结构加固用高性能聚合物改性砂浆耐久性的研究

1、第39卷 增刊 建 筑 结 构 2009年8月结构加固用高性能聚合物改性砂浆耐久性能的研究葛序尧1，罗荣利1，闫 挺1，彭 勃2（1机械工业第六设计研究院，郑州 450007 2湖南固特邦土木技术发展有限公司，长沙 410205）摘要 本文针对钢丝绳网片聚合物砂浆外层加固法用聚合物改性砂浆，研究了聚合物在冻融和干湿循环下对高性能复合砂浆粘结强度能的影响，并提出了该聚合物在砂浆中的较优掺量。关键词 聚合物；砂浆；结构加固；耐久性能Study on the Durability of High Performance Polymer Modified Mortar for Structural S

2、trengtheningGe Xuyao1,Luo Rongli1,YanTing1,Peng Bo2(1 NO. 6 Institute of Project Planning & Research of the Ministry of Machinery Industry, Zhengzhou, 450007, China2 Hunan Goodbond Construction Technic Development Co.ltd, Changsha 410205, China)Abstract: Aiming at the method of strengthening mem

3、ber with steel wire mesh and polymer mortar, the influences of freezing and thawing cycle and wetting and drying to the bond strength of the high performance polymer modified mortar. The optimal ratio of polymer to binder was proposed.Keywords: polymer；mortar；structural strengthening；durability1 引言混

4、凝土结构加固、修补和改造是一项涉及广泛、任务繁重的重要工作。钢丝绳网片聚合物砂浆加法是一种新型加固工艺，具有耐火、耐腐蚀、耐老化、易施工等特点。其所用砂浆应具有强度高、韧性好、延伸率大及抗裂性好等特点1。钢丝绳网片聚合物砂浆面层能够发挥其优越性依赖于高性能复合砂浆对老混凝土较高的粘结强度。砂浆与混凝土界面的粘结强度受多种复杂因素的影响，本文研究了冻融和干湿循环对聚合物改性砂浆粘结强度的影响，并提出了聚合物的较优掺量。2 高性能复合砂浆组成和试验方法2.1组成根据混凝土结构加固设计规范对高性能复合砂浆的技术要求，该砂浆应由水泥、高效减水剂、矿物掺合料、纤维、聚合物等组成。水泥：综合考虑材料应用的

5、广泛性和所配砂浆的高强度，选用P.O42.5普通硅酸盐水泥；矿物掺合料：为更好地改善新拌砂浆施工性能和硬化砂浆力学性能，在砂浆中掺加适量硅灰和粉煤灰；为提高砂浆抗裂性能和减小砂浆干缩，在砂浆中掺加适量UEA膨胀剂；砂：普通河砂，过2.5mm筛，细度模数Mx2.2；水：自来水；减水剂：本文选用与聚合物具有优良适应性的改性聚羧酸醚高效减水剂，粉剂，进口产 作者简介：葛序尧，硕士，工程师，Email：gexuyao2009品；有机纤维：为提高砂浆的抗裂性能和劈裂抗拉强度，在砂浆中掺加适量聚丙烯纤维，长度为9mm；聚合物：为使用方便聚合物选用干粉形式，进口产品。2.2试验方法试验方法：将粉末材料和纤维

6、加入搅拌锅内，慢速搅拌30s，使纤维分散均匀。再加水慢速搅拌5min，并调节砂浆流动度在(170±5)mm范围内，并以此确定砂浆用水量。流动度按水泥胶砂流动度测定方法（GB/T2419-2005）的规定进行。按规范GB50367-2006的规定进行试件成型。养护制度：在温度为（20±2），相对湿度90的养护室养护2d，再在温度为（20±2）的水中养护5d，然后在温度为（20±2），相对湿度60的养护室内干养护21d。粘结耐久性试验的具体试验步骤按照聚合物改性水泥砂浆试验规程DL/T51262001的规定进行。把养护到规定龄期的试件放入（20±2

7、）的水中浸泡18h取出，放在（-20±3）的低温箱中恒温3h，再取出放入（50±3）的高温箱中恒温3h，24h为一个循环，共进行10个循环。粘结耐久性系数PA=fAT/fBT，fAT未经冻融循环试件的粘结抗拉强度，fBT经冻融循环试件的粘结抗拉强度。3 高性能砂浆的试验研究3.1砂浆配合比及试验结果经大量试验确定高效减水剂、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、杜拉纤维在砂浆中较优掺量。研究中固定胶砂比为1:2，聚丙烯纤维掺量为胶凝材料总质量的0.15。表1列出了不同聚合物掺量时，冻融干湿循环作用对砂浆粘结性能的影响，其中M0为对比砂浆。为避免老砂浆基块在冻融循环过程中就破坏，本试验中老砂

8、浆基块用湖南固特邦土木技术发展有限公司生产的HPGA灌浆材料浇注而成，其强度高孔隙率低，老砂浆基块抗压强度为79.1MPa。由于基块密实度高孔隙率很低，测定的砂浆粘结抗拉强度值会有一定程表1 砂浆配合比及耐久性系数编号fATfBTPAM01000000.15001.100.821.341M17510.05.010.00.150.3003.103.270.948M27510.05.010.00.150.300.52.712.930.925M37510.05.010.00.150.301.02.482.630.943M47510.05.010.00.150.301.52.822.990.943M5

