（材料学专业论文）聚合物改性修补砂浆制备及收缩控制研究.pdf

指导教师姓名至壁盟一职称塾整茎l 学位j 堑l 单位名称挝狴盘堂皇三堡堂瞳邮编 垒三q q z q 副指导教师姓名 单位名称 申请学位级别 职称学位 邮编 硕学科专业名称盐盘堂 论文提交日期! ! ! ! 生! 旦论文答辩日期 21 11 生旦 学位授予单位盍墨堡三态堂学位授予日期 答辩委员会主席垒垒蠡丛 评阅人丕垒墨 2 0 10 年5 月 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学 可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或 收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：。教陟导师c 日期加，多j 口 摘要 随着我国经济大发展新建的各种大型建筑设施，在步入2 l 世纪之后也面临 着大规模维修和加固。因此适用于各种施工条件、使用环境，具有良好相容 性、耐久性的高性能修补材料的研究迫在眉睫。本文研制了一种高性能聚合物 改性修补砂浆，并重点研究了改性修补砂浆的干燥收缩控制，提高了其与基材 的相容性。主要结果如下： ( 1 ) 通过正交试验设计制备了不同强度等级的改性修补砂浆。研究结果表 明，水胶比、乳胶粉对强度影响程度大于胶砂比与粉煤灰掺量。粉煤灰掺量增 加，在形态效应、微集料效应下，强度提高。乳胶粉的加入会延缓水泥水化， 对改性修补砂浆抗压、抗折强度表现为抑制作用。但其成膜效应产生的连接锚 固作用，又可以改善改性修补砂浆粘结强度，且在o 8 掺量时修补砂浆粘结强 度最大。同时，乳胶粉成膜会封闭改性修补砂浆内部部分毛细孔隙，阻碍了水 分散失，因此对改性修补砂浆干缩性能也有提高。 ( 2 ) 偏高岭土单掺、或复掺对改性修补砂浆力学强度、干缩性能，尤其对早 期( 7 d ) 力学强度、干缩性能具有极明显的改善效果。如对7 d 抗压强度提升率 达到8 0 。另外，不掺偏高岭土的改性修补砂浆整体表现为收缩状态。偏高岭 土复合添加剂m s 的加入使改性修补砂浆早期呈现出了一定的微膨胀，保证修 补砂浆可与基材之间充分粘结，促进界面过渡区强度的发展。 ( 3 ) 耐久性试验结合压汞分析表明，偏高岭土基复合添加剂m s 加入降低了 修补砂浆孔隙率、优化了孔分布，特别是大幅降低了对干缩性能有害的小孔， 促使修补砂浆干缩降低。同时，孔结构的改善也相应提升了修补砂浆作为多孔 材料体系具有的力学强度与耐久性能。 关键词：聚合物改性修补砂浆，力学性能，粘结强度，收缩性能，孔结构。 a b s t r a c t t h e21s tc e n t u r yi st h ep a t c h i n gc e n t u r y , i t sn o ta l a r m i s m w i t ht h e g r e a t d e v e l o p m e n to fo u re c o n o m i c a 1 1k i n d so fa r c h i t e c t u r ed e s i g nn e e ds e r v i c i n ga n d r e f o r c e m e n ta f t e rs t e p p i n gi n t ot h e21s tc e n t u r y s ot h er e s e a r c ho fh i g h p e r f o r m a n c e r e p a i rm o r t a rh a sr e a c h e di t ss t a t e t h er e p a i rm o r t a rs h o u l da p p l yt ov a r i e d c o n s t r u c t i o na n du s i n gs i t u a t i o n ，p o s s e s sg o o dc o m p a t i b i l i t y t h i sp a p e rp r e p a r e sa k i n do fh i g h p e r f o r m a n c er e p a i rm o r t a r , a n ds t u d yo fi t ss h r i n k a g ew a s e x p l o r e d t h e m a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h i sp a p e rp r e p a r e sr e p a i rm o r t a rw i t hd i f f e r e n ti n t e n s i t yg r a d eb yt h e m e t h o do f o r t h o g