（材料学专业论文）水泥基修补砂浆的研究.pdf

摘要 目前我国许多水泥混凝土建筑物破损严重，对这些建筑物重建不仅耗资巨 大，而且还将因建筑物的停用造成生产和生活方面的巨大经济损失。因此，对 现有水泥混凝土建筑物的维修非常迫切，水泥基修补砂浆常常被应用在维修之 中。本文通过对不同复合胶凝体系性能的试验研究，确定了胶凝材料的基准配 比，选择合适的干粉砂浆外加剂，配制聚合物改性水泥基修补砂浆。 首先确定了修补砂浆中胶凝材料的配合比。硅酸盐一铝酸盐一无水石膏复合 体系试验表明：在富铝酸盐水泥体系中，硅酸盐水泥掺量所占比例1 0 时，综 合性能最好；在富硅酸盐水泥体系中，铝酸盐水泥所占比例1 0 时，综合性能 最好。硅酸盐一硫铝酸盐一无水石膏复合体系试验表明：在富硫铝酸盐水泥体系 中，普通硅酸盐水泥掺量所占比例1 0 时，综合性能最好；在富硅酸盐水泥体 系中，硫铝酸盐水泥熟料掺量所占比例9 时，综合性能最好。 然后添加不同的矿物掺合料、不同共聚单体的可再分散乳胶粉对修补砂浆 进行改性。结果表明：掺加磨细矿粉的修补砂浆基本性能要优于粉煤灰和基准 砂浆；可再分散乳胶粉的加入使得修补砂浆的粘结强度随着胶粉掺量的增加而 逐渐升高。在同一水平进行比较发现：不同可再分散乳胶粉对修补砂浆粘结强 度影响规律为b a c d 。 最后在修补砂浆中掺入高效减水剂和消泡剂，改变修补砂浆的灰砂比，测 试修补砂浆的基本性能。结果表明：高效减水剂和消泡剂的掺入可以显著提高 修补砂浆的抗压强度和抗折强度；随着灰砂比的提高，修补砂浆的抗压强度、 抗折强度和粘结强度逐渐升高。 利用扫描电镜对可再分散乳胶粉在修补砂浆中微观结构进行了分析，可再 分散乳胶粉的加入，使修补砂浆的结构致密、并以聚合物膜及化学键的形式存 在于修补砂浆中，提高了修补砂浆的粘结强度。 关键词修补砂浆；可再分散乳胶粉；机理 摘要 a bs t r a c t a tp r e s e n t ，m a n yc o n c r e t eb u i l d i n g sw e r ed a m a g e ds e r i o u s l yi nc h i n a t h e r e p a i ro ft h e s eb u i l d i n g sw a sn o to n l yc o s t l yb u ta l s or e s u l t e di nt h eg r e a te c o n o m i c l o s s e sb yr e a s o no ft h eb u i l d i n g sw e r eo u to fp r o d u c t i o na n dl i f e t h e r e f o r e ，t h e r e p a i ro fc o n c r e t eb u i l d i n g sw a su r g e n t r e p a i rm o r t a rw a so f t e nu s e di nt h er e p a i r b a s e do nt h es t u d yt ot h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n ts y s t e m so fc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l s ， t h ep a p e rd e t e r m i n e dt h er a t i oo fc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l s ，t h e nc h o s es u i t a b l e a d d i t i v e so f d r ym i x e dm o r t a r ，c o n f e c t e dt h er e p a i rm o r t a ri nt h ee n d f i r s to fa u ，t h ep a p e rd e t e r m i n e dt h er a t i oo fc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l si nt h er e p a i r m o r t a r t h et e s to fp o r t l a n d a l u m i n a t e a n h y d r o u sg y p s u mc o m p o s i t es y s t e m s h o w e dt h a t ：i nt h er i c ha l u m i n a t ec e m e n ts y s t e m , w h e nt h ep r o p o r t i o no fp o r t l a n d c e m e n tw a s1 0 ，p r o p e r t i e so f t h es y s t e mw e r et h eb e s t i nt h er i c hp o r t l a n dc e m e n t s y s t e m ，w h e nt h ep r o p