（材料学专业论文）hg对水泥砂浆性能修复和改善的研究.pdf

摘要 水泥基材料是构造现代建筑物的主要材料。然而，由于原料及其配合比、成 型、养护等建筑施工问题时有发生，以及气象、施工环境和使用等因素的综合影 响，造成很多水泥基材料性能下降，严重影响到其使用性能和寿命。因此，对于 已成型水泥基材料的建筑物和制品修复和改善研究是十分有意义的。 本文主要以实验室制备的和现场几种典型的水泥砂浆作为研究对象，通过以 氟化物为基础配制的h g 液体对砂浆表面进行处理，对比处理前后砂浆的性能变 化，研究h g 别冰泥砂浆耐磨性和其他力学性能( 如抗压强度、抗折强度、粘结 强度等) 的影响效果：内掺h g ，研究h g 对砂浆抗压、抗折强度的影响，以及 h g 液体涂覆在砂浆表面，研究h g 作为养护刺对砂浆的养护效果。最后，通过 微观测试和分析( 包括x r d 测试分析、砂浆表面s e m 形貌观察、砂浆表面e d a x 定量分析) 以及对砂浆结构与性能之间关系的探讨与分析，研究h g 对水泥砂浆 的结构与性能影响机理。 试验表明，经h g 处理后的水泥砂浆的耐磨性、粘结强度、抗压强度和抗折 强度得到了一定程度的提高，而耐磨性和粘结强度相对提高效果明显，尤其是砂 浆耐磨性越差，h g 的作用越显著，如h g 对灰砂比为l ：4 和1 ：5 的砂浆的耐 磨性提高效果按砂浆磨坑体积来衡量，提高百分比达到约3 7 4 2 ；内掺适 量的h g 对提高砂浆的抗压、抗折强度有一定的作用；h g 作为养护剂养护水泥 砂浆也有一定的效果。微观测试和分析试验表明，h g 对水泥砂浆的影响机理是 化学反应增强机制，即h g 与砂浆中的取向结构的c a ( o h ) 2 晶体发生反应，在砂 浆的毛细管孔中生成了大量的c a 、m a 以及s a 等不溶性产物，使得砂浆的孔 隙结构更密实，且材料物相问结合力增强，提高了砂浆的耐磨性和强度，还可以 阻止砂浆体中的水分通过毛细管孔向外蒸发，有利于水泥浆体的养护和阻止其表 面泛碱现象。 h g 对水泥砂浆性能的修复和改善效果将对建筑物和水泥制品的修复和养 护工程又提供了一种简捷丽实用的方法。 关键词水泥砂浆；修复：化学增强；耐磨性：力学强度 a b s t r a c t c e m e n t b a s e dm a t e r i a l sa r em a i nm a t e r i a l so fm o d e mb u i l d i n g h o w e v e r , t h e p e r f o r m a n c eo fal a r g en u m b e ro fc e m e n t b a s e dm a t e r i a l sd e s c e n d sb e c a u s eo ft h e m a t t e ro ft h er a wm a t e r i a l s ，t h em i xr a t i o ，m o l d i n ga n dc u r i n gi n c o u r s eo f c o n s t r u c t i o na n dt h ef a c t o r so fw e a t h e r ，c o n s t r u c t i o na n du s ec o n d i t i o n s ，e t c i t i n f l u e n c e ss t r i c t l yt h eu s ep e r f o r m a n c ea n dl i f e s p a no fb u i l d i n g s s o ，i ti sq u i t e s i g n i f i c a t i v et h a tt h er e h a b i l i t a t i o na n di m p r o v e m e n tr e s e a r c ho nm o l d e db u i l d i n g s a n dw a r e sm a d eu po f c e m e n t b a s e dm a t e r i a l s i nt h i st h e s i s s e v e r a lr e p r e s e n t a t i v es a m p l e so fc e m e n tm o r t a rm a d ei nl a ba n di n s p o ta c ta sr e s e a r c ho b j e c t s f i r s t l y , t h ee x p e r i m e n t a t i o no nt h e i rs u r f a c e st r e a t e db y f l u o r i d e b a s e dh gl i q u i di sc a r r i e d b yc o m p a r i n gt r e a t e da n du n t r e a t e dm o r t a r s t h e e f f e c to na n t i a b r a s i o na n do t h