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摘要: 針對(duì)目前道路工程領(lǐng)域有關(guān)聚合物改性水泥膠漿流變性能的系統(tǒng)研究較少的現(xiàn)狀，試驗(yàn)研究了丁苯聚合物乳液對(duì)水泥膠漿力學(xué)性能的影響，通過(guò) Brookfield R/S Plus 旋轉(zhuǎn)粘度測(cè)試儀，分析了高效減水劑、剪切速率、丁苯聚合物乳液以及礦物摻和料對(duì)聚合物改性水泥膠漿流變性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明: 加入丁苯聚合物乳液能夠顯著提高水泥膠漿的柔韌性，降低其脆性; 高效減水劑對(duì)聚合物改性水泥膠漿的流變性能有顯著影響，其屈服應(yīng)力及塑性粘度隨高效減水劑摻量的增大而逐漸減小; 聚合物改性水泥膠漿的流變曲線符合賓漢姆流體模型 ( Bingham fluidmodel) ，隨著丁苯乳液摻量的不斷增加，水泥膠漿的流變性能得以逐漸改善; 聚合物改性水泥膠漿的剪切應(yīng)力及塑性粘度隨著粉煤灰摻量的增大出現(xiàn)一定程度的增長(zhǎng)隨著礦粉摻量的逐漸增大，其剪切應(yīng)力及塑性粘度出現(xiàn)一定程度的下降，但下降幅度并不明顯。
關(guān)鍵詞: 道路工程; 聚合物改性水泥膠漿; 流變性能 ; 高效減水劑; 粉煤灰; 礦粉
中圖分類號(hào): U414. 1+ 5. 03文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 1002 －0268 (2012) 09 －0008 －05
 
0 引言
我國(guó)很多道路工程結(jié)構(gòu)隨著其使用年限的增長(zhǎng)，老化及病害現(xiàn)象已非常嚴(yán)重，如何更好地提高道路工程結(jié)構(gòu)的使用性能，有效延長(zhǎng)其使用壽命，使其在節(jié)省投資的前提下出色地發(fā)揮工程效益，成為目前工程界關(guān)注的重大課題［1 －2］ 。水泥混凝土是目前道路工程領(lǐng)域宗的建筑材料之一，但是在使用過(guò)程中水泥混凝土經(jīng)常遇到相關(guān)質(zhì)量問(wèn)題，如窩蜂麻面、空洞、大面積損壞等，這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)物使用性能［3］。“有機(jī)復(fù)合化”是目前水泥混凝土增強(qiáng)改性的主流趨勢(shì)，在這一趨勢(shì)下，聚合物改性水泥混凝土 (PMC) 是典型的新型混凝土材料形式。聚合物改性水泥混凝土 (PMC) 是以聚合物(主要包括聚合物乳液與聚合物膠粉)、水泥為膠結(jié)材料與骨料結(jié)合而成的，該材料體現(xiàn)了無(wú)機(jī)膠凝材料與有機(jī)高分子聚合物相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，有效克服了普通水泥混凝土抗拉強(qiáng)度低、脆性大、易開(kāi)裂、耐化學(xué)腐蝕性差的缺點(diǎn)［4 －5］ ，由于其優(yōu)良的性能，聚合物改性水泥基材料在道路工程領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。作為一種有機(jī)高分子材料，聚合物的塑性粘度較大，某些聚合物與水泥、集料等無(wú)機(jī)材料共混后，水泥漿體粘聚性顯著提高的同時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)流變性能劣化等問(wèn)題，從而顯著影響其施工能。相關(guān)研究表明，粉煤灰、礦粉等礦物摻和料可以顯著影響新拌水泥基材料的流變性能，從而直接影響硬化后水泥基材料的力學(xué)及耐久性能 ［6 －8］ 。目前缺乏對(duì)于聚合物改性水泥膠漿流變性能的系統(tǒng)研究，并且很少有文獻(xiàn)涉及到礦物摻和料對(duì)聚合物改性水泥基材料流變性能的影響，本文研究了高效減水劑、剪切速率、聚合物以及粉煤灰與礦粉等礦物摻和料對(duì)聚合物改性水泥膠漿流變性能的影響，這些成果將為其在道路工程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供相關(guān)參考依據(jù)。
 
1 試驗(yàn)
1. 1 原材料
(1) 水泥: 采用湖北華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的 P·O42. 5 普通硅酸鹽水泥，水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)稠度 28. 4%，初凝時(shí)間 135 min，終凝時(shí)間 210 min，安定性合格。3 d 抗折強(qiáng)度 7. 6 MPa，28 d 抗折強(qiáng)度9. 5 MPa; 3 d 抗壓強(qiáng)度28. 2 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度 53. 4 MPa，其物理性能如表 1 所示，化學(xué)成分如表 2 所示。
 