o n a ld e s i g n t h er e s u l ts h o w st h a tt h ee f f e c td e g r e eo fw a t e r - b i n d e r r a t i o ( w b ) a n dp o l y m e rp o w d e rc o n t e n ti ss e v e r e rt h a nb i n d e r - s a n dr a t i oa n df l ya s h c o n t e n tt oi n t e n s i t y b e c a u s eo fc o n f i g u r a t i o n ，m i c r oa g g r e g a t e se f f e c t ，f l ya s hi sa f a v o r a b l ef a c t o r p o l y m e rp o w d e rr e t a r d sc e m e n th y d r a t i o n ，d e b a s e si n t e n s i t y b u ti t s a b l et oi m p r o v eb o n ds t r e n g t ha n ds h r i n k a g eo w i n gt oi t sf i l m f o r m i n gi nr e p a i r m o r t a r ( 2 ) m e t a k a o l i nc a ni m p r o v em o d i f i e dr e p a i rm o r t a r si n t e n s i t ya n ds h r i n k a g e p r o p e r t y , s l i g h t l ya t7d a y sc u r i n ga g e ，e g t h ea s c e n d i n gr a t eo f7d a y si n t e n s i t y r e a c h e s8 0 m o d i f i e dr e p a i rm o r t a rw i t h o u tm e t a k a o l i n p r e s e n t s c o n t r a c t i o n m o r p h o l o g y w h i l et h ea d d i t i o no fm e t a k a o l i nb a s i cc o m p l e xa d d i t i v e s ( m s ) ， m o d i f i e dr e p a i rm o r t a r p r e s e n t sac e r t a i nl e v e lo fm i c r o d i l a t a n c y t h i si m p a c te n s u r e s b o n ds t r e n g t hb e t w e e nr e p a i rm o r t a ra n db a s em a t e r i a l ，w h i c hp r o m o t t i n gt h e d e v e l o p m e n to fi n t e r f a c et r a n s i t i o nz o n e ( 3 ) t h er e s u l t so fd u r a b i l i t ya n dm e r c u r yi n t r u s i o nm e t h o ds h o wt h a tm si sa b l e t od e c r e a s ep o r o s i t ya n do p t i m i z ep o r e d i s t r i b u t i o n ，e s p e c i a l l y l e s s e nm i c r o p o r e w h i c hi sh a r m f u lt o s h r i n k a g ep e r f o r m a n c e 。