結(jié)構(gòu)加固用高性能聚合物改性砂漿耐久性的研究

1、第39卷 增刊 建 筑 結(jié) 構(gòu) 2009年8月結(jié)構(gòu)加固用高性能聚合物改性砂漿耐久性能的研究葛序堯1，羅榮利1，閆 挺1，彭 勃2（1機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院，鄭州 450007 2湖南固特邦土木技術(shù)發(fā)展有限公司，長沙 410205）摘要 本文針對鋼絲繩網(wǎng)片聚合物砂漿外層加固法用聚合物改性砂漿，研究了聚合物在凍融和干濕循環(huán)下對高性能復(fù)合砂漿粘結(jié)強(qiáng)度能的影響，并提出了該聚合物在砂漿中的較優(yōu)摻量。關(guān)鍵詞 聚合物；砂漿；結(jié)構(gòu)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、凝土結(jié)構(gòu)加固、修補(bǔ)和改造是一項(xiàng)涉及廣泛、任務(wù)繁重的重要工作。鋼絲繩網(wǎng)片聚合物砂漿加法是一種新型加固工藝，具有耐火、耐腐蝕、耐老化、易施工等特點(diǎn)。其所用砂漿應(yīng)具有強(qiáng)度高、韌性好、延伸率大及抗裂性好等特點(diǎn)1。鋼絲繩網(wǎng)片聚合物砂漿面層能夠發(fā)揮其優(yōu)越性依賴于高性能復(fù)合砂漿對老混凝土較高的粘結(jié)強(qiáng)度。砂漿與混凝土界面的粘結(jié)強(qiáng)度受多種復(fù)雜因素的影響，本文研究了凍融和干濕循環(huán)對聚合物改性砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的影響，并提出了聚合物的較優(yōu)摻量。2 高性能復(fù)合砂漿組成和試驗(yàn)方法2.1組成根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范對高性能復(fù)合砂漿的技術(shù)要求，該砂漿應(yīng)由水泥、高效減水劑、礦物摻合料、纖維、聚合物等組成。水泥：綜合考慮材料應(yīng)用的

5、廣泛性和所配砂漿的高強(qiáng)度，選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥；礦物摻合料：為更好地改善新拌砂漿施工性能和硬化砂漿力學(xué)性能，在砂漿中摻加適量硅灰和粉煤灰；為提高砂漿抗裂性能和減小砂漿干縮，在砂漿中摻加適量UEA膨脹劑；砂：普通河砂，過2.5mm篩，細(xì)度模數(shù)Mx2.2；水：自來水；減水劑：本文選用與聚合物具有優(yōu)良適應(yīng)性的改性聚羧酸醚高效減水劑，粉劑，進(jìn)口產(chǎn) 作者簡介：葛序堯，碩士，工程師，Email：gexuyao2009品；有機(jī)纖維：為提高砂漿的抗裂性能和劈裂抗拉強(qiáng)度，在砂漿中摻加適量聚丙烯纖維，長度為9mm；聚合物：為使用方便聚合物選用干粉形式，進(jìn)口產(chǎn)品。2.2試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法：將粉末材料和纖維

6、加入攪拌鍋內(nèi)，慢速攪拌30s，使纖維分散均勻。再加水慢速攪拌5min，并調(diào)節(jié)砂漿流動(dòng)度在(170±5)mm范圍內(nèi)，并以此確定砂漿用水量。流動(dòng)度按水泥膠砂流動(dòng)度測定方法（GB/T2419-2005）的規(guī)定進(jìn)行。按規(guī)范GB50367-2006的規(guī)定進(jìn)行試件成型。養(yǎng)護(hù)制度：在溫度為（20±2），相對濕度90的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)2d，再在溫度為（20±2）的水中養(yǎng)護(hù)5d，然后在溫度為（20±2），相對濕度60的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)干養(yǎng)護(hù)21d。粘結(jié)耐久性試驗(yàn)的具體試驗(yàn)步驟按照聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程DL/T51262001的規(guī)定進(jìn)行。把養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期的試件放入（20±2