(2) 聚合物乳液: 采用上海 BASF 公司生產(chǎn)的丁苯 SD623 聚合物乳液，其顆粒平均粒徑為 168. 4 nm，具體顆粒粒徑分布如圖 1 所示，聚合物乳液固含量為47%，成膜溫度為11 ℃。
 

(3) 礦物摻和料: 采用武漢陽(yáng)邏電廠 I 級(jí)粉煤灰以及武鋼礦渣微粉 (簡(jiǎn)稱礦粉)，其物理性能如表1 所示，化學(xué)成分如表 2 所示。(4) 減水劑: 選用武鋼浩源外加劑廠生產(chǎn)的FDN 萘系磺酸鹽高效減水劑。
 
1. 2 試驗(yàn)方法
(1) 力學(xué)性能
將各個(gè)配比的聚合物改性水泥膠漿的流動(dòng)度控制在 180 ～200 mm 之間，按照 《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005) ［9］ 要求，制成40 mm × 40 mm × 160 mm 的棱柱試體，采用水中養(yǎng)護(hù)7 d 后再進(jìn)行自然干燥養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后測(cè)試其抗壓、抗折強(qiáng)度。
(2) 流變性能
聚合物改性水泥膠漿的流變性能采用 BrookfieldR/S Plus 旋轉(zhuǎn)粘度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)儀器的不同型號(hào)轉(zhuǎn)子測(cè)試不同類型漿體的塑性粘度 η 及其屈服應(yīng)力 τ，試驗(yàn)溫度固定在 (20 ±0. 1)℃。其中在各水泥膠漿測(cè)試試樣的水灰比固定為0. 45，水泥膠漿的工作性能按照 《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》 (GB/T 8076—2000) ［10］ 進(jìn)行，采用圓環(huán)流動(dòng)度表示，流動(dòng)度控制在 180 ～200 mm 之間。
 
2 結(jié)果與討論
2. 1 聚合物對(duì)水泥膠漿力學(xué)性能的影響
聚合物對(duì)水泥膠漿力學(xué)性能的影響如表 3 所示，相比水泥膠漿空白樣，聚合物改性水泥膠漿的抗壓強(qiáng)度下降幅度較為明顯，但其抗折強(qiáng)度出現(xiàn)了一定程度的提高，聚灰比 20% 的聚合物改性水泥膠漿28 d 抗壓強(qiáng)度為 35. 5 MPa，相比空白樣降低了33. 9%，其抗折強(qiáng)度達(dá)到 9. 86 MPa，相比空白樣提高了 28. 2%。折壓比在一定程度可反映材料的柔韌性 ［3 －4］ ，分析聚合物乳液對(duì)水泥膠漿折壓比的影響，相比空白樣，聚合物改性水泥膠漿的折壓比出現(xiàn)一定程度的增大，并且聚合物改性水泥膠漿的7 d 折壓比明顯大于 28 d 折壓比。20% 聚灰比的聚合物改性水泥膠漿的 28 d 折壓比為 0. 278，相對(duì)空白基準(zhǔn)樣水泥膠漿的 28 d 折壓比提高了 94. 4%，可見(jiàn)聚合物乳液的加入可顯著提高水泥膠漿的柔韌性，降低其脆性。
 

2. 2 高效減水劑對(duì)聚合物改性水泥膠漿流變性能的影響
FDN 萘系磺酸鹽高效減水劑對(duì)聚合物改性水泥膠漿流變性能的影響如圖 2 所示。隨著高效減水劑摻量的不斷增加，聚合物改性水泥膠漿的屈服應(yīng)力與塑性粘度均出現(xiàn)明顯下降。由于摻入高效減水劑以后，高效減水劑的分子吸附到水泥顆粒表面，改變了水泥顆粒的物理與化學(xué)特性，使水泥顆粒表面得到高的表面電荷，相同電荷導(dǎo)致顆粒之間互相排斥，從而增加水泥顆粒之間的排斥力，具有解凝和分散作用，使絮凝體中被包裹的游離水釋放出來(lái)，并可以大大降低水泥屈服應(yīng)力與塑性粘度，從而顯著增加漿體的流動(dòng)性 ［11 －12］ 。
 