o r t i o no fa l u m i n a t ec e m e n tw a s10 ，p r o p e r t i e so ft h es y s t e m w e r et h eb e s t t h et e s to fp o r t l a n d s u l p h o a l u m i n a t e a n h y d r o u s g y p s u m c o m p o s i t es y s t e ms h o w e dt h a t ：i nt h er i c hs u l p h o a l u m i n a t ec e m e n ts y s t e m ，w h e nt h e p r o p o r t i o no fp o r t l a n dc e m e n tw a sl 包p r o p e r t i e so ft h es y s t e mw e r et h eb e s t i n t h er i c hp o r t l a n dc e m e n ts y s t e m , w h e nt h ep r o p o r t i o no fs u l p h o a l u m i n a t ec e m e n t c l i n k e rw a s9 ，p r o p e r t i e so ft h es y s t e mw e r et h eb e s t t h e nw ea d d e dm i n e r a la d m i x t u r ea n dr e d i s p e r s i b l ep o w d e ro fd i f f e r e n t c o m o n o m e rt or e p a i rm o r t a r t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h eb a s i cp r o p e r t i e so fr e p a i r m o r t a rw h i c hm i x e dw i t l ls l a gw e r es u p e r i o rt or e p a i rm o r t a rw h i c hm i x e dw i t hf l y a s h w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ea m o u n to fr e d i s p e r s i b l ep o w d e r , t h eb o n ds t r e n g t ho f r e p a i rm o r t a rw a si n c r e a s e d c o m p a r e dt h er e d i s p e r s i b l ep o w d e ra tt h es a m el e v e l ， w ef o u n dt h a t ：t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tr e d i s p e r s i b l ep o w d e ro nb o n ds t r e n g t ho f r e p a i rm o r t a rw e r eb a c d i i i 北京t 业大学工学硕十学位论文 a tl a s t ，w ea d d e dd e f o a m e ra n ds u p e r p l a s t i c i z e rt or e p a i rm o r t a r , c h a n g et h e r a t i oo fs a n da n dl i m e ，t h e nt e s t e dt h eb a s i cp e r f o r m a n c eo f r e p a i rm o r t a r t h er e s u l t s s h o w e dt h a t ：s u p e r p l a s t i c i z e ra n dd e f o a m e rc o u l di m p r o v et h ec o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n df l e x u r a ls t r e n g t ho fr e p a i rm o r t a rs i g n i f i c a n t l y w i t ht h ei n c r e a s eo fc s ，t h e c o m p r e s s i v es t r e n g t h 、f l e x u r a ls t r e n g t ha n db o n ds t r e n g t hw e r ei n c r e a s e dg r a d u a l l y b ym e a n so fs e m ，w ea n a l y z e dt h em i c r o s t r u c t u r eo fr