高性能聚合物水泥混凝土(砂漿)的研究
1 引言
民用及水工建筑物在建設和使用過程中經(jīng)常遇到混凝土質量問題，如蜂窩麻面、空洞、大面積損壞等，為恢復其使用功能，需進行修補。一般的修補方法是采用普通混凝土或砂漿作為修補材料，但普通混凝土粘結強度低，將其用于混凝土修補，容易造成界面粘結不牢、開裂而導致混凝土再度損壞等質量問題，近年來民用建筑已很少應用，僅用于水工建筑壩體的大體積混凝土修補。目前一般使用環(huán)氧樹脂混凝土或砂漿作為修補材料，也有采用特殊骨料拌制的混凝土作為修補材料，如巖灘水電站溢流壩面修補材料采用的就是鐵剛砂、石料拌制的抗壓強度高達100MPa的高強混凝土。這兩種混凝土修補材料均具有抗壓強度高的特點，環(huán)氧樹脂混凝土還具有粘接強度高的特點，但也存在材料成本高、不宜大量使用等缺點，而且在拌制環(huán)氧樹脂混凝土時需要使用大量對人體危害極大的有毒助劑；此外這兩種材料自身強度過高(環(huán)氧樹脂混凝土強度在60MPa以上)，與修補基面混凝土強度(一般約為30MPa)相差太大，在外界條件(如溫差、濕度)發(fā)生較大變化的情況下，尤其在北方寒冷干燥氣候，存在二者由于受力變形不一致而遭受破壞的隱患。因此，研制低成本、高性能、使用可靠方便的混凝土修補材料，已成為科研人員亟需攻克的難題。
2 新型修補材料的配方特點
為解決上述難題，我們通過廣泛地收資及研究，參考了國內外眾多的配方，經(jīng)過試驗篩取、組合，得出一種新型的高性能混凝土及砂漿配合比。該種材料由普通砂石料、525＃優(yōu)質水泥、高分子聚合物、水泥塑化劑、增強劑、調凝劑、改性劑、膨脹劑、優(yōu)質活性混合材等組成，各原材料的性能特點分述如下：
(1)優(yōu)質水泥采用鐵鋁酸鹽525＃水泥，該種水泥具有快凝快硬，水化時能快速產(chǎn)生大量的鐵凝膠體的特點，因而混凝土收縮小、表面堅硬、早期強度高，抗腐蝕、抗沖刷性能優(yōu)良。鐵鋁酸鹽水泥與柳州普通水泥各項物理性能指標比較見表1。
(2)高分子聚合物采用可溶性高粘型聚合物粉料，粘度高達10000Pa。s，該劑有極好的保水粘聚性，以適當摻量加入混凝土中可成倍提高混凝土的粘結強度。
(3)助劑：選入的助劑有塑化劑、增強劑、調凝劑、改性劑等，其中塑化劑可調整混凝土拌合物的粘度，使其有較好的施工性能；增強劑可與混凝土內部的高聚物形成網(wǎng)絡狀結構，提高混凝土的韌性及強度；調凝劑則可任意調整混凝土凝結時間；改性劑可改變混凝土內部水化產(chǎn)物Ca(OH)2的結晶度，使其以小分子形態(tài)出現(xiàn)，從而提高混凝土的密實度和強度。
(4)優(yōu)質活性混合材：由硅灰、沸石粉、優(yōu)質粉煤灰和膨脹劑以合適的比例混合而成，將其加入混凝土中可大大提高混凝土的密實度、強度及抗收縮性能。
表1 水泥物理性能指標
| 名稱 | 稠度 | 安定性 | 凝結時間 h∶min | 抗折強度 MPa | 抗壓強度 MPa | |||||
| 初凝 | 終凝 | 1d | 3d | 28d | 1d | 3d | 28d | |||
| 525＃柳州普通水泥 | 25.2 | 合格 | 2∶25 | 3∶05 | ／ | 5.9 | 8.8 | ／ | 28.9 | 55.6 |
| 525＃鐵鋁酸鹽水泥 | 25.6 | 合格 | 0∶55 | 1∶25 | 7.1 | 9.5 | 9.6 | 43.8 | 54.3 | 65.1 |
| 3 新型修補材料的作用機理
一般來說，混凝土修補材料應具有如下基本性能：對老混凝土基面有足夠高的粘結強度、較高的抗裂性和抗?jié)B能力、優(yōu)良的耐久及抗凍融性能。新型修補材料的成份以普通砂石、水泥為主，輔以少量有機高分子聚合物及助劑，通過大大改善混凝土的施工性能來保證混凝土具有正常的使用功能。當進行混凝土拌制時，聚合物分子與水泥顆粒間僅發(fā)生化學吸附作用，聚合物分子吸水而增稠提高材料的吸附粘結力，同時各種助劑的存在又使混凝土漿體具有較好的施工性能，如流動性和保水性等。在水泥凝結硬化過程中，水泥從聚合物中不斷吸收水分而充分水化，同時聚合物粒子由于脫水而逐漸聚集，并在混凝土內部空間形成網(wǎng)絡狀骨架，加上活性混合材及塑化劑引入的封閉型微小氣泡，有效封堵了混凝土內部的毛細管道，從而形成具有較高強度和密實度的帶韌性的高性能混凝土。 