（材料学专业论文）聚合物改性硫铝酸盐水泥修补砂浆的研究.pdf

中文摘要 混凝土建筑有效使用寿命的缩短已成为全球建筑业面临的主要问题 在温 和的环境下 钢筋锈蚀是导致的混凝土破坏的主要原因 然而在干旱炎热地区 混凝土骨料品位低下 环境因素和施工方法不当等因素是导致混凝土破坏的常 见原因 用于维护和修补过早损坏的建筑的费用已相当惊人 修补和翻新破坏的建筑 不仅是为了延长它的使用寿命 而且要确保与其 相伴部分的安全性和可用性 一个好的修补应该改善结构的功能和性能 增加 结构的强度和刚性 强化混凝土面层已达到防水和阻止a 0 2 和c t h 渗透到钢 筋 并最终改善整个结构的耐久性 在一些需要长期养护的情况下 聚合物改 性水泥修补材料常常和水泥砂浆一起被应用在混凝土修补中 本文中用乙酸乙烯 乙烯共聚乳液 垣乳液 和丁二烯一苯乙烯胶乳 s b r 胶乳 对快硬硫铝酸盐水泥进行改性 发挥快硬硫铝酸盐水泥快硬 微 膨胀 抗冻性 耐海水侵蚀等特点来制备修补砂浆 以修补材料和基体混凝土 的相容性为主要评价指标之一 建立修补材料的评价体系 评价标准主要有以 下四个方面 1 修补材料和基体混凝土相容性 主要包括体积相容性 渗透性 化学相容性 电化学相容性 2 修补材料的力学性能 3 修补材料的耐侵蚀 性能 4 修补材料的抗裂性能 通过以上四个标准制定试验方案 得到如下结 论 1 s b r 乳液改性砂浆与混凝土基体相容性要优于v a e 乳液改性砂浆 其中 聚灰比p c 为1 6 时 s b r 乳液改性砂浆与混凝土相容性最好 2 s b r 和v a e 两种乳液对砂浆的抗压强度和抗折强度没有改善 反而对砂 浆的抗压强度和抗折强度有所降低 v a e 乳液对砂浆抗压强度和抗折强度降低 的幅度要大于s b r 乳液 s b r 乳液改性砂浆在聚灰比p c 在大于1 6 以后才能 达到未加聚合物乳液的空白样抗压强度和抗折强度9 0 以上 3 s b r 乳液和v a e 乳液两种乳液对对硫铝酸盐水泥砂浆抗侵蚀性能的影响 与聚合物的引入量有关 4 s b r 乳液改性砂浆在聚灰比p c 为1 6 时对砂浆的抗裂性能有所提高 但提高幅度不如1 9 m m 的聚丙烯抗裂纤维 1 9 m m 的聚丙烯抗裂纤维的引入可提 高聚合物乳液改性修补砂浆的抗裂性能 关键词 聚合物改性砂浆 面修补材料 相容性 丁苯胶乳 v a e 乳液 a b s t r a c t r e d u c t i o ni nt h eu s e f u ls e r v i c e l i f eo fr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o n s t r u c t i o ni sam a j o r p r o b l e mc o n f r o n t i n gt h ec o n s t r u c t i o ni n d u s t r yw o r l d w i d e c o n c r e t ed e t e r i o r a t i o n d u et or e i n f o r c e m e n tc o r r o s i o ni se v i d e n ti nt h em i l dc l i m a t i cc o n d i t i o n so ft h ew o r l d w h i l ei nt h eh o ta n da r i dr e g i o n st h i sp r o b l e mi sc a u s e dd u et oac o m b i n a t i o no f e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s m a r g i n a la g g r e g a t e sa n di n a p p r o p r i a t ec o n s t r u c t i o n m e t h o d s c o n s i d e r a b l er e s o u r c e sa r ee x p e n d e dt or e p a i ra n dr e h a b i l i t a t et h e d e t e r i o r a t e dc o l l c r e t es t r u c t u r e s r e p a i ra n dr e h a b i l i t a t i o no fd e t e r i o r a t e dc o n c r e t es t r u c t u r e sa r ee s s e n t i a ln o to n l y t ou t i l i z et h c m af o rt h e i ri n t e n d e ds e r v i c e l i f eb u ta l s ot oa s s u r et h es a f e t ya n d s e r v i c e a b i l i t yo ft h e a s s o c i a t e dc o m p o n e n t s ag o o dr e p a i ri m p r o v e st h ef u n c t i o na n d p e r f o r m a n c eo