e p a i rm o r t a r r e d i s p e r s i b l ep o w d e rm a d et h es t r u c t u r eo fr e p a i rm o r t a rd e n s ea n de x i s t e di nt h e f o r mo fp o l y m e rm e m b r a n ea n dc h e m i c a lb o n d ，w h i c hi m p r o v e dt h eb o n ds t r e n g t h o f r e p a i rm o r t a r k e y w o r d sr e p a i rm o r t a r ；r e d i s p e r s i b l ep o w d e r ；m e c h a n i i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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做的任何 贡献均已在论文中作了说明并表示了谢意。 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：三阻导师签名：埤日期： 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 水泥混凝土是当代使用量最多的人造结构材料，许多重要的、大型基础设施 都是由水泥混凝土建造的。混凝土建筑物和构件在使用期间受腐蚀而产生破损的 现象屡见不鲜，许多在潮湿环境或工业环境下的混凝土正在呈现出受腐蚀破坏的 迹象。在有色冶金、化学、造纸等工业企业中，2 0 - - 7 0 的混凝土构筑物受到各 种腐蚀性介质的作用而引起结构材料腐蚀。受腐蚀构筑物的重建是耗资巨大的工 程，它不但要耗用大量的资金，而且还将因建筑物的停用造成生产或生活方面的 巨大经济损失。据美国的调查与分析表明：美国的混凝土基础设施工程总价值 约为6 万亿美元，每年所需的维修费或重建费约为3 千亿美元啪。美国5 0 万座 桥梁中，2 0 万座已有损坏，平均每年有1 5 0 - - - 2 0 0 座桥梁部分或完全坍塌，有的 甚至是寿命不足2 0 年，修复这些桥梁需9 0 0 亿美元。美国共建有混凝土水坝3 0 0 0 座，平均寿命5 0 年，其中3 2 的水坝年久佚修。澳大利亚仅悉尼1 9 9 3 1 9 9 4 年 度的维修费用就超过3 0 0 万澳元，尤其是在道桥方面，这一现象更是明显口1 。在 德国，结构混凝土建筑总费用的2 0 花费在现有建筑物的修理和维护上h 1 。目前， 我国的基础设施建设工作，规模更为宏大，每年投资高达2 万亿元人民币以上。 对受腐蚀混凝土进行局部修补不仅可以事半功倍，还不影响建筑物的正常使用， 因此在世界范围对混凝土材料及混凝土修补技术的研究已日益为人们所重视。 然而，建筑物受损不仅仅是某一单一的原因造成，它与许多因素有关。从设 计到材料选用、施工质量以及竣工后的使用状况、外部环境等都与建筑受损存在 密切的关系，它是一个由量变积累到质变的发展过程。不管是材料体系内部所形 成的环境还是外部环境的作用，材料的性能都起着关键作用。 波特兰水泥混凝土作为建筑材料迄今已有1 8 0 多年的历史，因为混凝土与 其他材料相比的诸多优点，到目前为止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。然而由于上述的一些原因也出现了诸多病害，主要是环 境作用引起的耐久性降低。如在2 0 世纪8 0 年代和9 0 年代英国兴起的一项工 业就是对受损钢筋混凝土结构的修补，它主要是钢筋锈蚀所引起晦3 。自1 9 8 1 年 以来，日本已将盐对钢筋混凝土结构的损坏提到议事日程。1 9 8 2 1 9 8 4 年间政 府部门和协作单位在全国范围内对盐的损坏进行了调查，并对此采取了各种各样 的方法隅】。此外还有变形、渗透、碳化等引起的抗力下降、耐久性降低等。 普通混凝土设计使用年限仅5 0 年，而由于耐久性降低许多建筑甚至在5 0 年内就已出现不同程度的破坏。即使是高性能混凝土也存在这些问题，随着混凝 北京工q 2 大学t 学硕1 ：学位论文 土抗压强度的提高其脆性、收缩也不断增加，由此弓l 起开裂的危险性也增大。可 见，耐久性问题仍是导致混凝土工程劣化的重要原因。修补材料的性能及其选择 对修复的成功与否起着决定性的作用。 1 。2 修补材料的分类 从当前国内外的研究情况看，已经研制成功并投入市场的修补材料已越来越 多，归纳起来主要有：无机类、有机类、有机改性类等。 总的来说，为了解决日益复杂的原因所引起混凝土工程的各类病害，修补材 料的性能也必须不断改善。从其发展趋势来看，修补材料已从单一的水泥、砂、 石成分逐渐过渡到多种外加荆、增强材的多相复合材料，并且根据修补类型的不 同出现了特种修补材料，以适应实际工程中对修补材料越来越高的要求。 目前，国内外所用的主要修补材料可概括如下： 无桃类 普通硅酸盐水泥修补砂浆：由普通硅酸盐水泥、砂子、水组成。水泥与砂子 的比例为1 ：2 1 ：4 。主要用于混凝土表面不太严重的损坏的修补。