a l s o ，t h ei m p r o v e m e n to fp o r e d i s t r i b u t i o np r o m o t e sm o d i f i e dr e p a i rm o r t a r sm e c h a n i c a lp r o p e r t ya n d d u r a b i l i t y k e y w o r d s ：p o l y m e rm o d i f i e dr e p a i rm o r t a r , m e c h a n i c a lp r o p e r t y , b o n ds t r e n g t h ， s h r i n k a g ep e r f o r m a n c e , p o r ed i s t r i b u t i o n i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 研究背景：1 1 2 修补材料国内外研究现状2 1 3 修补材料发展趋势3 1 4 本课题的提出5 1 4 1 以往修补材料的不足5 1 4 2 本课题的目的和意义5 1 5 本课题主要研究内容及创新点6 第二章试验材料与试验方法7 2 1 试验原材料7 2 2 试验方案7 第三章聚合物改性修补砂浆的制备9 3 1 试验配比正交设计及试验过程9 3 2 试验结果与分析1 0 3 2 1 各因素对修补砂浆抗压强度的影响研究1 2 3 2 2 各因素对修补砂浆抗折强度的影响研究1 9 3 2 3 各因素对修补砂浆粘结强度的影响研究2 6 3 3 本章小结2 9 第四章聚合物改性修补砂浆的收缩控制3 0 4 1 水泥基材料尺寸稳定性原理3 0 4 2 改善水泥基材料尺寸稳定性措旌3 3 4 3 偏高岭土改善水泥基材料体积稳定性机理3 4 4 4 偏高岭土对聚合物改性修补砂浆收缩性能的影响3 6 4 4 1 不掺偏高岭土聚合物改性修补砂浆的收缩性能研究3 6 4 4 2 偏高岭土对修补砂浆力学、收缩性能的影响研究。3 8 4 4 3m s 对修补砂浆收缩性能的影响研究4 3 4 5 修补砂浆化学组分与其收缩性能对应关系研究4 5 4 5 1 钙矾石生成问题4 5 i i i 4 5 2 化学组分与收缩性能对应关系4 6 4 6 聚合物修补砂浆的综合性能4 9 4 7 本章小结4 9 第五章聚合物改性修补砂浆耐久性研究与微观分析5 l 5 1 聚合物改性修补砂浆电通量性能研究5 1 5 2 聚合物改性修补砂浆抗冻融性能研究5 2 5 3 微观分析5 4 5 4 本章小结5 6 第六章结论与展望5 7 6 1 结论5 7 6 2 展望5 8 参考文献- 5 9 致谢6 3 附录6 4 i v 武汉理t 大学硕t 学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 当今世界由于各种原因所引起的建筑结构功能失效不仅影响了人们的正常 生活而且造成了巨大的经济损失。资料显示【l 】，发达国家每年建设总投资的 4 0 以上用于建筑的维修和加固，只有不足6 0 用于新建筑的建设。混凝土与 其他材料相比具有诸多优点，到目前为止水泥混凝土和钢筋混凝土仍然是世界 上使用最多和最广泛的建筑材料。因此伴随着自然环境、灾难破坏、人为因素 的作用引起的混凝土和钢筋混凝土材料的诸多病害，成为了各国建筑修理领域 需要解决的首要难题，并且相关修理费用也成为了主要修理费用支出。调查表 明 2 】，从上世纪8 0 年代至今，德国消耗在现有建筑修补与维护项目上的费用就 接近总建筑费费用的1 9 。另据美国国家大坝安全官员联合会2 0 0 6 年发表的 一份报告估计，“全美8 万5 0 0 0 个水坝中，有4 4 0 0 多个面临损毁风险。可 是，维修这些水坝的费用约5 0 0 多亿计，处于金融危机大环境中的美国政府看 来无力承担，所以维修费由谁出资令人关注”【3 j 。在道桥方面，混凝土和钢筋 混凝土材料维护和修理这一现象更是明显。我国截止2 0 0 3 年底，己建成各级水 泥混凝土路面约1 9 万k m ，且每年在建水泥混凝土路面约2 5 万k m t 4 。据不完 全统计，现有的水泥混凝土路面将有2 0 3 0 左右都面临着修补和改善。而在 美国，也有近4 0 的桥梁已严重损坏，急需修理、加副5 1 。因此，在2 1 世纪世 界基础设施项目面临着大规模重建和翻新，且重建和翻新的幅度将超过最初建 设的幅度。故现今建筑领域所面临的首要问题己不再是大规模建设，而是采用 科学、有效的手段，对现有建筑进行维护、修复，使其能继续发挥使用功能。 建筑的受损与其设计、实际用材、施工技术、施工质量、竣工后使用情况 以及其所处外部环境之间都存在密切的关系。它是一个量变到质变的过程。但 不管是材料体系内部所形成的环境还是外部环境的作用，材料的性能对受损都 起着关键作用。普通混凝土设计使用年限仅5 0 年，而许多建筑在4 0 年甚至3 0 年内就出现了不同情况的受损，这主要是由于混凝土设计初期对其耐久性考虑 不足，即便高性能混凝土也是如此。可见，在引起建筑受损的众多因素中，耐 武汉理工人学硕j ：学位论文 久性是主要因素，其对修补材料的选择以及修复的成功与否起着决定性的作 用。合格的修补材料，至少应该具备如图1 1 所示的基本性能。 