ft h es t r u c t u r e r e s t o r e sa n d i n c r e a s e si t ss t r e n g t ha n ds t i f f n e s s e n h a n c e st h ea p p e a r a n c eo ft h ec o n c r e t es u r f a c e p r o v i d e sw a t e rt i g h t n e s s p r e v e n t s i n g r e s so ft h ea g g r e s s i v es p e c i e st ot h ec o n c r e t e s t e e li n t e r f a c e a n di m p r o v e si t s d u r a b i f i t y p o l y m e r m o d i f i e dc e m e n tr e p a i rm a t e r i a l s a r eu s e dt oo v e r c o m et h e p r o b l e m sa s s o c i a t e dw i t ht h ec e m e n t b a s e dr e p a i rm a t e r i a l s p a r t i c u l a r l yt h en e e df o r a l o n g e rc u r i n gp e r i o d i nt h ep a p e r p o l y e t h y l e n e v i n y l a c e t a t e e v a s t y r e n e b u t a d i n er u b b e r s b r w e r es e l e c t e dt om o d i f i e ds o l p h o a l u m i n a t ec e m e n ta n dp r o d u c er e p a i rm o r t a r t a k e t h ec o m p a t i b i f i t yb e t w e e np a t c h i n gm a t e r i a la n dt h es u b s t r a t ec o n c r e t ea so r eo fm a i n c r i t e r i a e s t a b l i s h e st h e t h ea p p r a i s a ls y s t e mp a t c h i n gr a p a i rm a t e r i a l t h ee v a l u a t i o n c r i t e r i am a i n l yh a sf o l l o w i n gf o u ra s p e c t s 1 t h ec o m p a t i b i l i t yb e t w e e np a t c h i n g m a t e r i a la n ds u b s t r a t ec o n c r e t e i n c l u d e dd i m e n s i o n a lc o m p a t i b i l i t y c h e m i c a l c o m p a t i b i l i t y p e r m e a b i l i t yc o m p a t i b i l i t ya n de l e c t r o c h e m i c a lc o m p a t i b i l i t y 2 t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t yp a t c h i n gr e p a i rm o r t a r 3 t h ep e r f o r m a n c eo fp a t c h i n gr e p a i r m a t e r i a lb e a r st h ec o r r o d e d 4 p a t c h i n gm a t e r i a lc r a c kr e s i s t a n c ee n e r g y t h r o u g h a b o v ef o u rs t a n d a r d sf o r m u l a t i o ne x p e r i m e n tp l a n a n do p t i m i z e dt h ep a t c h i n gr a p a i r m o r t a rd e s i g n a n dg o tc o n c l u s i o na sf o l l o w s 1 t h es b re m u l s i o nm o d i f i e dm o r t a r h a sb a t t e r c o m p a t i b i l i t yw i t h b a s e c o n c r e t et h a nt h ev a ee m u l s i o nm o d i f i e dm o r t a r i nw h i c hw h e np ci s1 6 t h e c o m p a t i