但随着混 凝土质量的不断提高以及损坏原因的胬益复杂，这种材料已难以满足要求更高的 工程修补。一方面水被蒸发或是周围混凝土所吸收，使水化不充分；另一方面， 其抗压强度的发展要快于与基材界面的粘结强度，造成高质量修补的假象。水泥 砂浆干硬后，粘结强度的发展也趋于停止，常导致修补材料的脱落弼。 特种水泥：通常以硫铝酸钙为主，添加了石膏或普逶波特兰水泥以铁铝酸钙 为主的第三系列水泥、磷酸镁水泥、地质聚合物水泥、氟铝酸盐等，也被用于特 种功能及修补材料。它们的快凝和早强多归结于钙矾石的快速形成溯。这类水泥 与水、集料、外加剂组分按一定比例混合搅拌后其有快硬、早强的特点，适合于 修李 各类建筑或抢修。它们水化凝结机理、施工性能、力学性能及耐久性等差异 较大，有待进一步研究。 硅灰早强混凝土修补材：我国南京水利科学研究院1 9 8 5 年研制成功的超早 强硅灰混凝土是一种可用常规方法施王、并具有超早强、耐塞性好、成本较低的 新型抢修材料。近年来已在公路、机场跑道、水利水电等多个领域成功应用，大 大避免了重建的经济损失嘲。硅灰混凝土是在普通混凝土中掺入约5 1 5 水泥 组分的硅灰，由于硅灰其有较高的活性，能与水泥水化产生的氢氧化钙发生二次 火山灰反应并生成水化硅酸钙凝胶，促进了藤期强度的增长。同时硅灰颗粒细小， 比表面积大，掺入后使混凝土更加密实，因此硅灰混凝土具有很高的强度、耐冲 蚀性、耐磨性。但是正因为硅灰颗粒过于细小，掺入后拌合物需水量较大，因此 应该注意此类混凝的收缩变形。 无机类修补材料与混凝土工程有较好的性能相容性和耐久性。常用于一般工 第1 辛绪论 程修补。但修补材料与基材之间的界面过渡区是薄弱相。若不能保证过渡区足够 的强度即修补材料的粘结强度及耐久性，修补材料若在荷载作用下发生应力集中 或环境作用下劣化，势必导致其脱落，修补失效。近年来，为了改善无机类修补 材料的粘结强度，出现了有机与无机类的复合修补材料。 有机类和有机改性类 聚合物或聚合物改性砂浆或混凝土：这两类材料是2 0 世纪5 0 年代开始出现 的，美国混凝土材料协会( a c i ) 5 4 对混凝土用聚合物作出了规定，并于1 9 7 5 年 在伦敦举行了第一届关于混凝土用聚合物的国际会议( i c p i c ) ，a c i 和i c p i c 使 得混凝土一聚合物材料成为了家喻户晓的名称。但当时对于这两类材料的使用还 很受限制。直到近3 0 年才受到了普遍的关注。 聚合物混凝土( p c ) 是早在1 9 5 8 年美国用于生产建筑覆层。它主要是由聚合 物和一些集料组成而不包括波特兰水泥和水。使用最广泛的单体或树脂是聚苯乙 烯、丙烯酸酯和环氧树脂，但乙烯基树脂、呋喃、聚氨酯也常被使用。当用于高 抗硫酸盐腐蚀时还使用硫磺。p c 优异的性能如：能快速养护、与混凝土良好的 粘结性和好的耐久性等，使它可以用于不到l o m m 的薄层修复。但由于掺入了较 大量的聚合物而使其与基材的相容性较差，如热膨胀系数和弹性模量都与基材相 差较大，在发生热变形时会在界面过渡区产生高的剪力和拉力而引起修补材料的 脱落，同时材料在环境作用下易于老化，降低了耐久性能n 帕。此外，由于聚合物 掺量相对较大成本较高，普通工程难于接受，使用受到限制。 聚合物改性混凝土( p m c ) 自2 0 世纪5 0 年代开始使用，它由波特兰水泥和改 性聚合物组成。我国目前已开发的p m c 用聚合物品种有：丙烯酸酯共聚乳液、聚 氯丁二烯橡胶、聚苯乙烯丁二烯橡胶、氯乙烯片氯乙烯共聚乳液、b j 乳液、b h c 乳液、苯丙乳液等嘲。所用聚合物占水泥胶结材的1 0 2 0 9 6 n 帕。少量聚合物的添 加可以给水泥基材料带来明显的性能改善，如增加与基材的粘结强度、增加材料 的抗渗透性、防水性等。与p c 相比，p m c 中聚合物的掺量小得多，这样对修补 材料带来的负面影响相对较小，而且成本较p c 为低。 预填集料混凝土：它是美国工程师在1 9 3 7 年修复加里福尼亚州的圣菲 ( s a n t af e ) 铁路隧道工程期间想出来的n 。作为一种性能优越的修补材料，它已 逐渐得到广泛应用。该法是先将洗净的粗集料进行压实，然后再将水泥净浆注入 到压实的集料间的空隙中。水泥浆在注入集料间空隙的同时可排挤出集料间的气 体或水，形成高密实的混凝土。由于集料本身已经压实，颗粒间接触紧密，因此 混凝土很少出现干缩或其他体积变化。对于水工工程的修补和大体积混凝土工程 修补很方便。但是从配比设计到现场施工都应有严格的技术规范，并由熟练的技 工操作忉。 环氧树脂类修补材料：主要有环氧树脂粘结砂浆、环氧树脂粘结替代混凝土、 环氧树脂粘结干填充料等。这类材料早期的力学性能有所降低但对长期强度没有 北京t 业大学t 学硕 ：学位论文 太大影响，并且与基材有较高的粘结强度，抗渗能力较好。但是由于添加了环氧 树脂而使其热工性能和基材混凝土有较大的差异，如热膨胀系数。若周围环境温 度变化较大，修补材料的变形与基材不一致就会导致其与基材分离进而脱落；此 外，可能由于环氧树脂的加入使修补材料的电势与基材的电势不同，反而有加速 钢筋锈蚀的危险。因此，不得用于由于钢筋锈蚀而引起的修补口3 。 其他树脂类修补材料：由混凝土的开裂和剥落引起的渗漏、裂缝是混凝土常 见的病害之一。可以采用注入树脂的修补方法。