e rm e c h a n i c a ls t r e n g t h ss u c ha sc o m p r e s s i v es t r e n g t h ， b e n d i n gs t r e n g t ha n da d h e s i o ns t r e n g t hi ss t u d i e d s e c o n d l y ，t h ee f f e c to nc o m p r e s s i v e s t r e n g t ha n db e n d i n gs t r e n g t ho fm o r t a r sb ym i x i n gh gi n t os t u f fa n dt h ec u r i n ge f f e c t o nm o r t a r su s i n gh gl i q u i da sc u r i n ga g e n ta r es t u d i e d f i n a l l y ，b ym i c r o c o s m i ct e s t a n da n a l y s es u c ha sx r d ，s e ma n de d a x ，t h em e c h a n i s mt h a th gi n f l u e n c e so nt h e p e r f o r m a n c ea n d t h es t r u c t u r eo fm o r t a r si sd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta n t i a b r a s i o n ，c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，b e n d i n gs t r e n g t ha n d a d h e s i o ns t r e n g t ho fm o r t a r st r e a t e db yh gi n c r e a s eo nac e r t a i ne x t e n t ，e s p e c i a l l y , a n t i a b r a s i o na n da d h e s i o n s t r e n g t h f o ri n s t a n c e ，t h ei n c r e a s ep e r c e n t a g eo f a n t i a b r a s i o no fm o r t a r sw i t hc e m e n ts a n dr a t i o1t o4a n d1t o5i sa b o u t3 7t o4 2 a c c o r d i n ga st h eb u l ko fg r i n d i n gd i s h t h ee x p e r i m e n t a t i o ns h o w st h a t ，m i x i n g p r o p e ra m o u n to fh gi n t os t u f fa n du s i n gh ga sc u r i n ga g e n t t h ep e r f o r m a n c eo f m o r t a r si si m p r o v e do nac e r t a i ne x t e n t t h em i c r o c o s m i ct e s ta n d a n a l y z es h o w st h a t t h em e c h a n i s mt h a th gi n f l u e n c e so nt h ep e r f o r m a n c ea n dt h es t r u c t u r eo fm o r t a r si s c h e m i c a lr e a c t i v es t r e n g t h e n i n g an u m b e ro fi n d i s c e r b t i b l er e s u l t a n t sc o m ei n t o b e i n gi nh o l e so fm o r t a r sa f t e rh gr e a c t st oc a ( o h ) 2c o n s i s t i n gi nm o r t a r s t h u s ， m o r t a r sg e tc l o s e g r a i n e d n a t u r a l l y , t h ea n t i a b r a s i o na n dt h es t r e n g t ho fm o r t a r s i n c r e a s e m o r e o v e r , t h em o r t a r sw i t hc l o s e g r a i n e ds t r u c t u r ea r ea b t et or e d u c e e v a p