b i l i t yb e t w e e ns b r e m u l s i o nm o d i f i c dm o r t a rw i t hb a s ec o n c r e t ea l eb e s t 2 b o t hs b r a n dv a ee m u l s i o nd on o ti m p r o v e dt h em o r t a rc o m p r e s s i v e s t r e n g t ha n df l e x u r a ls t r e n g t h t h ev a e e m u l s i o nt h es c o p ew h i c hr e d u c e st ot h e m o r t a rc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n df l e x u r a ls t r e n g t hi sb i g g e r t h a nt h es b r e m u l s i o n w h e np ci sb i g g e rt h a n1 6 c o m p r e s s i v es t r e n g t ha n df l e x n r a ls t r e n g t ho ft h es b r e m u l s i o nm o d i f i e d m o r t a ra l ea b l et oa c h i e v ea b o v e9 0 o f t h eb l a n kt y p et h a th a s n o ta d d e dt h ep o l y m e re m u l s i o n 3 t h ec o r r o s i o n e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo fs b r e m u l s i o na n dt h ev a e e m u l s i o nm o d i f i e dr e p a i rm o r t a ra r er e l a t e dw i t ht h ep o l y m e rc e m e n tr a t i op ci nt h e m o r t a r 4 w h e np ci s1 6 c r a c kr e s i s t a n c eo f t h es b re m u l s i o n m o d i f i e dm o r t a r c a nh ei m p r o v e d b u t1 9 m mt h ep o l y p r o p y l a n ea n t i c r a c kt e x t i l ef i b e rh a sb a t t e r c r a c kr e s s t 鲫c ea b i l i t yt h a ns b re m u l s i o n t h ea d do f1 9 m mp o l y p r o p y l e n ea n t i c r a c kt e x t i l ef i b e ri n t r o d u c t i o nc a l li m p r o v et h ec r a c kr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo f t h e s b re m u l s i o nm o d i f i e dp a t c h i n gm o r t a r k e y w o r d s p o l y m e rm o d i f i e dc e m e n tm o r t a r p a t c h i n gr e p a i rm a t e r i a l s c o m p a t i b i l i t y p o l y e t h y l e n e v i n y la c e t a t e e v a s t y r e n e b u t a d i n er u b h e r s b r m 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 据统计1 1 3 l 每个国家大约有1 0 的国民生产总值来源于基础设施的建设 就美国单独而言 基础设施建设是一个可以提供六百万个工作岗位 价值4 0 0 0 亿美元的行业 大约有价值1 7 万亿美元的基础设施已经建成 许多工业化国家 的基础设施都在老化 据美国总承包人联合会估计 在未来的1 9 年中对基础设 施的修补和翻新将花费3 3 万亿美元 这笔费用已经成为继国家预算赤字和国际 贸易赤字的第三大赤字 在2 1 世纪世界基础设施项目面临着重建和翻新的建设 模式 重建和翻新的幅度将超过最初建设的幅度 现在用于维护和修补过早损 坏的建筑的费用已经到了危险的水平 大多数被修补的建筑在设计寿命之前就 不能使用或者在使用中没有达到预期的标准 混凝土修补的耐久性的有迹可寻 的纪录中 在许多方面都是令人失望的 被修补混凝土结构的耐久性成为迫切 关注的焦点1 4 6 1 混凝土修补 保护和加固行业是由混凝土结构的退化 破坏和缺陷所推动 的 美国每年有超过5 