要求这种材料要有与基材较好的 粘结性、凝固较快、能使结构在修补后恢复其原有的结构强度。对用于微裂缝的 树脂还要有较好的渗透性，能够填充到裂缝的根部。常用的材料有环氧树脂、聚 氨基甲酸酯树脂等。前者由于凝固不是很快只能用于几毫米以下灌缝：后者修补 裂缝的宽度不受限制口1 。 密封类混合料修补材料；此类材料可用于防止外部环境带来的有害影响，如： 冻融循环、碳化、硫酸盐侵蚀、氯离子侵蚀等多种破坏作用。常用材料有：甲基 丙烯酸密封混合料、烷基一烷氧基硅氧烷粘结混合料等。前者应与引发剂、促进 剂共同掺入，其掺量分别约为5 和2 1 。经后者处理的混凝土有较好的抗渗性， 可以有效防止水的渗透。当用这种材料修补时，经液体载体蒸发固体沉积就可以 得到修补效果。但这类材料多为有机类，不宜用于多变的外部环境中。 有机物的掺入改善了修补材料的诸多性能，如抗渗性、密实性、拌合物和易 性、耐化学腐蚀性等。提高了材料的粘结强度、抗拉强度。但是带来的问题是材 料的老化、变形不一致性、有毒性等。如何解决这些问题是使有机、无机类材料 更好复合的瓶颈。 1 3 修补材料存在的问题 目前，修补材料在保证自身性能的前提下，也越来越重视与基材性能的相容 性。 以往常采用普通混凝土或砂浆作为修补材料，它们均属无机类，粘结强度 低，易造成界面粘结不牢开裂而导致混凝土再度损坏等质量问题n 羽。近年来民用 建筑中己很少使用，一般仅用于水上坝体的大体积混凝土修补。 针对粘结强度低的问题，目前出现了越来越多以有机类为主的修补材料。 如常用的环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸等。它们可以较好的分散于混合体系中，也 可以整体或部分取代水；此外还可以起到减水增塑的作用来赋予拌合物良好的工 作性n 3 1 。虽然有机高分子材料的使用显著提高了修补材料与基材的粘结性，但同 时也出现了一系列问题。以最具代表性的环氧树脂为例，它的性能与基材的物理 性能都相差较大，如弹性模量、热膨胀系数等。这些差异使得修补材料在高温或 外力作用下的变形与基材不一致而导致脱落或者使粘结过渡区成为最易受蚀部 第1 蕈绪论 位。 鉴于单一无机类和有机类修补材料的性能特点，现在更多地是将无机与有 机结合。这既使得修补材料有较高的粘结强度，又因为有机成分所占比重相对较 小，因而保留了修补材料与基材性能的相容性。 1 4 修补砂浆及其研究现状 聚合物改性水泥基修补砂浆属于有机改性类修补材料，具有较高的粘结强 度，由于无机成分较多，与基材相容性较好，因此修补砂浆越来越多的应用于混 凝土建筑物的修补中。修补砂浆是由水泥、筛选石料、优质填料及合成聚合物配 制而成，它能保证砂浆的早期强度及其它修补所需的重要性能，适用于修补因钢 筋锈蚀导致的混凝土剥落，并可修补结构性及一般混凝土组件的缺陷，如蜂窝洞 及水泥浆流失等问题n 钔。 修补砂浆有的只是出于美观原因，对不含有钢筋，并且没有承载作用的混凝 土的装饰性修补。也有目的是为了维持和重新建立其结构稳定性和功能的，对损 坏的承载钢筋混凝土结构进行的修补。修补砂浆属于混凝土修复系统的一部分， 应用于如路桥、停车场、隧道等的修补和复原。 为了保证结构混凝土的修补可靠并且耐久，混凝土修复系统必须恢复钢筋的 ，防腐保护( 碱性环境) 、装修混凝土结构的外表、恢复其承载功能并恢复保护性 能，从而恢复整个建筑的耐久性，保护建筑物抵抗由于c 倪、s 0 2 、c 1 。、防冻等造 成的风化和环境破坏。 对于混凝土建筑物和构件的修复，主要使用三种类型的砂浆：水泥基混凝土 砂浆、作为预包装干粉砂浆的聚合物改性水泥砂浆以及环氧树脂水泥砂浆。 其中，树脂砂浆属于憎水性材料，另两类属亲水性材料。表卜1 为英国市场上 的三大类九个体系的修补材料。 表1 - 1 英国市场上常用的修补材料【l 习 树脂基材料聚合物改性水泥基材料水泥基材料 树脂砂浆是全部以聚合物代替水泥作胶结材料，与骨料结合而成为聚合物砂 浆。这种材料的研究始于5 0 年代。美国、英国、日本、前苏联都开展了一些工 作，取得了显著进展。环氧材料中不能混入水，否则，树脂砂浆的性能将大大下降。 改善的办法有两种：一是选择水下固化剂；二是在环氧中加入改性材料。 y a m a g u c h i m n 6 1 介绍了以m a 水下环氧树脂固化剂制备环氧砂浆的情况。这种砂浆 北京t 业大学下学硕二 ：学位论文 在水中的3 l 天粘结强度可达2 。9 9 m p a 。国内常用的方法是在树脂砂浆中加入煤 焦油或生石灰，也有人用无水乙醇作为环氧树脂的稀释剂，配制潮湿状态下的修 复材料。由于环氧砂浆弹性模量低、收缩变形大、温度敏感性大，如果施工条 件差，不易达到修补的翟的。这方褥成功和失败的例子都有。英翟的h u m b e r o u k 和c o l e b r a n d 曾成功修补了b r e n tb r a v o 油井砼平台的支柱的破坏。丽国内用的 最早、规模最大的是6 0 年代的新安江电站溢流厂房顶环氧砂浆涂层，由于受多种 不剥因素的影响，1 9 8 1 年重新调查时，多处出现了龟裂、空鼓现象稚鞭。 聚合物改性砂浆是在水泥砂浆组成中加入了聚合物，以水泥砂浆和聚合物为 胶结材料，并和骨料结合而成的砂浆。