共混乳液改性水泥砂浆的氯离子扩散系数

1、第6卷第3期2003年9月建筑材料学报JOURNALOFBUILDINGMATERIALSVol.6,No.3Sep.,2003文章编号:100729629(2003)0320316205共混乳液改性水泥砂浆的氯离子扩散系数钟世云(同济大学混凝土材料研究国家重点实验室,上海200092)摘要:研究了共混乳液组成及其薄膜的力学性能与共混乳液改性水泥砂浆氯离子扩散系数的关系.试验结果发现,少量氯偏乳液与丁苯胶乳共混,可以显著降低改性砂浆的氯离子扩散系数,丙苯乳液与丁苯胶乳共混,当质量比为3241时,砂浆的氯离子扩散系数较低.聚合物乳液改性砂浆的氯离子扩散性与聚合物本身的拉伸强度和断裂伸长率有关.聚

2、合物本身的拉伸强度越低、断裂伸长率越大,则改性砂浆的氯离子扩散系数越小.当共混乳液薄膜的断裂伸长率从200%300%增大到800%以上时,相应改性砂浆的氯离子扩散系数由(1015)×10-12m2/s降低到(34)×10-12m2/s.关键词:聚合物改性砂浆;氯离子扩散性;共混乳液;断裂伸长率;强度中图分类号:TU528.41文献标识码:AChlorideDiffusionCoefficientofLatexBlendModifiedMortarsZHONGShi2yun(StateKeyLaboratoryofConcreteMaterialsResearch,Tongj

3、iUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:Thechloridediffusivityoflatexblendmodifiedmortarsanditsdependenceonthemechani2calpropertyoffilmformedfromlatexblendwerestudied.Thetestresultsshowthatthechloridedif2fusivityoflatexblendmodifiedmortarscanbeimprovedwithlatexblendwithsuitablecompositions.Inthera

4、ngeofthisstudy,theblendofvinylchloride2vinylidenechloridecopolymeremulsion(PVDC)andstyrene2butadienerubberlatex(SBR)withminormassfractionofPVDCcansignificantlyreducethechloridediffusivityoflatexblendmodifiedmortars.Thebesteffectisachievedwiththeblendsofstyrene2acrylatecopolymeremulsion(SAE)andSBRwit

5、hmassfractionbetween32and41.Chlo2ridediffusivityoflatexblendmodifiedmortarscanbewellrelatedtothetensilestrengthandelongationatbreakofthelatexblendfilms.Thechloridediffusioncoefficientofthemodifiedmortarsincreasesapproximatelylinearlywiththetensilestrengthofthelatexblendfilms,anddecreaseswiththein2cr

6、easeoftheelongationatbreakofthelatexblendfilms.Iftheelongationatbreakofthelatexblendfilmsincreasesfrom200%300%tomorethan800%,thechloridediffusioncoefficientofthemodi2fiedmortarsdecreasesfrom(1015)×10-12m2/sto(34)×10-12m2/s.Keywords:polymer2modifiedmortar;chloridediffusivity;latexblend;elon

7、gationatbreak;strength乳液共混体系的应用和研究已成为近年来的一个活跃领域15.但是,使用共混乳液进行水泥砂浆改性的工作则几乎没有6.从有限的几种乳液改性水泥砂浆的性能来看,不同的聚合物在收稿日期:2002207229;修订日期:2002210223基金项目:上海市重点学科建设基金资助项目作者简介:钟世云(19612),男,江西人,同济大学副教授,博士.© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第3期钟世云:共混乳液改性水泥砂浆的氯离子扩散系数317不同的方面表

8、现出较好的改性效果7.此外,在使用单一品种乳液进行水泥砂浆改性时,由于能用于水泥砂浆改性的聚合物乳液不多8,难以开展聚合物改性砂浆的性能与聚合物本身性能之间的关系研究.本文使用共混乳液对水泥砂浆进行了改性,并研究了共混乳液改性水泥砂浆的氯离子扩散系数与共混乳液组成及其薄膜力学性能的关系.1实验1.1原材料采用江南小野田水泥有限公司生产的P525R水泥;砂为标准砂;聚合物乳液为丙苯乳液(SAE),丁苯乳液(SBR)和氯偏乳液(PVDC),其基本性能见表1;消泡剂为工业品;氯化钠和硝酸银为分析纯试剂.表1所用乳液的性能Table1PropertiesoflatexesusedTypeoflatex

9、Carboxylicstyrene2butadienerubberlatexVinylchloride2vinylidenechloridecopolymerlatexStyrene2acrylatelatexAbbreviationSBRPVDCSAESolidcontent/%(bymass)4843.257Averageparticlesize/m0.300.120.20-6tg/°C111.2试样制备与测试1.2.1共混乳液薄膜将2种乳液混合均匀后分3次刷涂(每次间隔时间为3h)在玻璃板上,形成厚度约为0.5mm的薄膜.干燥3d后,将薄膜从玻璃板上分离下来,然后参照GB130

10、2291,制成宽20mm,长180mm的长条形试样进行力学性能测试.1.2.2聚合物改性砂浆聚灰比(聚合物固体质量与水泥质量之比)为0.1,水灰比(水与水泥的质量比)为0.45,砂灰比(砂子与水泥的质量比)为2.5.试样制备方法参照GB17785.力学性能试样尺寸为40mm×40mm×160mm,氯离子扩散试样直径为100mm,高度为50mm.试件成型2d后脱模放在温度为(22±2)°C的环境中养护28d.氯离子扩散试件的圆柱面用环氧树脂封闭,待环氧树脂固化后,对试样进行真空水饱和处理(包括在真空中对样品干燥1h,然后将蒸馏水引入,保持真空12h),最后