r - 适宜的凝结性能 修，工作性能 较好的和易性，利于施工 补 il 不低于基材的抗压、抗折、抗拉强度 材 i 料 jr 与基材有足够的粘结抗折强度和粘结抗剪强度 的弋力学性能 2 8 d 龄期弹性模量与基材接近 性 ll 不低于基材的抗渗性 能 i 耐久性能厂不因过大的收缩而引起粘结脱落、开裂 l 足够的耐磨性 图1 1 修补材料的性能 我国正处于经济大发展时期，各种促进社会繁荣、经济发展、民生提高的 基础设施也在大规模建设中。随着我国经济工业化转变完成，这些建筑也势必 老化，需要进行大量翻新与修补。因此，具备各种施工特性、适用各类施工环 境、对混凝土结构达到耐久性修补的高性能修补材料的研究已迫在眉睫。 1 2 修补材料国内外研究现状 国内对混凝土修补的研究尚处于起步阶段，国家标准不完善，行业发展相 对混乱。甚至是一些实际大型基础设施的修复也处于试验摸索阶段，对修补材 料的性能与选择缺乏一定的标准。 相比而言，国外对混凝土结构修补的研究起步较早。1 9 9 0 年，美国战略发 展委员会应混凝土修补和保护工业的要求，为支持混凝土行业的战略需要，促 成了v i s i o n 2 0 2 0 6 1 。v i s i o n 2 0 2 0 的主要使命是通过促进可持续的国家级“眼保 健”项目的计划、发展、实施，在2 0 2 0 年以前消除可避免“视盲 的主要成 因，其中基础设施建设是v i s i o n 2 0 2 0 三大核心战略之一，并为改善混凝土修补 和保护的工作效率、安全性和质量而确立一个目标。 2 武汉理工人学硕上学位论文 从当前国内外的研究情况看，为了解决同益复杂的原因引起的各类混凝土 工程病害，修补材料性能也必须不断完善。现阶段，国内外已经研制成功并投 入市场的修补材料越来越多，归纳起来主要有：无机类、有机类、有机改性 类、纤维增强类等。 无机类修补材料主要包括普通硅酸盐水泥修补砂浆、特种水泥修补砂浆、 以及硅灰早期修补材料【7 由】。无机类修补材料与混凝土工程因为化学成分相近， 有较好的性能相容性，但修补材料与基材之间的界面过渡区薄弱，易发生修补 材料脱落，导致修补失效。 有机类和有机改性类修补材料主要包括聚合物砂浆 1o 和聚合物改性砂浆【l 卜 1 2 】两大类。其中聚合物砂浆是指用聚合物全部代替拌合水，成本较高。而聚合 物改性砂浆是用聚合物部分替代拌合水，效果优良且成本较低。 纤维增强类修补材料1 1 3 - 1 4 j ：因为纤维具有较好的韧性和较高的抗拉强度， 可以改善无机材料自身的脆性及弹性模量来增强混凝土结构在动力反应中的耗 能性、耐疲劳性等。已成为了这一行业的一种主流修补材料。 1 3 修补材料发展趋势 修补材料的发展经历了从单一、无机组分到多组分、有机无机复配；从单 一强调修补材料的高强度、高耐久性到注重修补材料与待修复基材性能相容性 的过程。修补材料与待修复基材相容性的提出表明，如果不注重材料性能之间 相容性，而盲目采用一些性能指标高的修补材料极可能引起修补材料在未充分 发挥其优良性能前就因为与基材性能不相容而发生脱粘，导致修补失效。因 此，修补材料与基材的相容性越来越得到人们的重视，已超过修补砂浆力学性 能，成为决定修补材料优劣的关键因素。 材料的相容性是指修补材料和基材之间相互作用而有的共同性能，它确保 了修补系统暴露于特定的环境中，在超过设计的服役寿命时仍可以抵抗作用应 力保持结构的完整性和受保护性。相容性具体表现在修补材料和基材的尺寸稳 定性、化学性、电化学性和离子迁移性等。具体情况可见图1 2 所示。 3 武汉理工人学硕士学位论文 相容材料的选择 混凝土修补材料的性能 耐久性材料生产 化学相容性电化学相容离子渗透性相容尺寸相容性 上 千缩热膨胀蠕变弹性模量几何尺寸 图1 2 修补材料的性能相容性 由图1 2 可见，在修补过程中修补材料和基材之间的尺寸相容性是整体相 容性最关键的因素之一。它包含着由收缩、热膨胀、蠕变、弹性模量、及几何 尺寸等重要因素所引起体积变化。l b r i l l e i s l 等强调了修补材料的低收缩性，且 修补材料的抗拉强度必须高于基材。对于弹性模量，学者之间的认识存在着一 定的分歧：多数人认为修补材料的弹性模量小于基材比较好，这样修补材料利 用自身弹性模量小、变形大的特点可以耗散部分修补过程中的变形与能量。但 k e h a s s a n 【泊】则认为修补材料的弹性模量应比待修补基材大3 0 较好，因为低 弹模的修补材料变形大，它会将其荷载通过过渡区传递给待修补基材，从而导 致了负荷集中于薄弱的过渡区引起修补失效。此外，修补过程中还涉及到修补 材料与基材之间的电相容性，如在配筋路面，修补材料须与基材具备相似的孔 隙率和电阻率，如果两者之间的孔隙率与电阻率相差过大，会导致修补区域和 基材的溶液电位差增加，在特定域导致钢筋锈蚀加剧，修补失效。另外，由于 修补材料与基材之间不同的湿度、c 1 。浓度及氧气浓度，可能造成电势差引起基 材中的c l 离子渗透性变化，导致腐蚀加速。 对修补材料而言，它不仅需要抵抗自身应力、环境、载荷作用，同时还要 保护修补基材，延缓或阻止修补基材进一步受损。