亿立方英码的混凝土被建造 而这些混凝土大都是利用 当地的不同品质原材料所建造 另外设计不规范以及为赶工期而不顾施工质量 等问题都是存在的 那么修补就在所难免 每年美国业主为修补 防护和加固 方面的花费大约在1 2 0 亿到1 8 0 亿美元之间 详见表1 1 表1 1 美国混凝土结构修补费用说明 7 l 武汉理工大学硕士学位论文 釜 型生塑l 翻蛀蓝越k 碰豳趔毯 亿土趣 冻融破坏 碱基料反应 干缩和其他机理 造成的磨损 修补的方法包括移出和取代 混凝土板上部密封 固定 部分修补 铺 层 接缝密封和裂缝灌浆 码2 头 亿 港 口 建2 0 筑 物亿 停 5 车 场到 1 0 亿 湿趟 蕉 里拯 氯离子侵蚀和轮船的撞击是导致病害的主 要机理 修补包括阴极保护 面修补系统 桥墩封套和保护性罩面 建菹物正面 田鱼 亡扬里趣 墨蘑尥湿 凝土 空气中氯离子 冻融循环 碳化等和设计 施工缺陷相关的因素是造成病害主要机 理 放水失败也很常见 地震后的翻新同 样需要 修补的方法包括基础防水 广场 甲板防水 更换或修补阳台 亟型抠 厘加廛左题 现渔蕉猩筮 复 金挝抖 水通过裂缝和结合处的渗透 氯离子渗透 以及冻融循环是造成钢筋锈蚀 散裂和其 他病害的常见原因 修补的方法主要有铺 设防水膜 接口密封 加固系统以纠正设 计和施工上的缺陷 对散裂破坏面的修补 和更换水泥板 2 武汉理工大学硕士学位论文 水2 坝 亿 居 3 民 区亿 工3 业 设亿 施 库 5 亿 管 1 0 道亿 混1 0 杂亿 结 构 盔拯绫扭 冻融循环 磨损 侵蚀 结构改造 渗漏 是造成病害的一些原因 修补系统主要包 括表面重铺 注浆 散裂修补 更换部件 以及锚固 厶征道 奎道 瞳壬 基型 冻融循环 除冰活动 土地沉降是一些造 成病害的原因 地下室漏水也是个问题 应该强调是这些都还是材料质量和施工质 量差造成的 修补的方法包括去除并更换 牵吊水泥板 表面重铺 面修补 防水和 密封裂缝 基盈 画拯 结控蕉袈 笙扬 渔 廛 破坏的原理包括化学侵蚀和结构过载 造 成散裂 开裂和瓦解 修补方法包括 面 修补 罩面 胶合麻袋 弹性膜和加固系 统 廛 破坏的原理包括化学侵蚀 浸出 冻融循 环 土地沉降等 这些会导致开裂 渗漏 散裂和瓦解 修补可能包括面修补 更换 混凝土 裂缝注浆 罩面 衬砌和弹性膜 王丕道 压左笪遵 至l 丕篮 垄泣 隧道 破坏的原理包括化学侵蚀 侵蚀 磨蚀和 土地沉降 会导致开裂 散裂 修补的方 法有 罩面 弹性膜 衬砌 表面重铺 散裂修补 或特殊的免开挖管道修复技术 链直扬 矗蕉垒整 坦囱 堡麴基丝 冻融破坏 热退化和侵蚀性化学物质是几 个造成破坏的原因 修补包括移除和更换 面修补 3 武汉理工大学硕士学位论文 在过去2 5 年的时间里混凝土修补 保护和加固行业的发展令人惊叹 在整 个行业发展的同时也对修补材料提出的更高的要求 常见修补和防护的材 料有以下几种1 7 1 表1 2 表1 2 修补材料的分类 用于面修 补系统的 包装好的 胶凝材料 碳纤维 玻纤 钢 纤维增强 擐料和钢 筋 膨胀性封 接 密封 剂 承压 层 罩面 薄膜 衬砌 薄泥 浆 密封 剂 桥墩 封套 阴极 保护 系统 和部 件 预拌和混凝土 混凝土修补 防护和加固的方法主要有1 8 q o j 面修补 面修补是修补混凝土遭受破坏的表面以恢复结构的功能 保护表 面本身和下层的混凝土 钢筋不受恶劣环境的影响 或者是恢复混凝土丧失的一 些性能如排水和抗冲刷能力 所有的修补包括最初的表面处理 主要包括磨平或 水冲刷 剥离 碾磨 打磨或化学处理 用于面修补系统主要包括铺层 再铺平 成型修复 手镘砂浆 浇注修补 喷射混凝土以及特殊情况下的部分取代 4 武汉理工大学硕士学位论文 保护一 保护技术是被设计用于延长建筑的寿命 保护它不受恶劣环境的攻 击 用于保护的系统有罩面 密封层 弹性膜 外加电流阴极保护 和重迭层几种 形式 防水一 防水技术是防止水从裂缝 接口或失败的防水处进入或漏出结构 防水系统包括更换接口和密封层 防水薄膜和裂缝注浆 加固 加固是增加或恢复结构或部件的承载能力 用于加固的技术包括对 结构或部件增加钢筋 纤维增强树脂复合材料复合系统 混凝土或者其他特殊材 料 从而为结构提供额外的强度和能力 我国正处于经济大发展时期 基础设施也在大规模的建设 三峡工程 西 气东输 京九铁路 长江大桥等大型基础设施的建设都相继完工并投入使用 五十年后当我国经济完成工业化转变 现在的基础设施将处于老化时期 修补 和翻新这些基础设施将成为我国建筑行业所面临的主要问题之一 作为基础设 施的主要结构的混凝土结构的修补和翻新将成为混凝土建筑行业的主要任务 能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 一些工程上的修补也是处于探索阶段 对修补材料的挑选上没有统一 的测试和评价方法 对修补材料的粘结强度过与看重 而对修补材料与基体混 凝土的相容性 修补材料的抗渗性 钢筋锈蚀的防护和粘结界面等方面研究较 少1 1 1 1 5 1 相比而言 国外对混凝土结构修补的研究起步较早 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 v i s i o n2 0 2 0 的目的是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 因为延长现存设施的使用寿命是创造满意环境的关键 修 