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閱讀 6363 次 WSP水泥砂漿力學性能與微觀結構試驗研究

摘要：關于水溶性高分子（WSP)水泥砂漿的研究較少且研究環境不一致。本文在相同工作條件下，通過試驗研究了不同摻量的新一代水溶性高分子聚合物水泥砂漿與普通水泥砂漿、摻加聚羧酸高效減水劑的水泥砂漿的抗折強度、抗壓強度。結果表明, WSP增強水泥砂漿強度并降低了水泥用量；此外，存在一個WSP最佳摻量，在此摻量時，水泥砂漿的力學性能最好。SEM照片分析顯示，加入WSP后改變了砂漿的微觀結構形態, 在砂漿中形成了水化產物與WSP膜交織的空間網狀結構, 從而起到改性作用。...

WSP水泥砂漿力學性能與微觀結構試驗研究

張巖張浩博孫有聚劉禹

（西安理工大學西安 710048）

（杭州鼎膜結構工程有限公司浙江 311112）

1、引言

普通混凝土存在一些自身難于克服的缺陷，如它的抗拉強度較低，脆性大，凝結硬化比較緩慢，干縮量大等。因而，普通混凝土向高性能、多功能化發展是當今的必然趨勢。

我國現代化建設的高速發展對混凝土用量和質量提出了較高的要求。實際工程表明，在滿足建設質量、保證工藝簡單的同時，要厲行節約。聚合物改性混凝土能夠采用普通混凝土的拌合設備和成型設備，容易適應現有混凝土的生產工藝，因而對聚合物改性混凝土的研究已經成為當前混凝土發展的前沿領域。但是在大型的工程實踐推廣應用中，國內外聚合物混凝土除了聚合物纖維能夠廣泛應用于纖維增強混凝土以外，別的方面基本上還沒有取得較大的進展。因此，對聚合物混凝土的深入研究并能夠使其迅速在工程中得到最廣泛地的普及應用迫在眉睫。

新一代水溶性高分子聚合物WSP（Water Soluble Polymer）易溶于水，在混凝土中分布均勻，不存在攪拌結團、離析、易折斷等問題， WSP分子可以在混凝土內部生成三維網狀纖維物質，纖維的縫隙間形成空間骨架體系結構，從而起到增強增韌作用。此外，WSP不同于傳統的聚合物乳液，不僅具有高效減水劑的效果，而且形成的網狀纖維物質與水泥石具有“親附性”，使得混凝土力學性能在根本上進行改善。

本文對普通、摻加聚羧酸高效減水劑及摻加WSP的三種水泥砂漿進行了力學性能對比試驗研究，并對其微觀結構進行分析，為聚合物改性混凝土的研究提供定性認識。

2、試驗設計

2.1 試驗原料

1）水泥：秦嶺牌PO32.5R水泥，各項指標符合國標GB 175-1999。

2）砂子：產于西安灞河，細度模數為2.7的中砂，級配良好。

3）外加劑：陜西金石混凝土科技發展有限公司提供的聚羧酸高效減水劑,WSP水溶性高分子聚合物。

2.2 試驗方案

1）流動度試驗，測定減水率；

2）測出相同流動度（133mm±2）下，普通砂漿、摻加聚羧酸、摻加不同摻量WSP水泥砂漿各組成原料的最佳比例；及其3天、7天、28天的抗壓、抗折強度對比；

3）摻入WSP的砂漿其抗壓、抗折強度及壓折比同聚灰比的關系比較。

3、試驗結果及分析

3.1 試驗結果

普通、摻加聚羧酸以及WSP水泥砂漿各原料用量如表1所示。測定相同流動度條件下的各類砂漿的力學性能，分別如表2、表3所示。

表1 水灰比與流動度一定條件下各水泥砂漿用量比

砂漿類別	編號	摻量（%）	水泥：砂子：水	流動度（mm）	減水率（%）
普通	N1	0	1:2.6:0.5	133	0
摻加聚羧酸	J	1.5	1:3.2:0.5		18.85
摻加WSP	W1	2	1:3.0:0.5		13.46
	W2	4	1:3.2:0.5		20.00
	W3	6	1:3.3:0.5		22.11
	W4	8	1:3.6:0.5		27.30

表2 復合砂漿與同條件下普通水泥砂漿的抗折強度比較

砂漿類別	編號	抗折強度（MPa）			相對普通砂漿強度提高率（％）
砂漿類別	編號	3天	7天	28天	3天	7天	28天
普通	N1	4.05	4.82	6.52	0	0	0
摻加聚羧酸	J	3.42	4.65	6.34	-15.6	-3.5	-2.8
摻加WSP	W1	3.35	4.76	6.73	-17.3	-1.2	3.2
	W2	3.80	4.58	7.17	-6.2	-5.0	10.0
	W3	3.88	4.56	6.32	-4.2	-5.4	-3.1
	W4	3.78	4.56	5.74	-6.7	-5.4	-12.0