o r a t i o no fw a t e ri nm o r t a ra n dp r e v e n tl y ei nm o r t a rs t r e a m i n gb yh o l e si n m o r t a r i ti sf a v o r a b l et oc u r em o r t a r sa n dp r e v e n ts c u m m i n go nt h es u r f a c eo f m o r t a r i tw i l lp r o v i d eac o n v e n i e n t ，a p p l i e da n dp o t e n t i a lm e a s u r et or e h a b i l i t a t ea n d c u r eb u i l d i n g sa n dw a r e sm a d eu po fc e m e n t b a s e dm a t e r i a l si na r c h i t e c t u r e k e yw o r d s c e m e n tm o r t a r ；r e h a b i l i t a t i o n ；c h e m i c a ls t r e n g t h e n i n g ；a n t i a b r a s i o n m e c h a n i c a ls t r e n g t h i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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作的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 。钛教r 期：瘦吐。臣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 旌 导师签g 拼穆2 同期：盔蛙。丘 第1 审绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景以及国内外研究现状 1 1 1 水泥基材料的地位和发展 水泥基材料是由集料与水泥水化产物等形成的胶凝材料，其净浆和与砂孑、 石子形成的砂浆和混凝土在建筑材料中占主导地位。混凝土是由水和水硬性水泥 水化形成的胶凝浆体，将各种砂石骨料组分凝集而成的复合材料。各种适当配合 的组分经过充分搅和，就成为可以筑成预定尺寸和形状的塑性物体。由于水与水 泥水化，混凝土的强度和坚硬性变得象石头一样，其用途十分广泛。 自从英国人j 阿斯普丁发明波特兰水泥后，以水泥为胶结材料的混凝土和钢 筋混凝土的应用日益增加，已经成为当今世界上使用最多的建筑材料。它不仅被 广泛地用于楼房建筑、公路、桥梁、水利设施、隧道等基础设施上，而且广泛应 用于海洋丌发、地热工程、原子能工程和宇宙丌发等特殊工程中。混凝土的生产 量约为世界钢产量的l o 倍，1 9 9 7 年我国水泥产量为5 1 x 1 0 8 t ，蛩 2 0 l o 年可能超过 8 0 x 1 0 8 t 。1 。近二三十年来，水泥基材料一直在向快硬、高强、轻质、复合、改 性、节能、绿色、可修复、智能的方向发展。人们可以按自己的意图改变胶凝材 料和集料，或者选用特殊的制作工艺，或者掺入不同种类的外加剂配制而出具有 各种性能的水泥基材料，如防水水泥基材料、耐高温水泥基材料、不裂或少裂水 泥基材料、可修复水泥基材料、绿色水泥基材料、智能水泥基材料等。预计未来 的1 0 0 2 0 0 年内，水泥基材料仍将是最主要的建筑材料4 书】。 1 1 2 水泥基材料的常见病症和现有的处理措施及不足 1 1 2 1 水泥基材料的起灰、起砂和抗磨陛问题在r 常生活中，我们常会看到许 多水泥基材料的路面和建筑物的地面和墙面由于水泥基材料的抗磨性和抗风化 性能差，而或多或少出现起尘、起砂、起灰等不良现象，严重影响路面和建筑物 的美观a 水泥基材料损坏分为三个阶段：( 1 ) 起荻：由于水泥石的胶结强度不够， 出现起灰：( 2 ) 起砂：起灰后的细集料暴露出来，松动后脱落：( 3 ) 起坑：起砂 后粗集料突出暴露，松动后脱落出现坑洞，坑洞的扩大，水泥基材料表面凸凹不 北京丁业大学丁学l ! i j 学位论文 平，这时己影响它的正常使用。起砂是其中主要阶段i9 1 。如果不加以治理的话， 会给环境和人的身体造成危害，甚至会严重地影响道路和建筑物的使用性能和寿 命。因此，国内外许多学者和工程技术人员针对这一现象的成因提出了许多解决 措施和方法。 ( 1 ) 水泥基材料地面起尘、起灰、起砂的成因分析 水泥基胶凝材料本身具有较好的耐磨性，但由于材料和施工等问题，其耐磨 性能受到很大的影响。造成水泥基材料地面起尘、起灰、起砂的主要原因是水泥 基材料的强度、硬度和密实度不够、抗磨性以及抗风化性能差【吣川。水泥基材料 的损耗过程为：由于水泥石的胶结强度不够，出现起灰：起灰后细集料突出， 松动后脱落( 即起砂) ：超砂后粗集料突出，松动后脱落，出现坑洞，这时已 影响它的正常使用。