修补材料与基材最终必须是 一个统一体而不是两个相互独立的元素，形成了具有良好性能的整体，才能达 到最佳修补状态。如果在修补过程中只是单一注重修补材料本身的高强度、高 性能，忽略两者之问的相容性，则很可能出现两者因变形不一致发生修补材料 4 武汉理工人学硕j 二学位论文 脱落，或者电化学性能的不相容而引起的钢筋加速锈蚀等现象，最终导致修补 失效。因此修补材料与基材必须具有良好的性能相容性，才能达到最佳修补状 态，这也是现今修补材料的发展趋势。 1 4 本课题的提出 1 4 1 以往修补材料的不足 如前所述，修补材料与基材性能的相容性的重要性已毋庸置疑。因此，修 补材料在保证自身性能的前提下，越来越重视与基材性能的相容性。国内外学 者就相容性问题已经展开了丰富的研究，但由于研究时间较短，现阶段修补材 料仍存在着一些不足之处。 ( 1 ) 以往常用普通混凝土或砂浆作为修补材料，均属无机类，粘结强度 低、界面过渡区薄弱，易出现因界面粘结不牢开裂所导致的混凝土再度损坏等 质量问题。近年来民用建筑中已很少使用，一般仅用于水工坝体的大体积混凝 土修补。 ( 2 ) 针对粘结强度低的问题，目前出现了越来越多以有机类胶凝材料为 主的修补材料。虽然聚合物的加入可以显著提高修补材料与基材之间的粘结强 度，但由于有机材料与无机基材之间的化学组分、结构之间的差异，导致两者 之间存在着较大相容性差异。 ( 3 ) 有机聚合物物对于聚合物改性砂浆中砂浆一基层界面区、砂浆一集料 界面区和砂浆内部孔隙的改变，导致改性后修补砂浆的粘结强度、抗拉强度、 弹性、柔性和封闭性均有所提高。但聚合物对于水泥水化的影响，导致聚合物 改性修补砂浆早期水化程度低，存在砂浆早期强度低的特点。 1 4 2 本课题的目的和意义 我国经济大发展之后的建筑行业的主要任务已经由“大兴土木阶段”逐步 转入了“维修加固阶段”，建筑的鉴定、维修和加固改造技术已成为了现代建 筑技术中极其重要、也是最富活力的新兴技术分支。对于建筑行业中使用最广 泛的混凝土和钢筋混凝土结构而言，相应的高性能修补材料的研究也就显得尤 为急迫和重要。 5 武汉理工人学硕l 学位论文 针对现阶段修补材料中存在的不足，本课题结合无机、有机类修补材料的 特点，以无机成为为主，辅之以少量有机物进行改性，同时利用适当的矿物掺 合料优化修补材料部分特性，制备出性能优良、与基材相容性好的修补材料。 该修补材料在保证优良力学性能的前提下，又兼备了有机物粘结性好、提升耐 久性等优点，使二者达到性能互补，对于促进我国修补材料研究，推动混凝土 修补行业长远发展及实现可持续发展具有十分重要的战略意义。 1 5 本课题主要研究内容及创新点 高水泥含量的拌合物工作性能和力学性能均比较好，但造价较高、发热 大、收缩大，对混凝土和钢筋混凝土结构存在安全隐患。本文通过用矿物掺合 料部分取代水泥的方法，降低了水泥用量，减少了拌合物发热量及收缩值。这 不仅降低了传统修补材料造价高的缺点，更重要的是充分利用了工业废渣，变 废为宝，保护环境。另外，针对单一无机修补材料存在的粘结强度差的缺点， 本文通过掺入适当的可再分散胶粉，利用有机物粘结性高的特点，增加修补砂 浆与基材过渡区的粘结强度。最后，针对最常见的修补材料干缩脱落造成的修 补失效现象，本文以修补材料收缩性能为研究切入点，通过加入偏高岭土基添 加剂，调整修补材料的收缩性能，使其与基材之间始终存在着良好的相容性， 满足修补要求，解决修补材料与基材相容性难题。 主要研究内容包括： ( 1 ) 通过基础试验、正交试验设计分析各因素对改性修补砂浆力学性 能。并通过分析确定不同强度等级改性修补砂浆配比。 ( 2 ) 改性修补砂浆收缩控制。在制备出不同强度等级改性修补砂浆之 后，通过加入偏高岭土基复合添加剂m s ，控制其收缩，优化其与基材之间的 相容性。 ( 3 ) 改性修补砂浆耐久性研究与微观分析。对( 2 ) 中强度、相容性优良 改性修补砂浆进行耐久性研究。同时进行相关微观测试，分析其内部结构对性 能影响机理。 创新点： 针对现阶段聚合物改性修补砂浆存在的问题，在不掺早强剂和膨胀剂的基 础上，掺入新型偏高岭土基复合添加剂m s ，解决聚合物砂浆存在的收缩较 大、与基材相容性差的缺陷。 6 武汉理工大学硕 ：学位论文 第二章试验材料与试验方法 2 1 试验原材料 1 水泥 水泥为p o4 2 5 普通硅酸盐水泥，其化学性能和物理性能见表2 1 和2 2 。 表2 1 水泥化学成分表 2 石英砂：武汉市售石英砂，粒径2 0 0 目。 3 粉煤灰：i i 级、干灰。 4 减水剂：高效减水剂，粉剂，奈系。 5 乳胶粉：市售 6 偏高岭土：自制，其中活性- a 1 2 0 3 含量为3 8 1 。 7 偏高岭土基复合添加剂m s 自制 8 拌合水：自来水 2 2 试验方案 1 胶砂抗折、抗压强度试验 根据g b t1 7 6 1 1 9 9 9 水泥胶砂强度检验方法标准进行。 2 粘结抗折强度试验 7 武汉理t 大学硕士学位论文 现阶段，关于修补砂浆与基材新老界面粘结抗剪强度测试方法没有现行统 一标准。