2. 3 剪切速率對(duì)聚合物改性水泥膠漿瞬態(tài)流變性能的影響
粘度測(cè)試儀轉(zhuǎn)子的剪切速率對(duì)聚合物改性水泥膠漿瞬態(tài)流變性能的影響如圖 3 所示。隨著測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，不同剪切速率下試樣的塑性粘度均出現(xiàn)了一定程度的降低，其中剪切速率較低試樣的塑性粘度降低幅度明顯大于剪切速率高的試樣，測(cè)試時(shí)間為 200 s 時(shí)，剪切速率為 100 s－1 的試樣塑性粘度降為 0. 46 Pa·s，相比其初始塑性粘度 0. 80 Pa·s降低了 42. 5%。
 

分析剪切速率對(duì)聚合物改性水泥膠漿塑性粘度的影響規(guī)律，當(dāng)剪切速率為60 s－1 時(shí)，其塑性粘度達(dá)到較大值，略大于剪切速率為 100 s－1 的試樣，但明顯大于剪切速率為 150 s－1 及 200 s －1 的試樣。隨著剪切速率的進(jìn)一步增大，聚合物改性水泥膠漿的塑性粘度出現(xiàn)顯著下降，剪切速率為 200 s－1 時(shí)，其塑性粘度明顯小于較大剪切速率的試樣，但是與剪切速150 s－1 試樣的塑性粘度相差不大。
 
2. 4 聚合物摻量對(duì)水泥膠漿流變性能的影響
分析不同丁苯 SD623 聚合物乳液摻量對(duì)水泥膠漿流變性能的影響，如圖 4 所示。在剪切速率逐漸增大 (從 0 ～200 s－1 ) 的第1 階段，隨著丁苯乳液摻量的逐漸增大，水泥膠漿的塑性粘度出現(xiàn)一定程度的降低，但這種降低幅度并不明顯。但在剪切速率逐漸減小 (從200 ～0 s－1 ) 的第 2 階段，聚合物乳液的加入對(duì)水泥膠漿粘度的降低作用更加明顯。與此同時(shí)，與不摻聚合物的基準(zhǔn)水泥膠漿空白樣對(duì)比，丁苯乳液改性水泥膠漿的塑性粘度顯著降低，說(shuō)明丁苯乳液的加入使得水泥膠漿的流變性能得以明顯改善，且隨聚合物乳液摻量的增大改善效果趨于明顯。
 

 
分析聚合物改性水泥膠漿剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系，其流變曲線符合賓漢姆流體模型，賓漢姆流體流變方程 ［13］為:
τ = τ 0+ ηplγ，(1)
當(dāng) τ ＜ τ 0 時(shí)，ηpl =0，γ = ∞;
當(dāng) τ≥τ 0 時(shí)，τ = τ 0+ ηplγ，
式中，τ 為剪切應(yīng)力; τ 為屈服應(yīng)力; η pl 為塑性粘度; γ 為剪切速率。
聚合物改性水泥膠漿的剪切應(yīng)力與剪切速率近似呈直線對(duì)應(yīng)關(guān)系，賓漢姆流體模型的主要特點(diǎn)是存在屈服應(yīng)力，當(dāng)施加的剪切應(yīng)力 τ 大于屈服應(yīng)力 τ 0時(shí)，聚合物改性水泥膠漿才會(huì)發(fā)生流動(dòng)，具有典型的塑性液體性質(zhì); 當(dāng)剪切應(yīng)力 τ 小于屈服應(yīng)力 τ 0 時(shí)，聚合物改性水泥膠漿沒(méi)有流動(dòng)性，表現(xiàn)為固體形態(tài)。
 
2. 5 礦物摻和料對(duì)聚合物改性水泥膠漿流變性能的影響
研究了粉煤灰與礦粉對(duì)聚合物改性水泥膠漿流變性能的影響，其中粉煤灰與礦粉分別按照 0、5%、10%、15%、20% 等 5 種摻量等質(zhì)量取代水泥。粉煤灰對(duì)聚合物改性水泥膠漿流變性能的影響如圖 5所示，分析其剪切應(yīng)力與剪切速率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，摻加粉煤灰后，聚合物改性水泥膠漿的流變曲線符合賓漢姆流體模型。隨著粉煤灰摻量的增大，聚合物改性水泥膠漿的剪切速率逐漸增大，其塑性粘度也隨之出現(xiàn)一定程度的提高，當(dāng)粉煤灰摻量不大于15%時(shí)，聚合物改性水泥膠漿塑性粘度的提高幅度并不明顯，當(dāng)粉煤灰的摻量大于 15%，其塑性粘度出現(xiàn)較大程度的提高。
 