补的耐久性也成为关注的焦点 超过1 0 0 个行业领导包括承包商 工程师 材 料制造商 研究者 教育家 业主和工业协会的负责人为了确定v i s i o n2 0 2 0 的 目标而参加了确定最重要的行业问题和需要的研讨会 在v i s i o n2 0 2 0 中指出了 减少修补失败率的需求 据美国工程兵维护的大量混凝土结构的统计表明1 1 5 1 9 1 只有约5 0 的军队建筑的修补效果令人满意 这个事实是难以接受的 修补失 败的原因有以一下几点 设计或评估错误 材料 施工 v i s i o n2 0 2 0 划分为的 1 3 个主要目标中 第五个目标是改进修补材料的设计和性能 达到减少裂纹 改善承载能力 制造出性能和实际工程中一致的施工性能 养护条件的修补材 5 武汉理工大学硕士学位论文 料 具体行业规划有以下几点 1 开发用于确定的测试和评价方法来筛选材料的议定书 2 开发并创立一个标准化数据表议定书 3 开发用于特殊用途的材料 4 鉴定材料的性质和可以预测材料长期性能的测试方法 5 深入理解材料各种性能之间是怎样相关联的 6 把对修补材料的基本要求写入修补翻新和保护法案 可见美国建筑行业对混凝土修补材料的研究已列入行业发展的规划 对修 补材料的研究已经相当重视 1 3 研究的目的和意义 我国经济大发展之后的建筑行业的主要任务将转向对现有设施的修补 翻 新和维护 钢筋混凝土作为被广泛应用的结构 对其修补耐久性和高性能修补 材料的研究将是混凝土修补行业长远发展以及实现可持续发展所必须的 1 4 本研究的主要内容 本文中混凝土修补定义为在已有的混凝土结构上为替代已损坏混凝土保护 层而铺设的约5 0 1 5 0 r a m 的混凝土薄层 本项目研究对象为被广泛用于面修补的 修补材料之一一砂浆 研究的主要内容 修补失效机理的分析 分析各种情况下修补失效的机理找出造成修补失 败的原因 指导修补砂浆的设计 耐久性修补所需的高性能修补材料评价体系的确立 根据修补失效模型 分析影响修补耐久性的主要因素 根据影响耐久性主要因素的建立薄层面修补 材料的评价体系 在建立的评价体系内进行试验研究 根据建立的评价体系 设计试验方 案进行试验 通过试验优化聚合物改性砂浆的设计 制备出满足耐久修补的高 性能修补材料 1 5 本研究的创新点 本研究是在查阅大量国内外资料的基础上 通过大量试验 取得如下创新 6 武汉理工大学硕士学位论文 点 1 从系统的观点出发 把修补材料和被修补混凝土结构作为一个整体去研 究 以这个整体的耐久性为标准去评价修补材料 建立为满足耐久性修补所需 的高性能修补材料的评价体系 2 利用聚合物乳液对硫铝酸盐水泥改性 发挥快硬硫铝酸盐水泥高强 快 硬 微膨胀的特点选用不同的聚合物乳液对其进行改性 利用已建立的评价体 系对其评价 制备出能满足耐久性修补的高性能修补砂浆 3 对聚合物乳液改性硫铝酸盐水泥修补砂浆进行耐化学侵蚀性能进行试 验 以满足那些存在化学侵蚀破坏的特殊修补工程的需要 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章修补失效机理分析和试验方案的提出 科研机构和团体关于能满足耐久性修补所需修补材料的研究工作大体上分 为三类1 1 6 m l 1 掺合料在干缩开裂中的作用 2 预测修补层均匀应变的简单机 理模型 3 分析直接应变 屈服和界面剪应力的有限元模型 幺l 常见的面修补失效形式瞄1 图 2 1 显示了混凝土修补已经剥离并随时可能从建筑物上脱落 这些随时 可能散落的修补材料碎片对业主 公众 修补承包人和负责修补的工程师构成 了很大的危险 经过仔细调查发现锈蚀钢筋的表面没有经过合理的处理 图2 2 显示了从基体混凝土上剥离的人造橡胶薄膜 造成失效的因素可能 有以下几方面 最初施工的不合理 基体混凝土高的湿度和表面处理工作的不 利 这样的脱落可能会是大面积的 从而需要替换整个保护系统 图2 1 修补层散落图2 2 修补层剥离 图2 3 显示了一个非常新的修补出现了严重的开裂 必须移除修补材料并 重新修补 造成开裂的原因是修补材料本身的体积变化和干缩性能 被修补材 料和基体混凝土之间的粘结过度约束的收缩造成了开裂 图2 4 显示了一个储水库侧面失效的修补 看上去好像是表面处理工作的 不利和施工失误 但是这是由于设计上的失误 设计的时候没有考虑到水气从 库的内侧向外侧的迁移 水气迁移的过程中被致密和抗冻融的修补材料所阻挡 随着被阻湿气在修补材料后面的聚集 基体混凝土将遭受冻融循环的侵蚀并逐 渐瓦解 从而造成修补的分层 修补设计中应尽量减小这些因素的影响 b 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3修补层开裂图2 4 修补层散落 2 2 修补失效机理分析 混凝土修补是非常复杂的 图2 1 是一张混凝土修补的解剖图 本文中的 修补定义为混凝土面修补 臻嘲 图2 5 混凝土修补的解剖图 9 武汉理工大学硕士学位论文 修补系统形成一个双层复合系统 其中修补层是被置于基体混凝土的表面 修补层在外界载荷作用下控制应力增强的原理被多次断言和传统混凝土系统是 不同 c u s s o n 和m a i l v a g a n 锄 捌论述了被修补结构耐久性的不好主要表现为水泥 的散裂 开裂 脱落和强度的损失 在混凝土面修补系统中修补失效三个已被 证实的模型 见图2 6 包括 1 因拉应力而导致在面修补层厚度内的开裂 2 