国内外用于水泥砂浆改性的聚合物基本上 分为三种类型：即以丁苯乳胶( s b r ) 、聚醋酸乙烯脂( p v a c ) 为代表的聚合物乳液； 以聚乙烯醇、糖醇为代表的水溶性聚合物和以不饱和聚酯树脂、环氧树脂为代表 的液体树脂。我国目前常用的有p a e ( 丙乳) 砂浆、p v d c ( 聚乙烯乙酸酯改性水泥) 砂浆、s b r ( 丁苯胶乳) 砂浆等。中国矿业大学建工学院研制的复合改性材料 h p s r m - 1 ，具有高强度、高粘结性、高耐久性、低收缩与良好的施工性能班鞋。在 s b r 改性砂浆路面中，因为气温过高，材料会释放有毒气体。所以，丁苯橡胶的饱 和度不宜太大，否则，在热带气候条件下应限制使用伽。 水泥改性砂浆( c e m e n t i t i o u sm o t a r ) 是在普通水泥砂浆中加入无机改性材 料薅得到的修复材料。由于施工简单、价格低廉、适用性较广，是目前常用的修 复材料之一。国内较好的是南京水利科学研究院开发的n f s 砂浆聆u 。但大多数水 泥改性砂浆的粘结强度低、收缩变形大，常常在修复后不久就出现了裂缝。 对予混凝建筑物和构件来说，传统的修享扣方法是用环氧挺脂砂浆或楗脂混 凝士对受腐蚀的混凝土进行修复，这种修补材料可以在混凝土界颟提供足够的粘 结力并可以防止旧混凝士迸一步受腐蚀；其不足在于树脂砂浆或混凝土的造价太 高，较大面积的修孝 或菲极为重要的建筑物一般难以承受。而聚合物改性水泥砂 浆是以水泥为主要胶结料，掺加一定量聚合物及其他外加剂改善其性能的薪型复 合材料，就有粘结力强、抗渗耐腐蚀等优点，是普通水泥材料所无法比拟的。目 前聚合物改性的水泥砂浆或混凝土因其具有独特的性能和相对较低的造价已逐 步取代传统的性熊的树脂砂浆或混凝土，成为主要的混凝土修补材料。例如丁苯 胶乳改性的水泥混凝土已成为美国和加拿大修复桥梁用的标准建筑材料，日本也 广泛应用聚合物水泥复合材料对混凝土进行修补。在此基础上，水泥修补砂 浆及相关的干拌砂浆生产技术在美国、瑞士和澳大剩亚等国家已成为方兴未艾的 新技术产业。 近几年来，国内的一些高校和科研结构也对混凝土修补材料及修补技术进行 了研究，有的科研成果已在一定范围得到应用。交通部0 2 5 课题组推荐了两种修 补裂缝材料碑射，其一是聚氨酯灌缝料：由两组分构成，焘组分为多元醇和二异氰 酸酯；b 组分为固化剂，按a ：b = 1 0 0 ：2 7 配制，其抗折强度达6 5 m p a 。西安公 第1 章绪论 路交通大学( 陈忠达、张登良) 配制出z c 型超早强剂汹1 ，用于水泥混凝土路面修 补。其1 2 小时抗折强度达到3 8 m p a ，抗压强度为2 0 4 m p a ，一天粘结抗折强度 为3 1 8 m p a ，三天粘结抗折强度为3 6 5 m p a ，2 8 天抗折弹性模量为3 2 4 0 0 m p a 。江 苏建筑研究院开发的j k 2 4 型修补材料晗劓，其用量为5 2 5 # 水泥重的1 6 ，配制的 快硬混凝土，其2 d 和2 8 d 抗折强度分别为4 o m p a 和5 4 m p a ，相应龄期的抗压 强度分别为2 7 6 m p a 和4 7 5 m p a ，粘结抗剪强度为2 8 8 m p a 。中南大学铁道学院 开发的高性能快速修补混凝土，2 4 h 抗压强度2 3 m p a ，2 4 h 抗折强度 3 5 m p a ，2 8 d 抗压强度5 0 m p a ，2 8 d 抗折强度6 o m p a ，低收缩、具有优异的耐久性等。湖南 大学研究开发的道路混凝土快速修补剂的混凝土乜副，2 4 h 抗压强度2 4 9 m p a ，2 4 h 抗折强度3 8 8 m p a ，早期表现为微膨胀，抗裂性( 尤其是早期的抗裂性) 要明显 优于普通混凝土，耐磨性好。但是，目前国内对修补材料的研究主要集中在传统 的环氧树脂砂浆或树脂混凝土上，对预包装干粉砂浆的聚合物改性水泥修补砂浆 的研究相对不足，因此，研究开发此类修补砂浆显得十分必要。 1 5 修补砂浆的主要性能指标 对于水泥基修补砂浆来说，其主要性能指标有以下几个方面： ( 1 ) 修补砂浆的抗压强度、抗折强度 对于混凝土建筑物和构件的修复来说，修补砂浆的抗压强度和抗折强度是最 基本的性能指标，它决定了混凝土建筑物和构件修补的质量。较高的抗压强度、 良好的抗折强度是修补砂浆必不可少的性能。水泥基体的空隙率是影响其抗压强 度和抗折强度的关键因素，而孔隙率的大小又是由水灰比和含气量决定的。同时， 聚合物的添加量也会影响抗压强度和抗折强度( 使水灰比或含气量降低) 。 ( 2 ) 修补砂浆的粘结强度 新老混凝土的粘结过程是一个复杂的物理、化学过程。粘结力的产生，不仅 取决于新材料和被粘物表面的结构与状态，而且和粘接过程的工艺条件密切相 关。新老材料的粘结强度是判断修补材料性能优劣的一个关键指标，它比自身强 度更重要，如果粘结强度低，材料的抗压、抗折强度再高也不能充分发挥作用。 新旧混凝土界面结构类似于普通水泥混凝土过渡区的结构，即使不考虑收缩 对强度的影响，界面强度也低于修补材料的本身的强度。在修补过程中，旧混凝 土开挖时，在旧混凝土的开挖面上形成一层强度受损薄弱层，也直接影响新旧混 凝土界面的粘结强度。所以，修补材料的粘结强度是一项非常重要的指标。 同济大学王培铭教授的研究结果表明：聚合物改性水泥砂浆的粘结强度受到 养护条件、聚合物干粉种类、聚合物干粉掺量以及聚合物干粉单掺复掺方法等因 素的影响旧引。 