本文根据相关文献资料 1 提供的方法进行修补砂浆此项性能测试，如 下图2 1 所示。 基材 界面区 砂浆 图2 1 修补砂浆与基材粘结抗折强度测试方法 3 收缩性能试样 根据j c f 6 0 3 2 0 0 4 水泥胶砂干缩试样方法，所有测试改性修补砂浆在3 联 2 5 m m 2 5 m m 2 8 0 m m 的模具中成型为2 5 m m 2 5 m m 2 5 0 m m 的试件，拆模后置 于2 0 水箱中养护2 d 后测试其标长厶。然后再置于( 2 0 3 ) 、相对湿度 ( 5 0 4 ) 环境中养护至7 d 、1 4 d 、2 1 d 、2 8 d ( 从成型时算起) 时分别取出测 量其长度厶，按照如下公式计算试件在不同龄期干缩率s 。( ) 。 s = 学x l0 0 4 孔结构测试 本文改性修补砂浆孔隙率和孔分布采用压汞法极性测试。用水银压入法测 定孔结构的基本原理，是假定水泥对固体表面是不润湿的，当把水银用一定压 力压入毛细管时必须克服毛细管阻力。根据试验资料显示，可得压力p ( m p a ) 与孔半径r ( i u n ) 的关系为： 7 5 0 ，、 r 2 1 i - m ) 这罩所指的孔半径r 是根据测定的p 值按上式计算出来的。这样由不同的 p 值，可以得到不同的v ( 半径大于r 的所有孔隙的容积) 与r 值。所得v = f ( r ) 曲线图，乃是各种孔径分布的积分曲线，通常，对半径r 采用对数标度，故其 函数关系为v = f l ( 1 伊) 。用微分法处理这一函数关系，即得孔径分布的微分曲线 d v = f 2 ( d l 粤- ) 。 8 武汉理工人学硕上学位论文 第三章聚合物改性修补砂浆的制备 本章将系统的研究各组分对修补砂浆力学性能的影响，并制备性能优异。的 聚合物改性修补砂浆。考虑到聚合物改性修补砂浆配方复杂、影响因素较多， 所以本章对于聚合物改性修补砂浆力学性能的研究采用了正交试验设计。正交 试验设计是研究多因素多水平的一种科学方法，它是根据正交性从全面试验中 挑选出部分有代表性的点进行试验，具有高效率、快速、经济的特点。通过对 正交试验数据分析，直观的反映了各因素对聚合物改性修补砂浆各项力学性能 的影响程度。并以此为依据设计出具有良好力学性能的聚合物改性修补砂浆， 为其收缩控制打下基础。 3 1 试验配比正交设计及试验过程 本章选取胶砂比、水胶比、乳胶粉掺量、粉煤灰掺量这4 个代表性因素作 为正交设计研究对象。通过正交试验数据分析，揭示了它们各自在4 水平之间 变动时，对聚合物改性砂浆分别在l d 、7 d 、2 8 d 龄期时抗折、抗压强度及抗折 粘结强度的影响趋势。根据本次试验涉及到4 因素、4 水平，故采用l 1 6 ( 4 4 ) 正交设计表。正交试验设计因素与水平见表3 1 ，正交设计表头见表3 2 。 表3 1 正交试验设计因素与水平 表3 1 中各因素各项水平值的确定源于前期大量基础试验分析结果。首先 进行胶砂比和水胶比试验，通过对流动度、力学性能分析确定胶砂比和水胶比 合适掺量范围。然后，在此基础上，进行乳胶粉和粉煤灰掺量试验，同样通过 对流动度、力学性能分析确定乳胶粉和粉煤灰合适掺量范围。 9 武汉理工人学硕 ：学位论文 按第2 章所述方法拌制砂浆，试件成型后在标准养护条件下养护，随后按 照水泥胶砂强度检验方法( g b t 1 7 6 7 1 1 9 9 9 ) 要求进行砂浆的力学性能试验。砂 浆试件尺寸为4 0 m m x 4 0 m m x l 6 0 m m ，力学性能试验包括砂浆1 d 、7 d 、2 8 d 的 抗折抗压强度，2 8 d 抗折粘结强度。 3 2 试验结果与分析 正交设计聚合物改性修补砂浆各项性能结果见表3 3 。由表3 3 中可以直观 的看出，5 4 方案在1 6 组正交设计中具有最大的2 8 d 抗折、抗压强度以及抗折粘 结强度。但正交试验设计中四因素对修补砂浆性能相互影响、相互制约，而不 是单独存在。因此，不能单一的从表3 3 中所反映的数据确定5 4 方案是最优 比。必须充分分析在综合条件下各因素对修补砂浆力学性能的影响程度，并依 据修补砂浆各项性能重要程度，确定修补砂浆最优配比。 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 表3 3 正交试验设计结果 水胶比、胶砂比、粉煤灰，乳胶粉四因素对修补砂浆性能单独影响如下： 水胶比最为直观的影响着改性修补砂浆凝结硬化后孔隙结构，决定修补砂浆力 学强度发展；胶砂比影响着聚合物改性修补砂浆的流动性能、试件成型状况， 从而间接影响着试件力学性能；粉煤灰的加入一定程度上可起到减水作用，提 高修补砂浆流动性能，并与其自身微集料效应共同作用改善修补砂浆密实度， 提高力学性能。