9、7510.05.010.00.150.302.02.402.690.892M67510.05.010.00.150.303.02.943.370.872M77510.05.010.00.150.305.02.882.721.058注：C水泥t；Sup高效减水剂；P聚合物；FA粉煤灰；SF硅灰；UEA膨胀剂；W水；F纤维；B胶凝材料；其中mB=mC+mFA+mSF+mUEA。M0对比试件在冻融循环试验过程中3个试件界面破坏；M1在冻融循环试验过程中1个试件界面破坏。度地降低。3.2对比砂浆的性能对比砂浆M0为普通砂浆，其与老砂浆基块粘结强度低仅有1.10Mpa。水泥在新老砂浆在界面的水泥没能紧密

10、堆积，近集料表面水分较多，水泥较少，没有足够的凝胶来填充孔隙，界面过渡区具有比水泥浆体基体大得多的孔隙率2。界面过渡区孔隙率高，易形成较粗的连通通道，使得水分可以很容易地侵入砂浆，在冻融循环作用下，水分反复结冰形成的膨胀应力使界面粘结强度受到损失。同时在粘结界面存在氢氧化钙晶体，在冻融干湿循环过程中，在砂浆界面处水分反复溶解和析出氢氧化钙晶体形成结晶压力，或者氢氧化钙溶入水中使孔隙率更大，使冰的膨胀应力加大。这使界面粘结遭到较大损坏，甚至经过几个循环普通砂浆已失去了粘结强度。3.3矿物掺合料和高效减水剂对砂浆耐久性的改性效果表1中列出了矿物掺合料和高效减水剂对砂浆耐久性能的改性效果。从表1可以

11、看出，在达到相同流动性的情况下，加入矿物掺合料和高效减水剂能大幅度提高砂浆的粘结强度和耐久性能，经过冻融循环的砂浆粘结强度是普通砂浆的4.0倍。矿物掺合料和高效减水剂改变水泥石结构，减小毛细孔径和孔隙率，减小砂浆收缩，提高水泥石强度和密实性3，提高了砂浆耐久性能。但矿物掺合料和高效减水剂使硬化砂浆的弹性模量大大提高，当与老砂浆基块发生相对变形时产生很大的应力，使界面发生破坏。虽然矿物掺合料和高效减水剂提高了砂浆的粘结强度和耐久性，但新拌砂浆抹面施工性能和界面粘结强度长期性能较差。3.4 聚合物对砂浆耐久性的改性效果从宏观来看，经过冻融循环和干湿循环后的普通砂浆表面出现损坏的现象，有重量损失，表

12、面有砂脱离，甚至有试件剥离下一部分砂浆薄层。掺加高效减水剂与矿物掺合料的砂浆，在做完抗拉试验后，可发现在新老砂浆粘结界面的边沿处，有部分分离，粘结强度已经消失。掺加聚合物后砂浆粘结界面能够完全与老砂浆基块结合，并且表面几乎无冻伤痕迹。表1中列出了在砂浆中加入聚合物对砂浆耐久性能的改善作用。从表中可以看出加入聚合物后砂浆耐久性提高，但并不是随聚合物掺量增加砂浆耐久性变好。当聚合物掺量为3%时，砂浆的耐久性最好。从微观方面分析聚合物在砂浆界面过渡区的聚集、凝结、形成紧密堆积的颗粒结构以及聚合物颗粒相互扩散渗透，形成具有一定力学强度的聚合物膜，这种膜具有较大的韧性和变形能力，具有承受一定变形的能力4

13、。此外,聚合物胶粉及其保护胶体的表面活性作用在砂浆中引入微气泡，改变了砂浆中孔的结构以及聚合物膜对砂浆中孔隙的填充作用使砂浆吸水率降低，从而减少进入孔隙中的水结冰时产生的膨胀应力，降低了界面粘结损伤。聚合物会使砂浆弹性模量降低，变形能力增大，新老砂浆基块出现相对变形时，界面产生的损伤应力较小。砂浆在（50±3）温箱中能够促进其中未水化的水泥的进一步水化，使界面粘结更加紧密。然而加入5%聚合物时，砂浆的耐久性反而有所降低。Ohama研究聚合物对砂浆在冻融循环作用下对其弹性模量的影响时也得出相同的结论5。因此，通过试验确定聚合物能够较好地改善砂浆耐久性能时的掺量是必要的。4 高性能砂浆的

14、优化配合比如果在加固工程中对砂浆抗冻性能要求较高，可通过改变聚合物掺量来得到。经试验选定具有较好抗冻性能的砂浆优化配合比为：C:FA:SF:UEA:S:W:Sup:P:F=0.75:0.10:0.05:0.10:2:0.24:0.003:0.03: 0.0015。此优化配比砂浆具有更好的保水性、抹面润滑性和触变性，适用于砂浆抹面施工。力学性能满足混凝土结构加固设计规范（GB50367-2006）的要求。5 结论（1）矿物掺合料与高效减水剂能够提高砂浆的耐久性，但砂浆的施工性能较差，并且耐久性仍有待提高；（2）聚合物在砂浆界面过渡区的聚集、凝结、紧密堆积和扩散形成具有一定力学强度的聚合物膜，同时聚合物降低了砂浆弹性模量增加其变形能力，这些因素都有利于砂浆粘结耐久性地提高；（3）经试验具有较好耐久性砂浆优化配合比为：C:FA:SF:UEA:S:W:Sup:P:F=0.75:0.10:0.05:0.10:2:0.24:0.003:0.03:0.0015，此高性能砂浆具有很好的综合性能，可应用于钢丝绳网片聚合物砂浆加固法中。参 考 文 献1 蒋隆敏，尙守平，黄政宇. 一种适用于钢丝（筋）网水泥加固RC结构的纤维复合砂浆和界面剂. 土木工程学报, 2005，38(5)：41472 唐国宝. 水泥浆体集料界面