修补层和基体混凝土界面的剪应力 3 修补层和基体混凝土界面的剥离 由于横向的拉力 图2 6 混凝土修补失效的模型之一 面修补系统中潮气从修补层的扩散过程激发了一连串导致修补一基体复合系 统中普通应力和剪应力的增强的事件 2 7 2 9 主要包括 1 由于潮气的损失而导致的修补层中收缩应力 2 由于受到基体混凝土的约束干缩拉紧不能自由的发生而导致修补层和 混凝土基体应力的集中 修补层通常集中的应力包括拉应力 而基体混凝土受 到压应力 3 修补层在由于拉应力而产生拉紧的作用下 由于内部潮气的存在而导致 徐变 但是这个徐变的形成也不能自由的发生 同样也是由于基体混凝土产生 的约束 4 在修补系统中导致徐变产生的约束在应力的意义上恰好是和那些收缩 的约束也就是修补层的抗压和基体混凝土的抗拉是相反的 这是和文献中提到 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 的徐变而造成的应力释放有关的 另外还有其他一些因素也会引起应力集中 见图2 7 由于修补层的严重 开裂 耐久的修补是不可能得到的 而严重开裂则是由于拉应力 这些拉应力 随着水化 热 载荷引起应力的综合的增加而增加 收缩应变和热应变受到修 补层和老混凝土粘结的约束 但是诱导应力会由于拉伸徐变而释放 在给定的 时刻 如果在应变 徐变和抗拉强度之间的整个平衡被打破 开裂将会发生0 0 水泥浆体 温度变化外部载荷 的干燥 收缩应变温度应变机械应变 10i 对自由应 1 由于边界条件所产生 变的约束 2 由于部分受到的不一致应力所产生 应力f 由于混凝土多种行一i 过应力部 为造成的应力释放 一 分的开裂 应 力 诱导弹性拉应力 时间 图2 7 修补中应力集中的示意图 造成修补中的应力集中的根本原因是修补材料和基体混凝土相容性太差 要的到一个耐久的修补 修补材料和基体混凝土的相容性是首先要考虑的 如 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 图2 8 所示的混凝土修补失效典型模型可以看出正是由于修补材料和基体混凝 土的体积相容性毓差而导致体积变化受到约束 而最终导致修补失效 一个好 的修补应该改善结构的功能和性能 增加结构的强度和刚性 强化混凝土面层 已达到防水和阻止a 0 2 和c 0 2 渗透到钢筋 并最终改善整个结构的耐久性1 3 1 1 那么修补材料和基体混凝土的相容性是应该首先考虑的 另外从混凝土修补失 效的典型模型 图2 8 可以看出 混凝土和修补材料的复合系统还要受到外界 载荷和环境的影响 另外在体积约束下 混凝土修补材料的抗裂性能也是影响 修补耐久性的重要因素 被修补混凝土结梅 修补部分 一 一一 i 1 瓣i 翁丽谩 潺凝土 结强度的下降 j 受约束的体积变化 一 外界风化和载荷作用3 开裂 渗透性的增大修补周边渗透性增大 两部水 氧1 日 水 氯离于从 愀 氯离子的侵l f外部的侵入 i 入 1 钢筋的去钝化 2 锈蚀物质的形成 蚀物质 补材料 的膨胀 争塑麓一李囹碧缠哆妻叁 一 一 1 膨胀 开裂加剧 裂纹的 1 继续增人 剥离 一 j l 修 补 i 1 一 膨胀 开裂 临近修补部 分老混凝土的剥离 失败 图2 8 混凝土修补失效的典型模型 一锈修 一 一 一n 他一 武汉理工大学硕士学位论文 修补的耐久性取决于修补材料和现存结构之问的相容性 图2 9 相容性 包括一系列的性质 用旬简单的话来说是这样的 如果修补材料和被修补混凝 土差别太大 它们就不会一起 工作 并很快破坏 但由于旧混凝土正在老化而修 补混凝土的性能正迅速进化 新旧混凝土的柑容性仅在给定的时亥t 才会发生 而这个时刻并不是要每种性能都相同 每个中等的不相容的增大了更大的不相 容 如果相容性不够的话 就会导致开裂 而开裂在修补中是要尽量避免的 因为它不仅会危害到修补的耐久性而且会影响钢筋的保护 图2 9 影响修补系统耐久性的因素图 修补材料和基体混凝土的相容性主要包括四个方面1 3 2 3 4 1 图2 1 0 1 三维尺寸的相容性 研究表明 在一个修补系统中修补材料和基体的相容性特别是三维尺寸 体积 的相容性是能否保证无裂缝的关键 因为基体混凝土已经发育成熟 而 修补材料还未稳定 在逐步达到稳定的过程中由于基体混凝土和修补材料的变 形不一致而导致内部粘结界面产生内应力 另外如果修补材料和基体混凝土的 弹性模量相差过大 在外界载荷的作用下 修补材料和基体的变形就会不一致 从而也会产生内应力 而内应力则是开裂的主要原因 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 化学相容性 在钢筋混凝土复合材料中钢筋的钝化依赖于水泥水化产生的高碱性环境 如果修补材料产生的内环境不能使钢筋钝化 那么钢筋就不能得到有效的保护 钢筋锈蚀这一钢筋混凝土材料最常见的破坏形式就会发生 3 渗透性 修补材料的抗渗透性并不是越高越好 只要能保证复合体系不受外界离子 气体的侵蚀即可 由于基体混凝土并没有达到绝对的稳定 还要与外界进行 物质的交换 如果修补面层的抗渗透性很高 那么基体混凝土与外界要交换的 物质就会囤积于粘结界面 从而对粘结界面的耐久性产生影响 4 电化学相容性 钢筋混凝土修补过程中 被破坏的基体混凝土中的氯离子如果未被处理 在这种情况下钢筋的锈蚀经常会继续或加剧 因为修补材料具有不同于基体的 湿度及氧气和氯离子含量 这就会加剧锈蚀电池反应 