表3 復合砂漿與同條件下普通水泥砂漿的抗壓強度比較及壓折比

砂漿類別	編號	抗壓強度（MPa）			相對普通砂漿強度提高（％）			壓折比降低（％）
砂漿類別	編號	3天	7天	28天	3天	7天	28天	3天	7天	28天
普通	N1	15.3	24.3	41.7	0	0	0	0	0	0
摻加聚羧酸	J	12.5	21.5	34.6	-18.3	-11.5	-17.0	3.4	8.3	14.6
摻加WSP	W1	15.3	23.2	31.6	0	-4.5	-24.2	-20.9	3.4	26.7
	W2	15.1	21.8	32.5	-1.3	-10.3	-22.1	-5.0	5.6	29.2
	W3	14.8	20.0	28.7	-3.3	-17.7	-31.2	-0.8	13.5	28.3
	W4	13.6	19.2	26.3	-11.1	-21.0	-36.9	-4.8	16.5	28.4

注：表2、表3中強度負號表示與普通砂漿相比，強度降低，表3中壓折比負號表示壓折比提高。

3.2 結果分析

根據試驗結果，分別繪出圖1－圖4。

1）由圖1、圖2，在砂漿中摻入2%、4%、6%、8% (WSP與水泥的質量比即聚灰比)后的WSP抗折、抗壓強度在一定程度上有所提高，摻量為4%時強度最大，強度提高率隨齡期的增長有所下降。表明，WSP摻量存在最佳值，最佳摻量在4％左右。

2）由圖3，WSP水泥砂漿早期強度一般，28d齡期時，抗折強度較普通砂漿提高10％；聚羧酸砂漿抗折強度略低。由此可知，在相同流動度和水灰比條件下，摻入聚羧酸能夠大幅度減少水泥用量，但對提高水泥漿體的抗折強度作用不大；WSP在最佳摻量時，在大幅度減少水泥用量的同時能較大地提高水泥漿體的抗折強度。

3）水灰比相同，隨WSP摻量的增加，減水率增大。

4）隨著聚灰比的增大，壓折比也增大。由圖4，隨齡期的增長，普通砂漿的脆性增加，而隨著WSP摻量的增大，脆性逐漸減小。聚羧酸和WSP的摻入均可以降低壓折比，提高柔韌性。

5）WSP相比聚羧酸，減水率更高，和易性好，流動性持久，保水性良好，且強度不降低。

3.3 微觀結構分析

微觀結構通過SEM照片進行分析，普通、摻加聚羧酸及摻加WSP的水泥砂漿7天齡期的SEM照片分別如圖5、圖6、圖7所示。

水泥砂漿是一個多相多孔的體系，加入WSP后，其微觀結構，特別是孔結構發生了變化，由SEM照片可以觀察。由圖5，普通砂漿中有大量針狀的鈣礬石晶體和一些絮狀的水化硅酸鈣凝膠，未水化水泥仍以顆粒形式單獨存在，水化產物在其表面生長，存在較多孔隙且之間的連接稀少。由圖6顯示的聚羧酸水泥砂漿的水化結構中，一些絮狀物形成多而雜，它們之間有薄弱連接，但不規則。當摻入WSP，由圖7觀察到聚合物WSP的成膜情況，針狀的鈣礬石晶體之間被許多膜狀物粘結在一起，很多條形物聚集成為環形網狀結構，許多膜狀物越過孔隙，起到架橋和填充作用，孔隙體積變小，聚合物的相互交錯形成網狀結構。照片顯示，WSP在水化早期就開始逐漸形成大量的膜狀聚合物網絡和聚合物鍵橋，使得其后期的抗折強度以及韌性等有很大改善。

圖8與圖9對比發現，聚合物的摻入明顯改變了骨料－漿體界面過渡區的形貌。普通砂漿，骨料－漿體界面過渡區較松散；摻入WSP，聚合物的成膜反應不僅在水泥漿體中形成了聚合物鍵橋和膜狀聚合物網絡，而且聚合物的黏附特性使得骨料顆粒的表面包裹著一層呈集聚態的聚合物膜。此時，骨料與聚合物改性水泥漿體的界面連接已經不再是水泥水化產物與骨料凹陷區域的直接嚙合搭接，而是聚合物膜與包裹在骨料顆粒表面的聚合物以聚合物鍵橋的方式搭接。此外，聚合物成膜反應所形成的聚合物網絡結構以聚合物鍵橋和有孔聚合物膜相互交錯的形式分布在整個水泥漿體中，在應力作用時可以發揮緩沖效應，對荷載作用下漿體裂縫的產生與發展具有抑制作用，從而在根本上改善硬化水泥漿體的性能。

4、結論

1) WSP使水泥砂漿力學性能得到一種全新的改善，抗折強度提高10%以上，壓折比降低達25%，有效提高了水泥砂漿的柔韌性，并在更大程度上降低了水泥用量，具有較高的經濟效益。微觀結構分析表明，水泥砂漿摻入WSP后，形成空間網狀纖維結構，使得其微觀結構得到改善。

2) 通過試驗得出WSP的最佳摻量值，為WSP在實際施工的推廣應用提供了參考依據。

參考文獻：

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[7] 張巖.WSP聚合物混凝土力學性能試驗研究[D], 西安:西安理工大學,2008,3.

(本文來源：陜西省土木建筑學會文徑網絡：文徑楊葉編輯劉真審核)