7、）的水中浸泡18h取出，放在（-20±3）的低溫箱中恒溫3h，再取出放入（50±3）的高溫箱中恒溫3h，24h為一個(gè)循環(huán)，共進(jìn)行10個(gè)循環(huán)。粘結(jié)耐久性系數(shù)PA=fAT/fBT，fAT未經(jīng)凍融循環(huán)試件的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度，fBT經(jīng)凍融循環(huán)試件的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度。3 高性能砂漿的試驗(yàn)研究3.1砂漿配合比及試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)大量試驗(yàn)確定高效減水劑、粉煤灰、硅灰、膨脹劑、杜拉纖維在砂漿中較優(yōu)摻量。研究中固定膠砂比為1:2，聚丙烯纖維摻量為膠凝材料總質(zhì)量的0.15。表1列出了不同聚合物摻量時(shí)，凍融干濕循環(huán)作用對砂漿粘結(jié)性能的影響，其中M0為對比砂漿。為避免老砂漿基塊在凍融循環(huán)過程中就破壞，本試驗(yàn)中老砂

8、漿基塊用湖南固特邦土木技術(shù)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的HPGA灌漿材料澆注而成，其強(qiáng)度高孔隙率低，老砂漿基塊抗壓強(qiáng)度為79.1MPa。由于基塊密實(shí)度高孔隙率很低，測定的砂漿粘結(jié)抗拉強(qiáng)度值會(huì)有一定程表1 砂漿配合比及耐久性系數(shù)編號(hào)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高效減水劑；P聚合物；FA粉煤灰；SF硅灰；UEA膨脹劑；W水；F纖維；B膠凝材料；其中mB=mC+mFA+mSF+mUEA。M0對比試件在凍融循環(huán)試驗(yàn)過程中3個(gè)試件界面破壞；M1在凍融循環(huán)試驗(yàn)過程中1個(gè)試件界面破壞。度地降低。3.2對比砂漿的性能對比砂漿M0為普通砂漿，其與老砂漿基塊粘結(jié)強(qiáng)度低僅有1.10Mpa。水泥在新老砂漿在界面的水泥沒能緊密

10、堆積，近集料表面水分較多，水泥較少，沒有足夠的凝膠來填充孔隙，界面過渡區(qū)具有比水泥漿體基體大得多的孔隙率2。界面過渡區(qū)孔隙率高，易形成較粗的連通通道，使得水分可以很容易地侵入砂漿，在凍融循環(huán)作用下，水分反復(fù)結(jié)冰形成的膨脹應(yīng)力使界面粘結(jié)強(qiáng)度受到損失。同時(shí)在粘結(jié)界面存在氫氧化鈣晶體，在凍融干濕循環(huán)過程中，在砂漿界面處水分反復(fù)溶解和析出氫氧化鈣晶體形成結(jié)晶壓力，或者氫氧化鈣溶入水中使孔隙率更大，使冰的膨脹應(yīng)力加大。這使界面粘結(jié)遭到較大損壞，甚至經(jīng)過幾個(gè)循環(huán)普通砂漿已失去了粘結(jié)強(qiáng)度。3.3礦物摻合料和高效減水劑對砂漿耐久性的改性效果表1中列出了礦物摻合料和高效減水劑對砂漿耐久性能的改性效果。從表1可以

11、看出，在達(dá)到相同流動(dòng)性的情況下，加入礦物摻合料和高效減水劑能大幅度提高砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度和耐久性能，經(jīng)過凍融循環(huán)的砂漿粘結(jié)強(qiáng)度是普通砂漿的4.0倍。礦物摻合料和高效減水劑改變水泥石結(jié)構(gòu)，減小毛細(xì)孔徑和孔隙率，減小砂漿收縮，提高水泥石強(qiáng)度和密實(shí)性3，提高了砂漿耐久性能。但礦物摻合料和高效減水劑使硬化砂漿的彈性模量大大提高，當(dāng)與老砂漿基塊發(fā)生相對變形時(shí)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，使界面發(fā)生破壞。雖然礦物摻合料和高效減水劑提高了砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度和耐久性，但新拌砂漿抹面施工性能和界面粘結(jié)強(qiáng)度長期性能較差。3.4 聚合物對砂漿耐久性的改性效果從宏觀來看，經(jīng)過凍融循環(huán)和干濕循環(huán)后的普通砂漿表面出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象，有重量損失，表