起灰、起砂不仅是材料快速磨损的表现，同时造成影响使用 的环境。而造成水泥基材料以上性能不良的具体原因包括：浇注混凝土的各原料 配合比不当，如水灰比过大，灰砂比过小等；水泥标号低，超过保质期或受潮， 水泥安定性不合格：砂子过细，含泥量过高，超过3 ；砂浆或细石混凝土水灰 比过大：混凝土浇注工序不对，施工过程中不及时养护或养护不到位，养护期不 足或不当【1 引。此外，还有环境因素和机械因素影响：如冬季施工，施工过程中突 发雨雪天气影响而气温低，混凝土受冻：空蚀、水流中磨损物质的运动、行车 的磨损以及道路和建筑物施工过程中的影响：另外，还有海水的侵蚀f 1 5 j 和生 物的侵蚀| 1 6 】等等。 ( 2 ) 目前的解决措施和方法以及其不足 许多资料对如何防止水泥基材料超灰、起砂作了论述。目前的解决措施和方 法总体上有两类：a ) 在水泥基材料未成型之前采取的预防措施，包括加强对水 泥基材料原材料的要求，控制物料的配合比，保证原材料的质量；控制施工作业 规范，加强水泥基材料的养护：避免环境对质量的影响，例如，加强冬季施工保 温，控制雨雪天气危害等f 1 3 】。这些方法均为预防性措施，水泥基材料的起灰、起 砂现象仍时有发生。b ) 对已成型的水泥基材料发生起扶、起砂现象的处理目前 以物理方法为主，治理措旌主要有三类：在不影响道路和建筑物的标高下，如 铺设自流平水泥、应用加入表面强化剂如金属骨料强化剂等处理的砂浆和其它 高性能砂浆【8 】涂抹在已处理过的老混凝土的表面上等，这些措施实际是补救，而 不是修复，它仍旧不能改变水泥基材料自身的缺陷，补救面与基层的结合力是薄 弱点，很容易再次脱落 ”1 。还有就是传统的刮施聚合物改性的腻子、涂涂料等措 施，但由于其容易老化以及界面结合问题，会造成地面起皮、空鼓等新问题，而 且由于改变了混凝土的原表面性质给建筑物的后加工和装饰造成不便。改变路 面和建筑物的标高的情况下，铺一层瓷砖、水磨石和其它石材，这必然增加了建 筑物的自重和造价，缩小建筑物的使用空间，还会带来建筑物的其它设施的大量 改造。采取遮盖的办法，如在地面上铺地毯、在墙面上装修木板等方法，但水 泥基材料起尘、起扶、起砂等问题仍然存在。 以上解决水泥基材料由于抗磨性差而带来的起尘、起灰、起砂等问题的措施 和方法都存在着不足和缺陷，在工程实践中也采取以上措施加以控制，即便如此， 起灰起砂依旧是水泥基材料常见病之一，特别是对于已成型的水泥基材料出现的 以上问题更没有合理和有效的解决措施和方法。因此，对水泥基材料自身的修复 是必须的。 1 1 2 2 水泥基材料养护问题水泥基材料成型完毕后，在一个相当长的时间内保 持适当的温度和足够的湿度，满足水泥基材料的良好硬化条件，创造满足这种硬 化条件所采取的措施，称为水泥基材料的养护【1 ”。水泥基材料养护的三要素是介 质的温度、湿度及养护延续时间【2 。目前水泥基材料的养护方法有很多种，总的 来说可分为物理养护和化学养护两种。物理养护方法有自然条件养护2 ”、潮湿养 护f 2 0 】、干热养护1 2 “、水养护f 2 0 l 、密封( 膜) 养护 2 3 】、低压、高压蒸汽养护1 2 4 】、 微波养护【2 5 1 、太阳能养护和红外线养护 2 0 2 6 】、冷养护以及部分养护剂养护1 2 7 j 等等。这些养护方法可分为保持被养护体环境充分的水分和对被养护体密封防止 水分过分蒸发。化学养护主要是指养护剂养护，是通过与水泥基材料发生化学反 应使自身表面密封而到达养护效果。如y m 8 4 型和h g 一8 8 型混凝土养护剂【2 8 】。 但通过对水泥基材料本身的修复与改善使其表面密封而达到养护效果的养护措 施还未见报道过。 从以上水泥基材料的养护方法不难看出其存在诸多不足之处：( 1 ) 养护周 期过长，养护效果不佳，如自然养护和部分养护剂养护等； ( 2 ) 受自然条件和 设施的限制以及养护成本太高而不能广泛应用，如潮湿养护、水养护、密封( 膜) 养护、蒸汽养护( 低压、高压) 、微波养护、太阳能养护和红外线养护、冷养护、 干热养护以及部分养护剂养护【2 9 】等； ( 3 ) 部分养护方法不宜应用立面养护和大 型混凝土工程的养护，如水养护、潮湿养护以及部分液态养护剂养护和覆盖养护 北京丁业人学t 学i i ! j ! 上掌位论文 等；( 4 ) 改变水泥基材料表面原有的性质和颜色而造成水泥基材料表面后加工 和姨饰的不便，如密封( 膜) 养护、高分子养护剂养护、有机溶液等成膜材料养 护；( 5 ) 造成环境污染和水污染，如水养护和部分有机化学溶液等养护剂的养 护 3 0 , 3 1 j 。从工程实际来说，养护措施可分为两类，一类是采用水补充养护过程中 的失水，主要是水养护，它的养护效果直接，但费力、费水、费时，在水资源不 便、养护傈水不便，特别在资源化节省施工的今天，是不宜提倡的方法。事实上， 拌和水泥使用的水量远超过水泥水化所需的水量，保住水份过早和过度的挥散是 养护的另一类方法。这类方法以覆盖为主，包括可移动覆盖( 如塑料膜、草帘、 养护毡等) 和不可移动覆盖( 主要是各类硬化剂的成膜) 。前者材料再利用率低， 给施工环境带来极大影响；后者成膜可造成后续施工极大不便。能否不改变水泥 基材料的表面，以表丽结构自密实达到养护目的是本研究的思路。 