j 匕京工业大学一掌硬土学位论文 ( 3 ) 修补砂浆的干缩性缝 由于被修补的混凝土已经硬化，而修补砂浆在硬化过程中会产生收缩，当这 种收缩受基体的约束作用时，砂浆内部就会产生裂纹。所以在一般情况下，砂浆 的收缩性将决定其是否会产生开裂，从而导致粘结失效。因此，对于修补材料， 其收缩性能是一项重要指标。 砂浆的干缩率与其内部的孔结构有关，主要受到聚合物的种类和掺量、掺合 料的种类和掺量、水灰比等因素的影响嘲。 修补砂浆的主要性能指标还有莲折比、弹性模量、抗氯离子渗透、抗冻性能 等。 1 6 研究意义 自1 8 3 0 年混凝土问世至今已有1 7 0 余年了，许多重要的、大型基础设施都 是由水泥混凝土建造的。随着时间的推移，这些基础设施有的由于所处的自然环 境条件比较恶劣，比如昼夜温差变化大、季节干湿交化大、海浪冲刷猛、盐碱腐 蚀严重等；有的由于使用条件改变，比如重载和超载车辆频繁碾压、车流量猛增 等；以及有些地段交通事故经常发生等造成水泥混凝土建设的基础设施尤其是高 速公路损坏严重。由于我国水泥混凝土基础设施的建设投资规模宏大，可以预测 维修费熙相当高，对修补材料的需求也非常大。冒前，己经有学者提出混凝土工 程超耐久性的概念，也就是凡大中型永久工程的使用年限均应提高到5 0 0 年以 上，重要的工程应在1 0 0 0 年以上，特别重要的巨型工程应在2 0 0 0 年以上。但这 不能解决现有的混凝土工程的使用寿命河题。我们也不可能全部抛弃现有的用混 凝材料建成的人类文明和标志建筑。因此，对现有混凝土工程的维修是非常重 要的，尤其是对象大坝、道路等大体积混凝土工程维护也是迫切的。水泥基修补 材料较传统的修补材料( 树脂砂浆、混凝土) 的造价可大幅度降低，所以该修补 材料就更适合予我国的困情；因此在国内急需研究开发水泥修补砂浆，相应的干 拌砂浆技术的产业化和产品的市场化也必将为国内建筑修补业上档次、上水平起 到积极的推动作用。 1 7 主要研究内容 根据我国嚣前混凝土建筑物和构件的实际情况，针对混凝土结构在使用期内 腐蚀、退化所伴随的保护层的污染、开裂和剥落等问题，本文将系统研究水泥基 修补砂浆性能的影响因素，结合性能达标要求以及节能利废的原则，合理选用原 材料，通过试验研究开发聚合物改性水泥基修补砂浆。由此，本文的主要研究内 容如下： 第1 章绪论 ( 1 ) 硅酸盐一铝酸盐一无水石膏复合体系的试验研究 通过对铝酸盐一无水石膏复合体系的凝结时间、抗压强度、抗折强度和体积 稳定性的测定，确定无水石膏的最佳掺量。以此最佳掺量为基准，改变硅酸盐水 泥和铝酸盐水泥的比例，研究复合体系的凝结时间、抗压强度、抗折强度和体积 稳定性，提出硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、无水石膏的最佳配比。 ( 2 ) 硅酸盐一硫铝酸盐一无水石膏复合体系的试验研究 通过对硫铝酸盐一无水石膏复合体系的凝结时间、抗压强度、抗折强度和体 积稳定性的测定，确定无水石膏的最佳掺量。以此最佳掺量为基准，改变硅酸盐 水泥和硫铝酸盐水泥熟料的比例，研究复合体系的凝结时间、抗压强度、抗折强 度和体积稳定性，提出硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥熟料、无水石膏的最佳配比。 ( 3 ) 矿物掺合料对修补砂浆性能的影响 研究磨细矿粉和粉煤灰对修补砂浆工作性、抗压强度和抗折强度的影响，确 定修补砂浆中矿物掺合料的种类和掺量。 ( 4 ) 可再分散乳胶粉对修补砂浆性能的影响 研究不同种类、不同掺量的可再分散乳胶粉对修补砂浆抗压强度、抗折强度、 粘结强度的影响，确定修补砂浆中可再分散乳胶粉的种类和最佳掺量。 ( 5 ) 不同灰砂比对修补砂浆性能的影响 研究不同灰砂比对修补砂浆抗压强度、抗折强度和粘结强度的影响，确定最 佳灰砂比。 ( 6 ) 可再分散乳胶粉对修补砂浆影响的机理研究 利用扫描电镜对可再分散乳胶粉在修补砂浆中的微观结构进行分析。 第2 章原材料与试验方法 2 1 试验原材料 第2 章原材料与试验方法 水泥基材料是多元复合材料，其性能受多种因素影响，其中原材料的基本性 能是重要影响因素之一。本论文试验过程中采用的原材料主要有以下几种。 2 1 1 水泥 作为胶凝材料，水泥是修补砂浆中重要的组成成分，起着粘结剂的作用。与 传统的混合砂浆相比，用于修补砂浆中的水泥对质量要求更高且更为严格，尤其 强调水泥质量的稳定性。本试验所用水泥为市售4 2 5 普通硅酸盐水泥和铝酸盐 水泥，硫铝酸盐水泥熟料由某水泥公司提供。各原材料的化学成分及物理性能如 表2 - 1 和表2 - 2 所示： 表2 - 1 水泥的化学成分 t a b l e2 1t h ec h e m i c a lc o m p o n e n to fc e m e n t p c a c c s a 5 4 0 7 1 0 1 0 2 0 8 7 0 7 8 0 1 2 4 0 2 7 2 0 4 9 o o 7 4 2 0 5 1 8 0 6 3 3 0 7 7 6 0 2 1 2 砂 石英砂具有很高的硬度和优良的界面性能，在修补砂浆中充当主要集料的功 能。