聚合物改性水泥混凝土力学性能试验研究.pdf

黄志强 等： 聚合物 改性水泥 混凝土力学性能试验研究 l 5 DO I ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 0 5 0 0 6 聚合物 改性水泥 混凝 土力学性 能试验研 究 黄志强 ， 张二芹 ， 吕晨曦 ( 1 沈阳工业大学建筑工程学院， 沈阳1 1 0 8 7 0 ； 2 辽宁省建筑材料力学重点实验窒， 沈阳1 3 0 8 7 0 3 中国科学 院金属研 究所 ， 沈 阳1 1 0 0 1 6) 【 摘要】 聚合物改性水泥基复合材料的应用逐渐广泛 ， 文中主要是通过试验的方法对环氧树脂改性水泥 混凝土的抗压强度、 抗拉强度、 抗折强度等力学性能进行了试验研究 ， 试验通过聚合物掺量为 0、 3 、 5 、 8 、 1 0 这五种混凝土试件测得的各种强度及弹性模量 ， 得到了聚合物掺量对聚合物改性水泥混凝土力学性能的影 响， 并提出了混凝土的强度评价指标， 试验结论 ： 当聚合物掺量在8 一 1 0 范围内时对混凝土力学性能综合改性 效果最好 。 【 关键词】 聚合物改性水泥混凝土； 力学性能； 强度评价指标； 影响因素 【 中图分类号】 T U 5 2 8 4 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 0 1 5 0 3 聚合物改性水泥混凝土材料是近些年发展起来 的一种新型复合材料 ， 目前聚合物水泥基复合材料主 要是用于地面、 路面、 桥面等 ， 具有较好 的耐腐蚀性 能， 强度高， 不易产生弯曲变形； 还可用于防腐蚀材料 和内衬材料： 接触化学物质的槽 、 罐、 池等部位衬里或 砌体 ， 尤其是洒落化学物质的楼地面更为适宜。目前 国内外许多人做了关于这方面的研究， 如 ： 钟世云、 李 晋梅等人分析了乳液类型及聚灰 比对水泥颗粒表 面吸附聚合物乳液的影响， 熊剑平 、 申爱琴 及王培 铭等 分别对聚合物水泥混凝土的改性机理和微观 结构进行了一定研究 ， K i m 研究了加料顺序和搅拌 速度对聚合物改性砂浆的和混凝土性能的影响， C 0 1 a k 研究了减水剂对乳液砂浆性能的影响。由此可 见对 于相 同 的材 料 每个 人研 究 的侧 重点 也 是有 所不 同的。由于聚合物种类 、 外加剂种类繁多， 加之搅拌 方式 、 养护方式等 因素的影响， 对聚合物混凝土的研 究仍然有很 大的空 间。 为了使聚合物改性水泥混凝土更好的应用于机 场跑道的修补工作及作为一些重要管道的衬砌材料 ， 文 中主要通 过试 验 的方 法研 究 了聚合 物 改性 水 泥混 凝土 的力学性能 ， 并对其强 度 、 评价 指标 、 影 响 因素进 行 了分析与 总结 。 1 实验设计 1 1 实验原材料及性能 ( 1 ) 水泥： 采用辽宁省本溪生产的 P O 4 2 5 级的普通硅酸盐水泥， 各项指标符合国家通用水泥新 标准 G B 1 7 51 9 9 9 ( 硅酸盐水泥、 普通硅酸盐水泥 。 ( 2 ) 石子 ： 最大粒径 2 0 m m的石灰 岩碎石 。 ( 3 ) 砂子 ： 选用粒径不大于 5 m m的河砂。 ( 4 ) 水 ： 采用 自来水 。 ( 5 ) 聚合物： 浙江安邦新材料发展有限公司生 产 的水性环氧树脂乳液 和固化剂 。 ( 6 ) 消泡剂 ： 日本生产的二氧化硅型消泡剂 。 1 2 试件尺寸、 数量、 设备及加载方式 试验所需的试件形状 、 尺寸 、 数量如表 1 所示。 表 1 试件形状 、 尺寸 、 数 量 注 ： 表 1中试件数量 为一 种聚合 物掺量 的混凝 土试件 数量 ， 试 验共有五种聚合物掺量。 