1 1 2 3 水泥基材料表面的“泛碱”现象水泥基材料的表面时常会发现有不同程度 的白色的“泛碱”现象，如建筑物和构件的表面，虽然它不会对使用性能产生严重 的后果，但它直接影响了建筑物和构件的美观，而且泛碱严重的地方l - - 2 年便 出现脱皮和麻面，从而影响其使用性能。 ( 1 ) “泛碱”现象成因分析 水泥基材料的表面的泛碱现象的实质是水泥石的腐蚀中的一种溶析性 侵蚀p2 i ( 如图1 1 ) 。溶析性侵蚀又称淡水侵蚀或溶出侵蚀，就是硬化后水泥基 材料中的水泥水化产物被淡水溶解而带走的种侵蚀现象。我们知道水泥基材 料中的各种水化产物都必须在一定浓度c a o 液相中才能稳定存在，否则将被分 解。各种水化物与水作用h , jc a ( o h ) 2 溶解度最大，首先被溶出。般在水量不多 或静水和无压情况下，由于周围的水迅速被溶出的c a ( o h ) 2 所饱和，溶出作用很 快就中止。当雨季含水量较大时，并且当天气转冷昼夜温差较大时，水得不到 及时蒸发，在表面两侧形成微小的毛细水压力，使一部分水向内部流动，当水泥 基材料空隙率较大时，通过的水就越容易、越多。溶出的c a ( o h ) ：溶液富集在表 面，当外界空气湿度很小时，水分很快被蒸发i 而c a ( o h ) 2 则残留在表面形成所谓 的白色的“泛碱”现象。从取下的泛碱样溶于水后，测得其p h 值最高达到1 4 。所 以，只要这些条件存在，这种溶析性侵蚀就会不断继续。由于c o h ) 2 不断被溶 析，不仅水泥基材料的密度和强度降低，而且将导致水化硅酸钙和水化铝酸钙的 不断分解，水泥基材料内部不断受到破坏，强度不断降低，水泥基材料就会出现 第l 章绪论 脱皮、麻面乃至整个水泥基材料的破坏。 幽l 1 “泛碱”成因分析示意图 f i g1 - lt h es k e t c hm a po f t h ef o r m a t i o nc a u s eo f “s c u m m i n g ” ( 2 ) 目前防止和减少泛碱的方法措施 针对水泥基材料出现以上“泛碱”现象，目前防止和减少泛碱的方法措施主要 有：选用硅酸三钙含量低的水泥( 如矿渣水泥) ，使水化产物中的c a ( o h ) 2 含 量减少，以提高耐水溶析的作用3 3 】。提高密实度，降低水灰比，改善集料级 配，从而降低孔隙率彤! 。在水泥基材料与外界接触的表面进行碳化处理，使水 泥基材料表面进一步密实，减少水渗入水泥基材料内部。减少毛细孔吸水，养 护时避免浇水，制品应存放于有棚堆场，避免雨淋。在水泥基材料配合料中加入 硬脂酸钙之类的抗水剂，使水泥基材料中的毛细孔呈憎水性，以阻止水进入水泥 基材料。用沙浆喷涂或涂涂料等措施来覆盖己出现“泛碱”现象的水泥基材料表 面。在水泥基材料中掺加少量聚合物和水泥催化剂、分散剂等，使毛细孔细化， 变自由水为非自由水；碳酸盐化也可促进毛细孔闭合，堵塞泛碱通道。杜绝混凝 土中碱液向混凝土表面迁移，在养护阶段最容易出现泛碱现象，宜采用在2 0 恒 温恒湿条件下养护，以减少泛碱动力，从而减少白霜量1 3 “。 ( 3 ) 处理措施的不足之处 从以上处理水泥基材料泛碱的措旖来看，大体上都是在未成型前从水泥基材 料配置的原料、成分以及水泥基材料的养护上着手来减少水泥基材料中的碱性物 质，阻止碱液向水泥基材料表面迁移。但这必然会影响水泥基材料的性能以及其 养护效果，而且以上处理措施只适合在“泛碱”现象朱出现之前超预防作用，而对 已经出现“泛碱”现象就不适用了。表面涂敷在已出现“泛碱”现象表面，由于存 在新老界面的结合问题的，此方法仍不能从根本上解决问题，且使用涂料甚至有 北京工业夫学工学坝 学位论文 “泛碱”将涂料顶出脱落的现象。 1 1 3 课题研究现状 针对以上水泥基材料由于耐磨性差而出现的起灰起砂现象，以及水泥基材料 养护问题和“泛碱”现象的问题。另外，在现实实践中，水泥基材料还存在抗压抗 折强度和粘结强度等力学性能差的问题。目前国内治理措施主要是在水泥基材料 建筑物和制品未成型前原料的控制和调整，而对已成型的水泥基材料建筑物和制 品由于本身的化学反应，对其性能后天性的自我维护和修复的措施几乎没有。目 前国内这些措施集中在预防水泥基材料的问题出现，而对已出现问题的水泥基材 料，这些措施就无能为力了。然而，己成型的水泥基材料建筑物和制品或多或少 会出现以上问题。因此，通过水泥基材料自身化学反应来自我修复和改善的治理 措施就显得很重要。 目前国内外治理已成型的混凝土建筑物和制品的措旋主要有三种途径。( i ) 改善混凝土的性能：如采用高标号或添加钢纤维、碳纤维等。实践说明这类方法 主要是为了加固混凝土结构，电或多或少可以改善混凝土的强度和耐磨性，但不 能阻止起灰起砂现象。而高性能混凝土( h p c ) 、智能化混凝土以及自修复混凝 土的研究目前集中在理论和耐久性方面，甚至是试验研制阶段1 3 6 1 。( 2 ) 物理处理： 在起砂混凝土面层上施工，如铺设一层聚合物砂浆，涂刷涂料等 3 7 l ，但这样就会 产生聚合物老化和改变了砂浆表面性质而带来后期施工的不便的问题。这一措施 治标不治本，其耐磨性、强度等性能没有改善，原有的问题仍然存在。