其粒径范围宜控制在1 5 0 6 0 0 i im 之间，平均粒径为2 5 0l jm ，其矿物成分 中s i o ：的含量不低于9 9 。 本试验使用市售石英砂，有4 0 - - - 一7 0 目砂和7 0 1 4 0 目砂两种，s i0 2 的含量 均大于9 9 ，其细度模数为1 8 ，表2 - 3 、表2 4 是分别对两种砂的筛分分析。 表2 - 34 0 7 0 目砂的筛分析 t a b l e2 - 3s c r e e n i n go f4 0 7 0m e s h s a n d 北京工业人学工学硕十学位论文 表2 - 47 0 1 4 0 目砂的筛分析 t a b l e2 - 4s c r e e n i n go f7 0 1 4 0m e s h s a n d 2 1 3 拌合水 试验用拌合水为自来水。 2 1 4 无水石膏 石膏与石灰、水泥并列为无机胶凝材料中的三大支柱。目前广泛应用的石膏 主要有天然二水石膏、天然硬石膏和工业副产石膏三种。天然硬石膏主要由无水 硫酸钙组成，又名无水石膏。本试验采用市售无水石膏，无水石膏的化学成分如 表2 - 5 所示： 表2 - 5 无水石膏的化学成分 t a b l e2 - 5t h ec h e m i c a lc o m p o n e n to fa n h y d r o u sg y p s u m 曼箜坐璺! 生坚竖q垒! ! 坠! ! 垒蔓! q墨! q! i 垒呈! 垒曼皇! q 9 0 5 43 4 o 8 9o 2 7m2 50 2 2o ( ) 3 2q 0 l lo 0 0 3 2 1 5 掺合料 1 ) 粉煤灰 掺加粉煤灰相对降低了体系中c 3 a 的含量，粉煤灰的二次水化有密实作用， 另外粉煤灰等吸收部分c a ( o h ) ：的二次水化反应导致硬化水泥石孔液中石灰浓度 降低，这样会使高盐基的水化铝酸钙水解成为极限石灰浓度较低的低盐基水化铝 酸钙，从而消除或减少了高硫型水化硫铝酸钙( 钙矾石) 形成的可能性，而更易 形成低硫型水化硫铝酸钙。水泥中掺入粉煤灰也起到了废物利用，降低成本的作 用。本试验所用的粉煤灰为市售二级粉煤灰，化学成分如表2 - 6 所示： 表2 - 6 粉煤灰的化学成分 t a b l e2 - 6t h ec h e m i c a lc o m p o n e n to ff l ya s h 烧失量 s i 如 m g oa 1 她 f e 2 0 3c a os 倪k 2 0n a z 0 2 5 l3 8 6 61 5 61 6 1 91 0 8 l2 3 8 42 4 70 9 51 4 4 2 ) 矿粉 矿渣微粉的主要化学成分是：s i 0 2 、a 1 5 0 3 、c a o ，它们具有超高活性，掺入 到水泥或砂浆中，在水泥水化产生的碱性物质c a ( o h ) 。等的激发下，发生化学反 应，使玻璃体结构解离，其中的c a 2 + 、a 1 3 + 、s i 0 4 4 + 、a 1 仉5 一等重新排列，形成低碱 度的水化产物，如水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙等水化产物，大幅度 提高混凝土的致密度，同时能将强度较低的晶体转化为水化硅酸钙凝胶，提高了 篇2 牵原材料与试验方法 暑曼詈黑皇璺皇璺嬲笪曼曼曼黑鼍曼曼ii_一一一 i i ii 嬲曼蔓曼囊鼍曼皇鼍黑鼍! 曼璺嬲皇晕量 水泥和混凝土的强度，显著改善了水泥和混凝土的性能。本试验所用的矿粉为市 售磨细矿粉，化学成分如表2 7 所示： 表2 - 7 矿粉的化学成分 t a b l e2 - 7t h ec h e m i c a lc o m p o n e n to fs l a g 烧失量s i q m g o a 1 2 0 ，f e 2 0 a c a o s 0 3 o 。2 33 1 3 8 9 3 41 3 5 52 5 l3 6 。9 00 0 6 2 1 6 可再分散乳胶粉 本试验选用以下四种不同共聚单体的可再分散乳胶粉： 1 ) 聚丙烯酸酯乳胶粉a ：最低成膜温度0 度，柔性很好。 2 ) 醋酸乙烯乙烯共聚胶粉b ：最低成膜温度0 度，柔性一般，玻璃化转变 温度一7 度，推荐掺量1 6 。 3 ) 醋酸乙烯一乙烯一氯乙烯共聚胶粉c ：最低成膜温度q 度，玻璃化转变温 度王度，憎水，推荐掺量l 麟。 4 ) 醋酸乙烯一叔碳酸乙烯酯共聚胶粉d ：最低成膜温度5 度，。憎水，柔性一 般。 2 7 纤维素醚 本试验采用市售羟乙基甲基纤维素醚，平均黏度1 5 0 0 0 。 2 1 8 减水剂 高效减水剂是一类高分子表面活性剂，多数是阴离子型表面活性剂，但是并 不是所有的表面活性剂都可以用作砂浆的高效减水剂。常用的高效减水剂按化学 成分可以分成如下凡类：萘( 芳香族) 磺酸盐甲醛缩合物；三聚氰胺( 密胺树脂) 系高效减水剂；氨基磺酸盐高效减水剂；聚羧酸系高效减水剂。 本试验主要采用萘系高效减水剂。 2 1 9 消泡剂 本试验采用某公司生产的粉末消泡剂，是一种非离子表面活性剂。合理的消 泡措施对聚合物水泥砂浆混凝土是非常重要的，但更为重要的是掌握和弄清起泡 的原因。一些乳液聚合已发展到无需加消泡剂的乳液聚合物，在水泥砂浆混凝土 中应用也获得了缀高的强度，这其实与乳化荆有关。其实起泡的难易和消泡的难 易是不