由圖 5 可知，由于粉煤灰的表觀密度明顯小于水泥，當(dāng)采用粉煤灰按照一定比例等質(zhì)量取代水泥，相當(dāng)于增大了漿體中膠凝材料的比表面積，當(dāng)粉煤灰的摻量不高時(shí)，由于粉煤灰表面光滑致密，其“滾珠效應(yīng)”可以抵消一部分水泥顆粒之間的摩擦力［14］ ，表現(xiàn)為聚合物改性水泥膠漿的塑性粘度提高程度不大。但隨著粉煤灰摻量的逐漸增大，膠凝材料的需水量逐漸增加，水泥顆粒之間的摩擦力與附著力顯著提高，從而導(dǎo)致聚合物改性水泥膠漿的屈服應(yīng)力與塑性粘度出現(xiàn)較大幅度的增加。
 

 
分析礦粉對(duì)聚合物改性水泥膠漿流變性能的影響，如圖6 所示。礦粉對(duì)聚合物改性水泥膠漿流變性能的影響規(guī)律相比粉煤灰具有明顯的差異性，隨著礦粉摻量的增大，聚合物改性水泥膠漿的剪切應(yīng)力與塑性粘度出現(xiàn)一定程度的降低，但降低程度并不明顯。由圖 6 可知，礦粉顆粒呈碎石狀，表面光滑致密，吸水率很低，并具有潛在的水硬活性，細(xì)小的礦粉顆粒表面會(huì)吸附大量聚合物顆粒，并有效分散了水化產(chǎn)物凝膠，稀釋了整個(gè)體系中水泥水化產(chǎn)物的體積比例，減緩了凝膠體系的凝聚速度，并對(duì)水泥水化以及聚合物薄膜形成的絮凝狀產(chǎn)物有解絮作用，使得聚合物改性水泥膠漿的流變性能出現(xiàn)明顯改善［15 －16］ ; 另一方面，隨著礦粉摻量的增大，活性較高的礦粉顆粒能夠不斷填充在水泥漿體的孔隙中，從而取代了部分原在水泥漿體孔隙的自由水。因此礦粉的加入能夠減少膠凝材料的需水量，并且在一定程度上提高聚合物改性水泥膠漿中自由水的含量，從而減小了其剪切應(yīng)力與塑性粘度。
 
3 結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)聚合物改性水泥膠漿流變性能的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論:
(1) 相比空白樣，聚合物改性水泥膠漿的抗壓強(qiáng)度下降幅度較為明顯，但其抗折強(qiáng)度出現(xiàn)了較大幅度地提高; 20% 聚灰比的聚合物改性水泥膠漿的28 d 折壓比為 0. 278，相對(duì)空白樣水泥膠漿提高了94. 4%，表明丁苯聚合物乳液的加入可顯著提高水泥膠漿的柔韌性，降低其脆性。
(2) 萘系磺酸鹽高效減水劑對(duì)新拌聚合物改性水泥膠漿的流變性能產(chǎn)生了顯著影響，隨著高效減水劑摻量的不斷提高，聚合物改性水泥膠漿的屈服應(yīng)力與塑性粘度出現(xiàn)明顯降低。
(3) 隨著測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，聚合物改性水泥膠漿的塑性粘度出現(xiàn)明顯下降，與此同時(shí)，其塑性粘度隨著流變測(cè)試儀剪切速率的增大而不斷降低。聚合物改性水泥膠漿的流變曲線符合賓漢姆流體模型，聚合物的摻加可顯著改善水泥膠漿的流變性能。
(4) 粉煤灰與礦粉的摻入對(duì)聚合物改性水泥膠漿的流變性能產(chǎn)生了顯著影響，隨著粉煤灰摻量的不斷增大，聚合物改性水泥膠漿的剪切應(yīng)力與塑性粘度出現(xiàn)一定程度的降低，主要原因是由于粉煤灰的加入明顯增大了膠凝材料的比表面積，導(dǎo)致其需水量明顯提高; 采用不同摻量的礦粉等質(zhì)量取代水泥，聚合物改性水泥膠漿的剪切應(yīng)力與塑性粘度均出現(xiàn)一定程度的降低，分析原因是由于礦粉的加入減緩了漿體凝膠體系的凝聚速度，對(duì)水泥水化以及聚合物形成的絮凝狀產(chǎn)物及聚合物薄膜有解絮作用，并且礦粉有效填充了聚合物改性水泥膠漿內(nèi)部的孔隙，增大了漿體內(nèi)部自由水的含量。
 
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