( 3 ) 化学 处理：从混凝土起砂机理入手，通过渗透到混凝土内部产生化学反应增强和加固 混凝土口“。化学处理是一种先进方法，其特点是：a ) 通过化学反应产生新的稳 定和牢固的矿物，在不改变混凝土原状情况下增强和加固混凝土，效果极为明显。 b ) 混凝土表面施工，无须迁移地上物，施工简单。c ) 工期短，见效快。使用喷 洒或涂覆表面，般3 天后即可明显消除起灰起砂现象。化学处理方法是通过化 学反应，来实现对已成型的水泥基材料建筑物和制品的性能后天性的自身修复和 改善。这也是国外有些国家用来治理已出现问题的水泥基材料建筑物和制品的措 施之一。 可以这样浇水泥基材料的耐磨性、养护等问题以及起尘、起狄、起砂、泛碱 等现象，随着水泥基材料和混凝土工程的涎生就一直存在。通过以上分析可知， 水泥基材料的起灰、起砂、泛碱等问题是防不胜防的弊病，一旦出现此类问题， 目前的措施都存在局限性和不足，显得治标不治本：而水泥基材料的抗渗性和养 护效果对材料的质量和耐久性有极大的影响。因此有必要寻求一种综合性的措 施，同时解决上述问题。( 1 ) 在水泥基材料成型时涂敷在表面，起到养护，增强 表面强度、硬度、密实性和抗渗性，防止起灰、起砂和泛碱；( 2 ) 在已出现问题 的水泥基材料表面涂敷，消除起灰、起砂和泛碱，同时提高强度、密实性和抗渗 性。 氟化物与钙质的增强作用在牙齿保健和治疗中运用的很充分。因此有必要对 氟化物增强水泥基材料作用及其机理进行系统的研究。氟化物是一种不合树脂、 蜡、橡胶、硅、油等薄膜的渗透养护剂，不会改变水泥基材料表面性质，能有效 提高处理后表面与各涂层的结合性。根据氟化物在增强牙齿保健和治疗中的运用 可以推测，氟化物与水泥基材料中的某种或几种组分发生反应，将水泥基材料中 的各成分固化成一个坚硬的实体增加硬度和密实度，实质上是增加了水泥基材 料表面的耐磨性和坚固性。这也是本实验研究的出发点。 1 2 研究的目的和意义 从水泥基材料所面临的质量通病和国内外研究现状，以及研究的应用实践来 考虑，本研究的目的定位为对有质量问题的“病念”且己成型的水泥基材料的性能 的修复和改善，而对那些优质和高性能的无质量问题水泥基材料的修复和改善效 果就不在本研究的范围内。有问题的“病态”水泥基材料可以通过模拟现场施工过 程中改变其原料配合比和养护条件等措施来制备，甚至有条件的话，可以把现场 的有问题的“病态”建筑物和制品作为试验研究对象。主要是研究对有问题的“病 态”水泥砂浆的耐磨性、抗压抗折强度、粘结强度等性能修复和改善，以及其作 为养护剂对水泥砂浆的养护和维护的效果，甚至通过对其化学反应的机理的探讨 和分析，来研究其抑止和防治水泥基材料“泛碱”现象的可能性。 本研究通过以氟化物为基础配制的一种化学增强液体h g ，通过以表面渗透 为主的方式，研究： ( 1 ) h g 与砂浆耐磨性的关系及其与时间、浓度以及砂浆的配合比的关系： 北京_ 7 2 业大学工学坝上学位论空 ( 2 ) h g 与砂浆力学性能的关系( 包括抗压强度、抗折强度、拉伸粘结强 度) ，从而掌握h g 在增强、养护和处理“泛碱”方面的应用方式； ( 3 ) h g 与砂浆作用的机理及其与性能的关系。 研究属应用基础研究，研究意义在于： ( 1 ) 指出h g 的应用方向和途径，为h g 化学增强材料提供具有工程实际 应用意义的基础数据。其意义在于不改变砂浆外观的情况下，提供简便有效的提 高砂浆结合力的相关性能的方法。 ( 2 ) 指出如何有效的使用h g 材料，解决工程使用的工艺问题。其意义在 于系统考察了h g 对砂浆不同性能影响之间的联系，评估一种材料对多个性能的 影响程度及其综合性能价值。 ( 3 ) 提出h g 增强的结构和机理特征，为有效使用新型的h g 化学增强材 料及其拓展其它应用途径提供了理论依据，丰富了化学增强的理论内容。 - ! ! ! ! 篓至兰鏊婪篓塞茎垒至圣! 竺竺! ! ! ! ! ! ! 一 第2 章实验过程与实验方法 2 1 基本的研究内容 本论文主要是研究h g 对水泥砂浆性能的影响效果，以及通过微观测试和分 析束探讨其影响机理。研究总体上分为三部分：第一部分，h g 对水泥砂浆耐磨 性的影响效果，主要是通过比较空白砂浆和经h g 处理的砂浆的表面磨耗量来衡 量；第二部分，h g 对水泥砂浆力学性能的影响效果，包括内掺h g 对砂浆抗压 抗折强度的影响，砂浆在h g 溶液表面涂覆下的养护效果，h g 对2 8 天后成熟 砂浆抗压抗折强度的修复和改善效果，h g 对工程现场采集到的砂浆的粘结强度 的影n 向效果；第三部分，微观测试和分析( 包括x r d 测试分析、砂浆表面s e m 形貌观察、砂浆表面e d a x 定量分析) 以及对砂浆结构与性能之间关系的探讨 与分析，来研究h g 对水泥砂浆的影响机理。 2 2 水泥砂浆的原材料 2 2 1 原材料 2 2 1 1 水泥河北冀东水泥厂生产的硅酸盐水泥( e o ) ，强度等级4 2 5 r 。其性 能参数见表2 1 。 