试验需要的设备有济南恒瑞金试验机有限公司 生产的型号为 Y E S一 2 0 0 0的数显式压力试验机、 杭州 邦威机电控制工程有限公司生产的电液伺服结构试 验系统 ， 型号 J ( P C) N一 5 0 0 K、 应变采集箱及浙江黄 岩测 试 仪 器 厂 生 产 的 型号 为 B X 1 2 05 0 ( P C) ( P C) ， 电阻为 1 1 9 90 1 Q， 灵敏度系数为 2 0 81 ， 栅长 栅宽为5 0 m m 3 m m的电阻应变片。 试验按照 G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ( ( 普通混凝土力学性 能试验方法标准 进行， 其中抗折试验采用四点抗折。 1 3 试验配合 比 本试验共制作了 5种混凝土试件 ， 所配试件的强 度 等级 为 C 4 0 ， 5种试件 聚灰 比( 聚合 物与水 泥质量 之 比) 分别为 o 、 3 、 5 、 8 、 1 0 ， 普 通 混凝 土 中不 加 入消泡剂 ， 掺加聚合物的混凝土中均加入 1 ( 消泡剂 质量与聚合物质量的百分比) 的消泡剂。 1 6 低温建筑技术 2 0 1 5年第 5期 ( 总第 2 0 3期 ) 2试验结果及其分析 2 1 各种混凝土的力学性能 各种混凝 土的力学性能见表 2所示 。 表 2 各种聚合物改性水泥混凝土 力学性能 结果 注 ： 表中各强度单位均 为 MP a ， 各 比值无单位 ， 压折 比为 自身 的 抗压强度与抗折强度的 比值。 2 2 结果分析 将各种聚合物改性水泥混凝土的抗压强度、 抗拉 强度、 抗折强度、 弹性模量、 压折比等力学评定指标与 聚灰比关系分别制成曲线图， 可更直观的观察其性能 变化 ， 下面就结合曲线图对实验结果分别进行分析。 2 2 1 聚合物掺量对混凝土抗压强度的影响 由试验得知抗压强度与聚灰 比关系函数 ： = 一 2 2 ( P C ) - 6 1 6 ( P C ) + 7 4 ( P C ) + 1 立方体抗压强度是评定混凝土强度等级的重要 指标， 由图 1中曲线可知 ， 聚合物改性水泥混凝土的抗 压强度随着聚灰比的增加先增大后降低， 与普通混凝 土相比， 掺加聚合物后确实能够提高混凝土的抗压强 度； 从图中可观察到， 当聚灰 比达 8 时， 抗压强度最 大， 与普通混凝土相比提高 了2 1 8 。因此 ， 从本试 验看出， 聚合物改性水泥混凝土的抗压强度不仅与混 聚灰比P I G 图1 抗压强度与聚灰 比关系 曲线 凝土整 体 结 构 有 关 ， 还 与 所 掺 加 聚 合 物 的性 质 有关 引。 2 2 2 聚合物掺量对混凝土抗拉强度的影响 由试验得知抗拉强度与聚灰 比关系 函数 ： = 6 6 2 ( P C ) 一 1 3 1 ( P C ) + 0 6 ( P C )+ 0 1 普通混凝土抗 拉强度低 ， 脆性 大 ， 易 开裂 ， 这 对 于 工程应用很不利。从图 2及表 2看出， 聚灰 比小于 3 时， 其抗拉强度较普通混凝土从 0提高到 1 0 6 ， 则有利于减缓混凝土构件 因受拉区所受拉力过大而 产生破坏。当聚灰 比在 3 一1 0 范围内时 ， 其抗拉 强度逐渐下降， 其中聚灰比为 1 0 时抗拉强度 比普通 混凝土提高了 5 3 。通过对混凝土细观结构的研究 得出， 混凝土中加入聚合物分散体后 ， 聚合物与水泥 或水泥水化产物发 生相互作 用 ， 当在拉 应力作 用下 产 生裂缝时， 聚合物能够跨越裂缝并且抑制或减缓裂缝 的扩展 ， 聚合物所形成的聚合物结构膜的抗拉强度较 大， 使混凝土的抗拉强度得到提高， 可见聚合物 的掺 入改善了混凝土 的宏观抗拉性能 。 2 2 3 聚合物掺量对混 凝土抗 折强度 的影响 由试验得知抗折强度与聚灰比关系函数 ： f f = 4 5 1 ( P C ) 一 7 1 ( P c ) +3 6 5 1 ( P C ) 从图3及表 2看出， 聚合物水泥混凝土的抗折强 度随聚合物掺量的增加而增大 ， 当聚合物掺量为 1 0 时， 抗折强度提高 了 3 4 2 。