但粉煤灰自身水化活性低，过多的粉煤灰加入降低了修补砂浆 胶材含量，导致后期水化产物减少，制约了修补材料力学性能的发展；乳胶粉 具有活性作用、桥键作用以及充填作用，在修补砂浆内部聚合成膜后能改善修 补砂浆的内聚性、柔性，提升修补砂浆的抗破坏应力和抗破坏应变能力。同 时，乳胶粉可以通过修补界面渗入基材孔洞，吸附在基材颗粒表面成膜，对基 材产生锚固和自张拉的桥连作用，提高修补砂浆与基材的粘结性能。乳胶粉掺 武汉理丁大学硕士学位论文 量过高会通过桥键作用吸附在水化的水泥颗粒表面形成包覆，阻碍水泥水化， 降低修补砂浆早期力学性能【1 8 2 0 1 。 3 2 1 各因素对修补砂浆抗压强度的影响研究 正交试验方法之所以能得到广大科技工作者的重视并在实践中得到广泛的 应用，其原因不仅在于能减少试验次数，而且同时能够用相应的方法对试验结 果进行分析并引出许多有价值的结论。因此，采用正交试验设计进行试验研 究，试验结果的分析具有十分重要的意义。 常见的分析方法有极差分析方法和方差分析两种。极差分析是在试验范围 内，队列对试验指标的影响从大到小的排列。某列极差越大，表示该列的数值 在试验范围内变化时，对试验指标值的影响越大，可以较直观的观察出变化趋 势。方差分析表明了各列对试验指标的影响是否显著，在什么水平上显著。它 表明了某列对于试验指标值影响趋势的可信度。该列方差分析显著，表明其对 试验指标值影响趋势可信。 在对正交试验设计数据计算结果时，各项目所代表的意义如下： i ，：第，列“1 ”水平所对应试验指标的数值之和； i i ，：第，列“2 ”水平所对应试验指标的数值之和； i i i 、，以此类推； 岛：第j 列同一水平出现的次数。等于试验的次数( n ) 除以第，列水平 数； i ，岛：第，列“1 水平所对应试验指标的平均值； i l l 白、i i y 白、i v ：匆以此类推； d ，：第，列的极差。即第，列各水平对应的试验指标平均值中最大值减最小 值，即d ! ，= m a x i 白，i l l 匆，) r a i n i 白，i l l 白，) ； 西：第，列偏差平方和，表示第，列各水平对应试验指标的差异性。 石：自由度。j 产第列的水平数一l ； 巧：方差。巧= 与石： 圪：误差列的方差。圪= & 五。式中，e 为正交表的误差列； 历：方差之比e = 巧圪： f o 0 l 、v o 0 5 、f o 1 0 ：查f 分布数值表而得。 显著性：比较e 与凡o l 、凡0 5 、r 1 0 、f o 2 5 各值的大小，做显著性检验 武汉理1 二大学硕士学位论文 ( 1 ) 各因素对聚合物修补砂浆1 d 抗压强度的影响研究 根据表3 3 中试件1 d 抗压强度结果，利用极差、方差两种方法分析各因素 对修补砂浆早期1 d 抗压强度的影响，见表3 4 。 表3 4 正交试验1 d 抗压强度计算结果 列号 j = 1 2345 因素a bcdk ( m p a ) ( 1 ) 极差分析 极差( d ，) 是一个参考标准，其表明了每个因素在不同水平条件变化时， 对试验指标值的影响程度。一个因素的极差值越大，反映这个因素对试验指标 值的影响越大。由表3 4 正交试验设计结果分析可以看出，在1 d 抗压强度指标 中，极差d ，的大小顺序为：b c d a ，即对1 d 抗压强度影响主次为水灰比 乳胶粉掺量 粉煤灰掺量 灰砂比。 1 3 武汉理工大学硕十= 学位论文 ( 2 ) 方差分析 由表3 4 中各因素显著性分析可以看出，因素b 在口= o 1 0 水平上显著，因 素c 在口= o 2 5 时才显著，而因素a 和因素d 在口= o 2 5 情况下仍不显著。这表 明对于1 d 抗压强度而言，b 、c 两因素的影响是可信的，a 、d 两因素的影响 趋势不可信，故在后期分析中应以b 、c 两因素为主要参考因素。 特别指出：方差分析中，a 、b 、c 、d 四因素显著性反映了它们对修补砂 浆强度性能影响趋势的可信度。显著，表示其影响趋势可信；不显著，表示其 影响趋势不可信，该趋势变化可能是由于实验误差所引起。但对于修补砂浆而 言，涉及到各个性能的分析与研究，每个因素对于不同性能的影响显著性不 同，不能随意舍去在某一性能方面影响不显著的因素。因此，本文方差分析中 显著性效果的分析是对极差分析中各因素主次顺序的佐证，用于表明极差分析 中主要因素的对修补砂浆性能的影响趋势是可信的，可作为最佳配比选择时参 考标准。但在最佳配比选择中非显著因素掺量的确定，仍尊重极差分析中的主 次顺序，按照其对修补砂浆性能影响趋势曲线选择最佳掺量，以便于聚合物改 性修补砂浆最终配比的确定。 ( 2 ) 各因素对聚合物修补砂浆7 d 抗压强度的影响研究 各因素对修补砂浆7 d 抗压强度影响分析方法与1 d 抗压强度类似，结果见 表3 5 。 