钢筋的进一步锈蚀会导 致修补的开裂 脱落 图2 1 0 影响修补材料与基体楣容性的因素 以上修补材料和基体相容性的四个方面将是筛选修补材料的标准 修补材 料和被修补基体混凝土的相容性优劣将是修补设计方案中筛选修补材料的标准 之一 也是指导修补系统设计的标准之一 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 所以面修补材料的评价体系应该围绕这相容性的四个方面展开 另外考虑 到面修补材料作为混凝土的保护层 外界环境的因素也影响到修补材料和基体 混凝土的相容性 所以其抗侵蚀性能也应被评价 另外外界载荷的作用也应被 考虑 理论上 建立一个可应用的模型是在客观基础上比较设计方案最有价值的 方法 但是要建立这样一个模型需要克服许多困难 文献中关于混凝土长期性 能的模型也表明了这个模型的复杂性 能实际应用的完整 精确模型更是少见 2 3 试验方案的提出 本次试验方案利用系统观点 把修补材辩和基体混凝土作为一个整体 以 修补材料和基体混凝土的相容性为评价标准 优化化聚合物乳液改性硫铝酸盐 水泥砂浆的设计 发挥聚合物改性砂浆 p o l y m e rm o d i f i e dm o r t a r 以下简写为 p m m 的优点 制备满足耐久性修补的高性能修补砂浆 综合失效机理的分析 修补系统的耐久性主要受到四个方面因素的作用 修补材料和基体混凝土的相 容性 外界载荷 外界侵蚀环境和修补材料的抗裂性能 所以薄层面修补材料 的评价体系应该从以下四个方面来评价 1 修补材料和基体混凝土相容性 z 修补材料的承载性能 3 修补材料的耐侵蚀性能 修补材料的抗裂性能 根据评价体系的四个方面 本课题试验方案内容主要包括如下四部分 1 p m m 与基体混凝土相容性的试验 修补砂浆与基体混凝土的相容性试验中主要针对修补砂浆和基体相容性中 的体积稳定性和抗渗性性能进行试验 至于化学相容性和电化学相容性则在材 料设计之初已经满足 以硫铝酸盐水泥为基材满足了改性砂浆水化时的高碱性 聚合物乳液不含有并且在水解时也不会产生氯离子 因此改性砂浆也满足电化 学相容性 体积稳定性试验主要进行改性砂浆干缩性能试验 在混凝土结构的修补中 修补材料需要填补移除被破坏混凝土所留下的空白 由于混凝土基体体积已经 稳定 而修补材料则要收缩 修补材料和基体混凝土收缩性的不同会在两者的 界面产生应力 从而影响粘结强度 进而影响被修补混凝土结构的耐久性 2 p m m 的力学性能试验 武汉理工大学硕士学位论文 薄层面修补材料要保护基体混凝土抵抗外界的应力 所以p m m 的力学性能 也应该最为其评价标准 3 p m m 的化学侵蚀试验 薄层修补材料往往要面对恶劣的外部环境 特别是一些具有化学侵蚀介质 的环境 薄层修补材料自身能否抵御化学侵蚀是能否达到耐久性的前提 所以 p m m 的耐化学侵蚀性能对于其作为薄层修补材料也同样重要 4 p m m 的抗裂性能试验 薄层修补材料最常见的破坏形势就是开裂进而导致修补失效 所有p m m 的 抗裂性的优劣将决定其能否作为面修补材料来使用 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章聚合物乳液改性硫铝酸盐水泥修补砂浆的试 验研究及结果分析 3 1 试验用原材料 3 l 1 原材料的选择 1 水泥选择 本试验选择快硬硫铝酸盐水泥 与硅酸盐水泥相比 硫铝酸盐水泥的生产 能耗更低 生产单位产品排出的c 0 2 量比硅酸盐水泥少4 0 可见 硫铝酸盐 水泥在实施可持续发展战略进程中比硅酸盐水泥具有更大优势 硫铝酸盐水泥 的组成属于另一个物理化学系统 它以3 c a o 3 2 0 3 c a s 0 4 矿物为主 3 c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 矿物使水泥具有早强 高强 抗冻 抗渗 低碱度等优良特 性 快硬型硫铝酸盐水泥的具有很好的很好的耐硫酸盐侵蚀性能 可用于要求 耐硫酸盐侵蚀的工程 其效果比矾土水泥和任何硅酸盐水泥都要好的多 另外 其早强性能大大优于快硬硅酸盐水泥1 3 5 2 乳液选择 实验选择v a e 乳液和羧基丁苯胶乳进行对比试验 v a e 乳液价格适中 内增塑共聚物 耐水性好 有较好的粘结作用 施工 性能好 广泛用于混凝土结构的修补工业 v a e 乳液即乙酸乙烯酯一乙烯共聚 乳液 由于醋酸基的不连续性 v a e 乳渡的共聚物分子主链较柔软 这种柔软 性赋予了乳液内增塑性 同时 醋酸基含量越小 共聚物分子主链越柔软 乳 液的内增塑性越好 v a e 乳液的成膜温度和玻璃化温度较低 耐冻融性 耐酸 碱性和贮存稳定性好 同时v a e 乳液对氧 臭氧和紫外线的稳定性好 另外 v a e 乳液的耐碱性和抗蠕变性好 具有较低的表面张力 抗高温性也较好1 4 0 4 1 l 丁苯胶乳的多种性能都很优异 成本较低 超过3 0 年的丰富应用经验 耐 水 耐油及耐多种化学品性良好 柔韧性好 即使在潮湿条件下其粘结性也很 好 抗剪切性能好 在丁苯胶乳中引入羧基官能团 如丙烯酸 甲基丙烯酸 衣康酸等第三单体 该类胶乳统称为羧基丁苯胶乳 这些羧酸赋予羧基丁苯胶 乳许多重要的特性 羧基丁苯胶乳本身可以固化 如作地毯背衬时 不用加硫 磺和促进剂 可使成本降低 臭味减少 羧基可以与其它官能团的单体交联 具有较高的粘结强度 羧基增加了聚合物的极性 提高了它与织物 无机填料 