4 新型修補材料的應用 4.1 一般建筑物混凝土修補 一般建筑物少量混凝土修補可使用高性能砂漿，砂漿配合比見表2。不需澆水潤濕混凝土基面，砂漿可直接用于干凈的光滑混凝土或破損混凝土基面，并能夠和基層牢固粘結為一體，表面形成的一層致密堅固的砂漿層能夠隔斷水分的透過，有效的保護破損混凝土面。 4.2 大體積混凝土修補 大體積混凝土破損一般發(fā)生在水工建筑物過水部分，如溢流壩、泄洪道等。過水部分混凝土由于長期受水流、泥砂沖刷及氣蝕作用，普通混凝土在此條件下極易被破壞。因此，要求修補材料具有粘結牢固、密實抗裂、耐沖刷等性能，針對這一特性組成修補材料配方，見表3。試驗數(shù)據(jù)表明：新型修補材料粘結強度高、與基層混凝土變形協(xié)調能力好、抗凍融抗沖刷性能優(yōu)良，且價格便宜，是目前較好的一種高性能混凝土修補材料。 4.3 用于建筑物飾面板粘貼 一般建筑物均進行外裝飾，如貼瓷磚、大理石、花崗巖等，使用高性能砂漿作為膠粘劑，可以從根本上消除按傳統(tǒng)普通水泥粘貼造成的工藝復雜，易變形脫落、污染飾面等弊病，并有效地解決墻體滲漏水的難題。 表2 新型砂漿配合比表 |
| 種類 | 砂漿配合比例 | 稠度 | 28d 抗?jié)B 強度 (MPa) | 28d 壓剪 強度 (MPa) | 28d 垂直 拉伸 強度 (MPa) | 28d25 次凍 融循 環(huán)強 度損 失率 (%) | 抗壓強度 (MPa) | 單價 (元／m3) | ||||||
| 水 | 水泥 | 砂 | 摻合料 | 聚合物 | 助劑 | 3d | 28d | |||||||
| 新型砂漿 | ||||||||||||||
| 普通砂漿 | 1 | 1.5 | 5.2 | ／ | ／ | ／ | 80 | 1.0 | 1.2 | 0.3 | 10 | ／ | 35.0 | 180 |
| 環(huán)氧樹脂砂漿 | ／ | 1～2 | 0～4 | ／ | 環(huán)氧樹 指1 | 0.7 | ／1 | 2.0～ 5.0 | 6.0～ 10 | 2.0～ 5.0 | 0 | ／ | 60～ 80 | 10000～ 20000 |
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表3 新型混凝土修補材料配方 |
| 種類 | 混凝土配合比(kg/m3) | 坍 落 度 (mm) | 28d 抗?jié)B 強度 (MPa) | 28d 壓剪 強度 (MPa) | 28d25 次凍 融循 環(huán)強 度損 失率 (%) | 28d 靜壓 彈性 模量 (×104 MPa) | 抗壓強度 (MPa) | 單價 (元／m3) | |||||||
| 水 | 水泥 | 人工砂 | 碎石 | 摻合料 | 聚合物 | 助劑 | 28d | 90d | |||||||
| 新型修補 混凝土 | 175 | 450 | 630 | 1132 | 16 | 4.5 | 12.9 | 100 | 1.8 | 3.0 | 0 | 2.6 | 40.5 | 46.6 | 320 |
| 普通 混凝土 | 160 | 400 | 683 | 1143 | 63 | ／ | ／ | 80 | 1.1 | 1.0 | 10 | 3.5 | 32.8 | 42.5 | 240 |
| 5 結語
新型修補材料根據(jù)混凝土修補的特點進行配方設計，選用耐腐蝕、耐磨損、高早強水泥及水溶性高分子聚合物組分，形成無機膠凝材料與有機高分子聚合物材料的完美結合，并使修補過的混凝土具有比原來更優(yōu)異的性能。高性能修補混凝土成本不高，甚至可以代替普通混凝土而直接在工程中使用，使建筑物具有更優(yōu)異的性能。事實上，國外發(fā)達國家已經(jīng)在建筑上使用高性能混凝土或砂漿。
參考文獻 1 成希弼，吳兆琦.特種水泥的生產(chǎn)及應用.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994. |
摘自：中國混凝土網(wǎng)
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