从混凝 土细观结构看 出， 在混凝土中加入适量聚合物， 可在其 中形成三维 空间网状结构， 而水泥水化后硬化的水泥浆体会形成 连续 的空 间 网状 结 构 ， 这两 种 网状 结 构 相 互交 错 缠 绕 ， 从而使混凝土的抗折强度提高较明显 。 。 。 0 0 0 2 0 0 40 0 6 0 0 8 0 1 0 1 2 聚灰 比P ， C 图2 抗拉强度与聚灰 比关系曲线 2 2 4 聚合物掺量对混凝土弹性模量的影响 由试验得知弹性模量与聚灰比关系函数 ： E= 一8 5 6 ( P C) +1 2 3 ( P C) 0 7 ( P C )+ 0 1 弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个重要 指标， 是结构设计重要的参数之一， 弹性模量越大 ， 材 料越不易变形。根据试验所测得的应力应变数据 ， 计 算出不同聚合物掺量的混凝土的弹性模量如图 4所 5 5 5 4 5 4 3 5 3 2 5 聚灰 比P ， C 图3 抗折强度与聚灰比关系曲线 示。从图中看 出， 随着聚合物掺量 的增加 ， 混凝土的 弹性模量呈现逐渐 减小 的趋 势 ， 表 明在普通 混凝 土 中 加入适量聚合物有利于降低混凝土的弹性模量， 提高 其变形能力。从混凝土细观结构看出， 聚合物在混凝 土结构中形成了三维网状膜结构， 由于聚合物膜有一 定的塑性可以牵制整个混凝土结构 。因此 ， 随着聚 合物掺量的增加， 使得混凝土在荷载作用下不是突然 产生破坏 ， 而是逐渐 发生破坏 ， 使混 凝 土柔性增 加 ， 从 日 d ， 是 暾鞲辖 是 矮轼辖 蚤暾 黄志强等 ： 聚合物改性水泥混凝土力学性能试验研 究 l 7 而从 弹性模量方 面提高了其变形性能。 垂 三 鬈 黎 聚灰比P C 图4 弹性模量与聚灰比关系曲线 2 2 5 聚合物掺量对混凝土压折比的影响 蓄 聚灰比P ， C 图5 压折比与聚灰比关系曲线 由试验得知压折比与聚灰比关系函数： f f = 9 4 7 0 9 ( P C ) 一1 9 8 4 ( P C ) +8 9 8 ( P C)+8 7 压折 比为混凝土 自身的抗压强度与抗折强度的 比值， 综合反映了两种强度变化对混凝土性能影响。 图5反映了聚合物掺量对压折比的影响， 当聚灰 比小 于 3 时压折比随聚合物掺量 的增加而增大， 当聚灰 比在 3 1 0 范围时 ， 压折比随聚合物掺量增加又 逐渐降低。由分析得知， 压折 比比值越小 ， 说明混凝 土材料的脆性降低 ， 相应使其柔性提高， 即脆性改性 效果明显。混凝土属于脆性材料， 压折比高， 不宜承 受拉力， 破坏时呈脆性断裂， 而聚合物改性水泥混凝 土从压折比方面有效改善了混凝土的脆性性能。 3讨论 混凝土强度是评定混凝土性能的基本指标， 但抗 压、 抗拉、 抗折强度， 弹性模量等力学评定指标中任一 值升高或降低都不能完全反映该类混凝土力学性能， 因此不能从单一角度考虑聚合物对混凝土性能的影 响， 还应该综合考虑压折比这个综合指标进行分析。 聚合物改性水泥混凝 土比普通混凝土性能有所 提高， 成本也较高， 但其性价比较高， 长期效益好_ l引。 4结语 ( 1 ) 当聚灰比为 8 时， 混凝土抗压强度提高了 2 1 8 ； 当聚灰比为 1 0 时， 混凝土的抗折强度提高 了3 4 2 ， 弹性模量下降了 2 8 5 ， 对混凝土的柔性 性能改善效果较好 。 ( 2 ) 由聚合物改性水泥混凝土的应力应变关系 看出， 掺加聚合物后混凝土在破坏时应变增加明显， 出现的裂缝少 ， 深度小， 并且裂缝出现的时间也较晚。 ( 3 ) 评定聚合物改性水泥混凝土力学性能时， 应综合抗压 强度 、 抗拉强度 、 抗折 强度 、 弹性模量 和压 折 比这五项指标进行评定。 ( 4 ) 聚合物改性水泥混凝土的性能除与聚合物 掺量密切相关外， 搅拌方式 、 养护条件、 消泡剂种类 、 聚合物种类等因素对其性能也有影响。 参考文献 1 钟世云， 李晋梅， 张聪聪 减水剂及加料顺序对乳液改性砂浆 性能的影响 J 建筑材料学报 ， 2 0 1 0， 1 3 ( 5 ) ： 5 6 85 7 2 2 熊剑平， 申爱琴 聚合物水泥混凝土改性机理研究 J 郑州大 学学报( 工学版) ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 3 ) ： 1 5 2 0 3 王培铭 ， 赵 国荣 ， 张 国防 聚合物水泥混 凝土的微观结构 的研 究进展 J 硅酸盐学报， 2 0 1 4 ， 4 2 ( 5 ) ： 6 5 3 6 6 0 【 4 K I M J H，R O B E R 1 S 0 N R E P r e v e n t i o n o f air v o i d f o r ma t i o n i n p o l y me r mo d i fi e d c e m e n t mo r t a r b y p r ew e t t i n g J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 1 9 9 7， 2 7 ( 2 )： 1 7 11 7 6 5 C O L A K AP r o p e rt i e s o f p l a i n a n d l a t e x modi fi e d P o rt l a n d c e me n t p a s t e s and c o n c r e t e s w i t h a n d w i th o u t s u p e r p l a s t i e i z e r J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 8 ) ： 1 5 1 01 5 2 1 6 张岩 ， 张浩博 ， 禹亮 ， 孙 有聚 WS P聚合 物混凝土力学性能试验 研究 J 混凝土， 2 0 0 8 ， ( 1 2 ) ： 7 7 8 1 7 刘字 水性环氧基混凝土的制备与性能 D 广州： 华南理工 大学 ， 2 0 l 2 8 M A K S I M O V R D ， P L U M E E Z ， J A N S O N S J O C o m p a r a t i v e s d u d i e s o n t h e me c h a n i c a l of a t h e r mo s e t p dy me r i n t e n s i o n a n d c o rn p r e s s i o n J Me c h a n i c s of C o mp i t e Ma t e r i a l s ， 2 0 0 5 4 1 ( 5) ： 42 5 一4 3 6 9 张胜强， 赵军， 郑先杰 聚合物混凝土的抗拉性能试验研究 J 河南建材 ， 2 0 0 5 ， ( 4 ) ： 2 1 2 2 1 O 潘玉庄， 白会民 聚合物改性混凝土的性能及应用 c 河 南省建筑行业优秀论文集 ， 2 0 0 8 ： 2 6 1 2 6 6 1 1 冯雨松 关于聚合物水泥混凝土的分析 J 工业建筑， 2 0 0 7 ， 3 7： 9 8 39 8 5 1 2 熊剑平， 申爱琴 聚合物水泥混凝土的路用性能 J 长安大 学学报(自然科学版 ) ， 2 0 0 7。 2 7 ( 6 ) ： 2 4 2 8 【 收稿日 期 2 0 1 5 0 2 0 2 作者简介 黄志强( 1 9 7 1 一) ， 男， 黑龙江伊春人， 博士， 副教 授， 研究方 向： 混凝土断裂与损伤力学性能的 研究 。