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 的相容性和亲合性 表3 1 比较了丁苯胶乳是否含羧基的性能湖 表3 1 羧基胶乳与不含羧基胶乳性能比较 性能羧基胶乳不含羧基胶乳 机械或剪切稳定性显著稳定良好 但有限 粘结性改善化学或机械粘结性化学粘结性有限 冷冻恢复易达到难达到 硫化无硫和金属氧化物需硫化和促进嗣 耐油脂 一般均有改善 比相应的羧基聚合物差 耐蚀性有侵蚀问题侵蚀性差 3 粉煤灰 掺加粉煤灰相对降低了体系中c 砖的含量 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 2 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 从而消除或减小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1 3 7 1 水泥中掺入粉煤灰也起到了废物利用 降低成 本的作用 在与硅灰的对比试验 配比和结果分别见表3 2 3 3 中发现 在相 同的流动度 f 对砂浆的强度的改善方面 粉煤灰要强于硅灰 在引入花王高 效减水剂后 相同流动下 与硅灰梧比 粉煤灰对砂浆的强度提高更大 加之 粉煤灰价格便宜 所以改性砂浆的矿物掺合料选甩了粉煤灰 表3 2粉煤灰与硅灰的对比试验的试验方案 注a 乳液选用的是丁苯 s b r 胶乳 武汉理工大学硕士学位论文 表3 3 粉煤灰与硅灰的对比试验的试验结果 4 消泡剂选择 实验采用的消泡剂为磷酸三丁酯 磷酸三丁酯 简称t b p 多用于有机溶 液的消泡剂 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很高的强度 这其实与乳化剂有关 其实起泡的难易和消泡的难易是不同的 起泡的难易取决表面张力的大小 消泡的难易取均于泡沫的稳定性能 表面活性剂的加入后可能导致胶乳水泥体 系的孔隙增加 但加入合适的消泡剂及气泡本身易破 固化体系的孔隙会减 j 当向修补砂浆中掺入v a e 乳液时 由于乳液粘度商 会造成较大的引气量 影响修补砂浆的性能 因此 试验中引入适量的消泡剂 来减少砂浆中的气泡 量 提高砂浆的抗渗 抗压等各种性能1 3 8 1 为证实磷酸三丁酯对水泥强瘦无不 利影响做以下对比试验 试验配比和结果见表3 4 3 5 聚合物乳液为v a e 乳 液 磷酸三丁酯掺加量为聚合物乳液固含量的1 表3 4 消泡剂磷酸三丁酯对水泥强度影晦对比试验配比和结果 分析结果发现磷酸三丁酯加入后 水泥3 天抗折强度和抗压强度分别降低 0 4 8 m p a 和l 2 m p a 水泥2 8 天抗折强度和抗压强度分别降低0 0 2 m p a 和1 0 m p a 说明对水泥强度有一定的影响 但影响很小 武汉理工大学硕士学位论文 表3 5 消泡剂磷酸三丁酯对水泥强度影响对比试验结果 编抗折强度 m p a 抗压强度 m p a 号3 d 2 8 d3 d2 8 d 14 9 66 1 7 2 5 5 3 量3 24 4 8 6 1 52 4 33 2 3 3 1 2 试验用原材料 1 水泥 水泥 s a c4 2 5 级快硬硫铝酸盐水泥 孝感特种水泥有限公司生产 化学 成分析见表3 6 堡垒p 0 1 4 2 5 水泥湖北华新水泥有限公司生产 2 粉煤灰 i i 级低钙粉煤灰 化学成分析见表3 6 表3 6水泥和粉煤灰的全化学分析 材料硫铝酸盐水泥粉煤灰 c a o4 5 1 44 2 3 s i 0 2 7 8 25 2 0 5 a 1 2 0 3 2 0 9 23 0 7 2 f e 2 0 3 3 1 24 1 5 m g o 0 6 31 0 5 s t h 1 2 5 5 l o s s1 丝1 5 4 总和 9 7 4 29 9 7 4 3 聚合物乳液 丁苯胶乳 s b r s d 6 2 3 a p 上海高桥巴斯夫分散体有限公司生产 醋酸乙 烯酯 乙烯共聚乳液 v a e b j 7 0 7 北京有机化工厂生产 胶乳详细信息见表 3 7 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 表3 7v a e 乳液和丁苯胶乳性质 材料v a l e 乳液羧基丁苯胶乳 固含量 5 4 55 0 5 2 p h 值 4 0 5 07 8 1 0 粘度m p a s 2 5 5 1 0 0 0 3 5 1 5 0 平均粒径 r i m 2 o 1 5 0 外观白色均匀乳状液蓝色荧光乳状液 4 硅灰 化学成分见表3 8 耋兰 墨壁壅丝堂盛坌坌堑绫墨 丝 s i 0 2f e 4 3a 1 2 0 2c a om g of c a o c r s 0 3 i l k 2 0n a 2 0 8 8 3 4 0 2 9 0 0 12 5 32 8 600 5 20 9 0 1 9 91 9 8 0 5 7 5 砂 本实验采用的砂为烘干的巴河砂 普通河砂过1 7 m m 路面集料筛 颗粒级 配如下表 计算其细度模数胁为o 9 4 为特细砂 6 消泡剂 分析纯的磷酸三丁酯 c h 3 c h 2 c i 1 2c h 2 0 3 p o 详细信息见表3 9 表3 9 磷酸三丁酯的规格 7 减水剂 花王派萘系高效减水剂 3 2 试验内容和方法 3 2 1 试验的配比 按聚厌比分别为0 0 4 0 0 8 0 1 2 0 1