表3 5 正交试验设计7 d 抗压强度计算结果 i j z k = i i j 3 5 2 8 i i i j( m p a ) ， j 匆4 444 i 匆 2 0 3 83 1 1 22 6 2 82 3 3 2 i i 匆 2 5 4 82 2 8 82 5 2 61 9 3 7 i i i 白 2 1 5 81 6 1 51 9 4 02 3 6 5k 一- - n j | k j 2 0 7 81 8 。0 51 7 0 02 1 8 52 2 0 5 1 4 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 1 ) 极差分析 由表3 5 计算结果可以看出，在7 d 抗压强度指标中，极差d ，的大, j , j i l 页序 为：b c a d ，即水灰比 乳胶粉掺量 灰砂比 粉煤灰掺量，与对l d 抗压强 度影响趋势类似，水灰比、乳胶粉掺量仍为主要影响因素。 ( 2 ) 方差分析 由表3 5 中各因素显著性分析可以看出，因素b 在口= 0 1 0 水平上显著，因 素c 在口= o 2 5 时才显著，而因素a 和因素d 在口= 0 2 5 情况下仍不显著。这表 明对于7 d 抗压强度而言，b 、c 两因素的影响是可信的，a 、d 两因素的影响 趋势不可信，故在后期分析中应以b 、c 两因素为主要参考因素。 ( 3 ) 各因素对聚合物修补砂浆2 8 d 抗压强度的影响研究 各因素对修补砂浆2 8 d 抗压强度影响分析也与1 d 抗压强度相同，结果见表 3 6 。 表3 6 正交试验设计2 8 d 抗压强度计算结果 i _ ， = i i j 4 9 5 6 6 i i b( m p a ) n ； 白4 444 i 白 2 8 4 04 3 1 2 3 4 3 5 3 2 0 2 i i ：白 3 1 9 03 1 9 83 5 9 22 7 9 2 1 s 武汉理工人学硕j j 学位论文 ( 1 ) 极差分析 由表3 6 正交试验设计结果分析可以看出，对2 8 d 抗压强度，极差d ，的大 d , j l l 页序为：b c a d ，即水灰比 乳胶粉掺量 灰砂比 粉煤灰掺量。与对1 d 、 7 d 抗压强度影响趋势类似，水灰比、乳胶粉掺量依然是主要影响因素。 ( 2 ) 方差分析 由表3 6 中，各因素显著性分析可以看出，因素b 在口= o 1 0 水平上显著， 因素c 在口= o 2 5 时才显著，因素a 、d 在口= o 2 5 情况下仍不显著。这表明对 于2 8 d 抗压强度而言，b 、c 两因素的影响是可信的，a 、d 两因素的影响趋势 不可信，故在后期分析中应以b 、c 两因素为主要参考因素。 综合表3 4 至表3 6 中极差分析结果可以看出，b 、c 两因素为主要因素， 对改性修补砂浆各龄期抗压强度影响程度均大于d 、a 。故针对改性修补砂浆 抗压强度选取各因素最佳水平时，以b 、c 两因素为首要选择对象。 根据表3 4 至表3 6 中，l d 、7 d 、2 8 d 龄期a 、b 、c 、d 四因素在各自四水 平条件之间变化时，改性修补砂浆抗压强度均值变化作图( 如图3 1 至图3 3 所 示) 。图中曲线反映了a 、b 、c 、d 四因素分别对改性修补砂浆各龄期抗压强 度影响趋势，并根据该趋势确定修补砂浆在各龄期具有最高抗压强度时四因素 各自的掺量。 1 6 武汉理工人学硕士学位论文 芷 至 v 型 骥 崮 塔 口 r 7 6 s 4 2 各因素水平 正 图3 1 各因素因素对改性修补砂浆1 d 抗压强度影响趋势 由图3 1 中趋势曲线可以看出，改性修补砂浆1 d 抗压强度随着a 因素( 胶 砂比) 变化呈现出波浪线变化；随着b 因素( 水胶比) 的增加，整体呈现出降 低的趋势；随着c 因素( 乳胶粉掺量) 的增加，也整体呈现出降低的趋势；随 着d 因素( 粉煤灰掺量) 的增加，整体呈现出逐渐升高的趋势。 故结合极差分析确定在b 1 ( 0 3 5 水胶比) 、c 1 ( o 乳胶粉掺量) 、d 3 ( 1 5 粉煤灰掺量) 、a 4 ( 1 ：0 9 胶砂比) 配比下，修补砂浆具有最佳1 d 抗压 强度。同时可以看出，乳胶粉对于修补砂浆早期强度发展起到了抑制作用。 爸 弓 黎 幽 弩 h 2 8 2 2 1 6 各因素水平 3 4 图3 2 各因素对改性修补砂浆7 d 抗压强度影响趋势 1 7 武汉理工大学硕上学位论文 由图3 2 中趋势曲线可以看出，改性修补砂浆7 d 抗压强度随着a 因素( 胶 砂比) 变化呈现出波浪线变化；随着b 因素( 水胶比) 的增加，整体呈现出降 低的趋势；随着c 因素( 乳胶粉掺量) 的增加，也整体呈现出降低的趋势；随 着d 因素( 粉煤灰掺量) 的增加，整体呈现出逐渐升高的趋势。 故结合极差分析确定在b 1 ( o 3 5 水胶比) 、c 1 ( o 乳胶粉掺量) 、d 3 ( 1 5 粉煤灰掺量) 、a 2 ( 1 ：1 2 胶砂比) 配比下，修补砂浆具有最佳7 d 抗压 强度。同时可以看出，乳胶粉对于修补砂浆7 d 强度发展也起到了抑制作用。 各因