12、面有砂脫離，甚至有試件剝離下一部分砂漿薄層。摻加高效減水劑與礦物摻合料的砂漿，在做完抗拉試驗(yàn)后，可發(fā)現(xiàn)在新老砂漿粘結(jié)界面的邊沿處，有部分分離，粘結(jié)強(qiáng)度已經(jīng)消失。摻加聚合物后砂漿粘結(jié)界面能夠完全與老砂漿基塊結(jié)合，并且表面幾乎無凍傷痕跡。表1中列出了在砂漿中加入聚合物對砂漿耐久性能的改善作用。從表中可以看出加入聚合物后砂漿耐久性提高，但并不是隨聚合物摻量增加砂漿耐久性變好。當(dāng)聚合物摻量為3%時(shí)，砂漿的耐久性最好。從微觀方面分析聚合物在砂漿界面過渡區(qū)的聚集、凝結(jié)、形成緊密堆積的顆粒結(jié)構(gòu)以及聚合物顆粒相互擴(kuò)散滲透，形成具有一定力學(xué)強(qiáng)度的聚合物膜，這種膜具有較大的韌性和變形能力，具有承受一定變形的能力4

13、。此外,聚合物膠粉及其保護(hù)膠體的表面活性作用在砂漿中引入微氣泡，改變了砂漿中孔的結(jié)構(gòu)以及聚合物膜對砂漿中孔隙的填充作用使砂漿吸水率降低，從而減少進(jìn)入孔隙中的水結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，降低了界面粘結(jié)損傷。聚合物會(huì)使砂漿彈性模量降低，變形能力增大，新老砂漿基塊出現(xiàn)相對變形時(shí)，界面產(chǎn)生的損傷應(yīng)力較小。砂漿在（50±3）溫箱中能夠促進(jìn)其中未水化的水泥的進(jìn)一步水化，使界面粘結(jié)更加緊密。然而加入5%聚合物時(shí)，砂漿的耐久性反而有所降低。Ohama研究聚合物對砂漿在凍融循環(huán)作用下對其彈性模量的影響時(shí)也得出相同的結(jié)論5。因此，通過試驗(yàn)確定聚合物能夠較好地改善砂漿耐久性能時(shí)的摻量是必要的。4 高性能砂漿的

14、優(yōu)化配合比如果在加固工程中對砂漿抗凍性能要求較高，可通過改變聚合物摻量來得到。經(jīng)試驗(yàn)選定具有較好抗凍性能的砂漿優(yōu)化配合比為：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。此優(yōu)化配比砂漿具有更好的保水性、抹面潤滑性和觸變性，適用于砂漿抹面施工。力學(xué)性能滿足混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50367-2006）的要求。5 結(jié)論（1）礦物摻合料與高效減水劑能夠提高砂漿的耐久性，但砂漿的施工性能較差，并且耐久性仍有待提高；（2）聚合物在砂漿界面過渡區(qū)的聚集、凝結(jié)、緊密堆積和擴(kuò)散形成具有一定力學(xué)強(qiáng)度的聚合物膜，同時(shí)聚合物降低了砂漿彈性模量增加其變形能力，這些因素都有利于砂漿粘結(jié)耐久性地提高；（3）經(jīng)試驗(yàn)具有較好耐久性砂漿優(yōu)化配合比為：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，此高性能砂漿具有很好的綜合性能，可應(yīng)用于鋼絲繩網(wǎng)片聚合物砂漿加固法中。參 考 文 獻(xiàn)1 蔣隆敏，尙守平，黃政宇. 一種適用于鋼絲（筋）網(wǎng)水泥加固RC結(jié)構(gòu)的纖維復(fù)合砂漿和界面劑. 土木工程學(xué)報(bào), 2005，38(5)：41472 唐國寶. 水泥漿體集料界面