第二，聚合物后期形成的网状结构能够有效的分布在水泥基材料空隙中，从而提高了伸缩缝锚固复合材料的抗折强度，而且聚合物的弹性模量较快速修补浆体的弹性模量低得多，改善了伸缩缝锚固复合材料的变形协调性，从而改善了伸缩缝锚固复合材料的韧性。

本文针对水泥混凝土路面、桥面伸缩缝局部破坏严重的情况，通过加入聚合物乳液对快速修补料进行改性，研究出了力学性能优良、凝结时间适宜的伸缩缝锚固复合材料。从增加伸缩缝锚固复合材料的流动度、柔韧性、抗压强度、抗折强度等方面综合考虑，J1 性能优于J2。因此本文选择J1，即丁苯乳液来改性伸缩缝锚固复合材料。当J1 掺量为7%时，伸缩缝锚固复合材料的凝结时间大于30 min；其4 h抗折强度为4.2 MPa，抗压强度为22.5 MPa；8h 抗折强度为4.4 MPa，抗压强度为24.1 MPa。