表2 i 水泥r q 4 2 5 r 的性能指标 t a b2 - 1p r o p e r t i e so f k i d o n gc e m e n tp o4 2 5 r 物理检验结果化学检验结果 细度r + 8 0 9 m ( ) 1 1 氧化镁( ) 3 2 9 3 d57 三氧化硫( ) 23 7 抗折强度( m p a ) 2 8 d6 3 烧火量( ) 2 7 2 3 d2 6 9 抗压强度( m p 2 8 d4 i7 2 2 1 2 细集料河砂： ( 1 ) 粒度( 见表2 2 ) ： ( 2 ) 细砂：细度模数g r = 2 0 ( 3 ) 二氧化硅( s i 0 2 ) 含量大于9 6 ； ( 5 ) 烧失量不得超过0 4 0 ： ( 6 ) 含水率小于l ： ( 7 ) 含泥量( 包括可溶性盐类) 不超过o 2 0 。 表2 - 2 细集科的粒度 t a b 2 - 2t h es i z eo ff i n ea g g r e g a t e s 方 l 筛孔径( m m ) 桑讦丽系虿i 可孬 2 5 0 1 2 5 2 0 6 3 0 1 7 0 3 1 5 8 3 0 1 6 0 9 8 2 2 1 3 矿物细掺料粉煤灰：北京京环粉煤灰利用有限责任公司的i 绂粉煤灰 ( 等量替代2 6 7 水泥) 。其性能指标见表2 3 。 表2 - 3 粉煤灰的性能指标 t a b 2 - 3p r o p e r t i e so f p f a 含水量 0 1 烧火超038 三氧化硫 2 6 0 碱含量( n a z o 十o6 5 k 2 0 ) 1 , 6 7 2 2 1 4 水试验用水为普通自来水。 2 2 1 5 减水剂萘系f d n i 型高效减水剂，减水率1 6 1 8 。 2 2 1 - 6 t gh g 是以氟化物为基础，在其中添加了多种浸润剂和外掺料以及水， 试验配制而成透明的液体。 2 2 2 粉煤灰部分替代水泥 为了节约水泥用量以及环保与节能的考虑，现代砂浆和混凝土工程大多数都 采用粉煤驭部分替代水泥。有试验表明，相同水次比下，粉煤灰的掺量不超过 釜：i耋鎏鎏!：i：j生一iii 2 0 对混凝土的性能影响不大，只是混凝土的温升稍有降低。只有当掺量超过 2 5 时对混凝土的性能彳1 会有明显的改善m 1 。因此，本试验采取等量替代法，粉 煤灰等量臂代2 6 7 水泥用量。 2 3 砂浆试验样块的制备和试验过程 2 3 1 基准砂浆的配合比 砂浆试样的配合比设计( 参照g b t1 7 6 7 1 - - 1 9 9 9i d ti s o6 7 9 ：1 9 8 9 ) ，水灰比 为0 5 ，灰砂比为l ：3 。基准水泥砂浆的材料配合比见表2 4 。 表2 - 4 基准砂浆的配合比 t a b 2 4t h em i xr a t i oo f t h en o r mm o r t a r 2 3 2 试验过程 ( 1 ) 配料 用托盘天平分别称量水泥、粉煤扶、砂子等材料，用量筒量取好试验用水， 准备试验。按照“g b t1 7 6 7 1 1 9 9 9i d ti s o6 7 9 ：1 9 8 9 水泥胶砂强度检验方法( i s o 法) ”的要求依次混合各配料。 ( 2 ) 搅拌 使用行星式水泥胶砂搅拌机搅拌。首先把量好的水放入搅拌机的锅中，接着 把称量好的水泥和粉煤灰混合后同时倒入水中，启动搅拌机搅拌3 0 s ，然后再把 称量好的砂倒入搅拌机的容器中，再次启动搅拌机搅拌3 0 s ，接着停止搅拌机约 9 0 s ，期间将搅拌机叶片和锅边缘的砂浆刮于锅中削，再次启动搅拌机搅拌6 0 s ， 停止搅拌进行振实。 ( 3 ) 振实和成型 把已搅拌好的砂浆迅速转移到放好在振实台上的砂浆成型模中，分两次振 实。首先倒入一部分砂浆于模具中( 每个槽中约放3 0 0 9 砂浆) ，用播料器播平。 _ 丌= 启振实台振动6 0 s 。停止振动，把剩余的砂浆倒入模具中，用播料器播平，再 次启动振实台振动6 0 s ，停止振实。用金属直尺沿试模的长度方向以横向锯割动 作慢慢向另一端移动，一次将超过模具部分的砂浆刮去，并用一直尺以近乎水平 的情况下将试体表面抹平。 ( 4 ) 养护 将已成型的砂浆试体连同模具用湿布覆盖，平放在水平平面上，隔2 0 h 2 4 h 之间脱模，接着把脱模的试样立即水平放置在室温的自来水中养护，直到试样试 验期龄为止。由于试验是比较性试验，因此，砂浆试样没有严格按标准养护进行。 ( 5 ) 测试 参照测试标准对砂浆的各项性能进行测试。 2 4 实验用仪器设备 本研究主要使用的仪器设备如下： 水泥胶砂搅拌机，g z 水泥胶砂搅拌机，沈阳市试验仪器二厂制造； 水泥胶砂振动台，g z 一8 5 型，沈阳市试验仪器厂制造： 电动抗折试验机，k z j - 6 0 0 型，中外合资沈阳合兴机械电子厂； 液压式压力实验机，y e 一3 0 型，济南实验机厂制造： 万能材料压力试验机，y e 2 0 0 a 型，长春材料试验机厂制造： 抗压夹具，b z 型，无锡建筑材料仪器机械厂： 无机地面材料耐磨性试验机，普通型，沈阳建材仪器制造厂生产； 粘结强度测试拉伸仪，z q s 6 - 2 0 0 0 型，北京盛世伟业建筑技术有限公司制造； x 射线衍射仪，d 8 一a d v a n c e 型，德国b r u c k e r 制造，测试参数：c u 靶k 值 线，管电压3 5 k v ，管电流3 5 m a ，步进扫描2 0 m i n ，2 0 1 0 0 8 0 0 ： 扫描电镜，h i t a c h i $ 4 5 0 型，日本日立株式会社制造； 镀膜仪( 离子溅射台) ，e i k o i b 3 型，日本日立株式会社制造。 2 5 试验方法 2 5 1 试验水泥砂浆的制备方案 如研究的目的所述，本研究并不是研究高性能或优质的砂浆，而是为了对实 际砂浆甚至是出现问题的。病态”砂浆进行修复或改善，需要通过模拟不同状态砂 浆，因此它不需要按照标准的要求完成试验。由于砂浆的状态及形成原因干变万 化，因此只能通过典型的类型进行对比试验。因此，对比实验方法成为较为方便 和有说服力的方法。 制备质量差的“病态”水泥砂浆试样的途径有许多，从砂浆的配合比设计入 手，可以提高其水灰比，降低其灰砂比等方法；从水泥砂浆的养护过程来入手， 可以恶化水泥砂浆的养护条件和养护环境，如让砂浆受冻或淋雨等，再有就是干 空养护，即直接让水泥砂浆暴露在大气中养护。考虑到过大地改变水灰比，水泥 砂浆在实验室条件下很难振捣成型，以及试验能够实现模拟现场混凝土施工的养 护条件，因此，实验室通过了以下两种方法来实现制备砂浆试样：( 1 ) 降低灰砂 比，即把灰砂比由原来的1 ：3 降低到1 ：4 甚至1 ：5 ；( 2 ) 改变水泥砂浆的养 护条件，即模拟现场混凝土施工的一般养护条件：砂浆试样先在室温水中养护 3 d 后，接着干空( 暴露在自然空气中) 养护至2 8 d 。 由于拉伸粘结强度测试仪器可以现场测试，该部分砂浆采用现场砂浆，这样 研究更具有实用意义。 2 5 2 砂浆性能的试验方法 水泥砂浆的抗压抗折强度的力学性能试验按照g b t 1 7 6 7 1 1 9 9 9i d ti s o 6 7 9 ：1 9 8 9 水泥胶砂强度检验方法( i s o 法) 中“水泥胶砂抗折抗压强度测试方 法”进行； 水泥砂浆的粘结强度试验按照j g j1 1 0 一9 7 建筑工程饰面砖粘结强度检验 标准进行： 水泥砂浆的耐磨性能的测试按照g b t 1 2 9 8 8 - - 9 1 无机地面材料耐磨性试 验方法进行，具体试验方法和步骤见附录l ； 实验中还采用了a s t mc 3 1 l 关于用于混凝土的矿物外加剂有效碱的检验 方法。 总之，本研究的砂浆试样的配合比设计、制各成型和养护过程都参照 g b ，r 1 7 6 7 l 一1 9 9 9i d ti s o6 7 9 ：1 9 8 9 水泥胶砂强度检验方法( i s o 法) 进行。 北京t 业人学丁学坝l 学位论文 2 5 3 砂浆耐磨性试验方法的表征 测量水泥基材料的耐磨性的方法很多，根据有无摩擦介质大体上可以分为两 种，一种是无摩擦介质的磨耗性测试方法，如滚动盘耐磨性试验方法、抛光轮耐 磨性试验方法以及滚动轴承刷磨性试验方法1 4 0 】；另一种就是有摩擦介质的耐磨性 测试方法，如本试验的水泥砂浆耐磨性测试采用的“无机地面材料耐磨性试验方 法g b t 1 2 9 8 8 9 1 ”其摩擦介质就是采用符合g b l 7 8 规定的标准砂。有介质的 摩擦试验更能够符合实用目的，因为大多数的混凝土砂浆地面的磨耗就是在有 介质摩擦下发生的，如汽车轮胎、人的脚底等与地面都是通过地面的浮尘或小砂 粒等作为摩擦介质来发生摩擦行为的，因此，有介质摩擦的测试方法比无介质摩 擦的测试方法更具有实际意义。 试验按照“无机地面材料耐磨性试验方法g b t 1 2 9 8 8 - - 9 1 ”进行。通过摩擦钢 轮在规定条件和磨料作用下，磨料采用符合g b l 7 8 规定的标准砂，在砂浆试样 表面产生磨坑，测量磨坑的长度以及其对应的磨坑体积来表征砂浆试样的耐磨 性。试验结果以5 块试样的平均磨坑长度或平均磨坑体积进行评定。耐磨性的提 高效果用空白面( 未处理面) 的平均磨坑长度l o 或平均磨坑体积v 。与处理面上 产生的平均磨坑长度f 或平均磨坑体积p 之差的相对百分比来表征，即试样耐磨 性提高百分比来衡量，( 如，) l o 1 0 0 或( v f j _ v ) v d 1 0 0 来表征试样的耐磨性提 高的程度和效果。磨坑体积v 按附录1 公式计算。 2 , 6 本章小结 本章主要阐述了本课题主要研究的基本内容，试验水泥砂浆试样的原材料及 其各性能指标，砂浆试样的基准配合比设计以及制作成型、养护的一般实验过程。 介绍了水泥砂浆各性能测试实验涉及到的试验方法和试验标准，以及本实验所要 用到的主要实验器材和试验设施。重点介绍了水泥砂浆设计的目的和实验用砂浆 试样的来源，以及砂浆磨耗的表征方法的选择及其表征方法。 抬3 章h 0 对水泥水混眇浆耐睹他的蟛何 第3 章h g 对水泥砂浆耐磨眭的影响 唰謦1 生是材料抵抗磨损的能力，同时也是建筑工程中, n - p 路面、楼地丽、楼 梯踏步等处的砂浆混凝必须考虑的性能之- - i ”i 。 耐磨性不| 司于强度。降能，它是材料硬度和物相之间结合力的综合表现。它重 要地表示出一种使用性能，而非力学结构性能。因此，作为结构使用的混凝土一 般很少涉及到耐磨性，但当水泥基材料作为面层材料使用时却是材料基本的和普 遍要求，对它研究的意义也如此。混凝土存浇注过程中由于振捣作用粗集料下 沉，