11、将样品在常压水中保持12h9.氯离子扩散系数的测定采用非稳态快速方法10,试验装置和药品以及氯离子扩散系数的计算方法见文献11,通电时间均为8h.2结果与讨论2.1氯离子扩散系数与共混乳液组成的关系表2乳液改性砂浆的氯离子扩散系数单一乳液改性水泥砂浆的氯离子扩散系数见Table2Chloridediffusioncoefficientoflatexmodifiedmortarsandunmodifiedmortar(OPC)×1012m2/s表2.由表2可以看出,加入聚合物以后,氯离子OPCSAEPVDCSBR的扩散系数明显下降,降低的程度从大到小依次11.4为丙

12、苯乳液、氯偏乳液、丁苯乳液.特别是加入了丙苯乳液的试样,氯离子扩散系数的下降最为显著,其值不到普通水泥砂浆氯离子扩散系数的20%.而丁苯胶乳改性砂浆的氯离子扩散系数降低最少.共混乳液改性水泥砂浆的氯离子扩散系数随共混乳液组成的变化见图1.由图1可见,共混乳液改性水泥砂浆的氯离子扩散系数与共混物组成的关系不是直线.从该图中还可见,将少量PVDC© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.318建筑材料学报第6卷与SBR共混,能显著降低改性砂浆的氯离子扩散系数.在SAE质量分数为0.40

13、.8的范围内,SAE/SBR共混也表现出降低氯离子扩散系数的协同效应,此时共混乳液改性砂浆保持着较小的氯离子扩散系数.但是,PVDC/SAE共混物改性砂浆的氯离子扩散系数比单一乳液改性砂浆的要大,表现出“反协同效应”.2.2氯离子扩散系数与砂浆力学性能的关系通常,混凝土的强度越高则抗渗性越好.然而,聚合物乳液改性砂浆显然不遵从这样的规图1共混乳液改性砂浆的氯离子扩散系数与共混物组成的关系律.图2是改性砂浆的氯离子扩散系数与其抗Fig.1Chloridediffusioncoefficientofthelatexblend折强度和抗压强度的关系.可见,强度较高的试modifiedmortarsv

14、sthecompositionoftheblend样,氯离子扩散系数未必更低.非常不幸的是,就每一个系列来说,居然基本上表现出强度越低则氯离子扩散系数越小的趋势.这可能是由于在常温下聚合物的弹性模量比水泥石低得多的缘故,当复合基体受力时(特别是受压时),聚合物非但起不到刚性支撑作用,相反,柔软的聚合物在强度方面相当于“空隙”,从而相对弱化了基体12,13.然而,抗渗性主要与混凝土的孔结构有关,聚合物的粘结性能和填充性能事实上将使改性砂浆的孔隙率降低.图2共混乳液改性砂浆的氯离子扩散系数与抗折、抗压强度的关系Fig.2Relationbetweenflexuralandcompressivest

15、rengthandchloridediffusioncoefficientoflatexblendmodifiedmortarsSAE/SBR;PVDC/SBR;PVDC/SAE;×Control2.3氯离子扩散系数与共混乳液薄膜性能的关系以共混乳液改性砂浆的氯离子扩散系数分别对共混乳液薄膜的拉伸强度和断裂伸长率作图,结果见图3.由图3可见,共混乳液改性砂浆的氯离子扩散系数与共混乳液薄膜的拉伸强度几乎呈线性关系,薄膜的拉伸强度越低,改性砂浆的氯离子扩散系数越小.而随着共混乳液薄膜的断裂伸长率逐渐增大,其改性砂浆的氯离子扩散系数呈对数趋势降低.例如,共混乳液薄膜的断裂伸长率从200%3

16、00%增大到800%以上时,相应改性砂浆的氯离子扩散系数由(1015)×10-12m2/s降低到(34)×10-12m2/s.图3实验结果说明,提高聚合物薄膜的变形能力可以降低改性砂浆的氯离子渗透性.众所周知,硬化水泥浆体中的孔隙主要是由水分蒸发以及水泥石的干缩开裂所产生的.对于聚合物改性水泥砂浆,一方面由于聚合物膜层封堵了一些孔隙,使水分的蒸发减慢,而且聚合物越柔软,改性砂浆的水分蒸发越慢11;另一方面,当水泥石干燥收缩时,由于水泥水化产物颗粒周围包裹了一层聚合物薄膜,只要聚合物膜有足够大的变形能力,收缩产生的空间仍然可被变形能力较大的聚合物膜层© 1995-2

17、004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第3期钟世云:共混乳液改性水泥砂浆的氯离子扩散系数319图3共混乳液改性砂浆的氯离子扩散系数与共混乳液薄膜拉伸强度、断裂伸长率的关系Fig.3Relationbetweentensildstrength,elongationoflatexblendfilmsandchloridediffusioncoefficientoflatexblendmodifiedmortarsSAE/SBR;PVDC/SBR;PVDC/SAE所部分填充.聚合物薄膜所能够搭接的裂缝宽度与聚

18、合物的断裂伸长率和聚合物薄膜的厚度有关,断裂伸长率越大,能够搭接的裂缝宽度就越大;相同的聚合物,膜的厚度越大,能够搭接的裂缝宽度就越大(见表31).乳液聚合物改性水泥浆体中,例如丁苯胶乳改性水泥砂浆14,当聚合物质量分数只有10%时,聚合物虽然已经形成了网状结构,但聚合物膜还很薄、很不完整,部分网络骨架是由直径约为0.5m的颗粒堆积而成的.所以,该种浆体的抗氯离子渗透性能较差.因此,只有断裂伸长率较大的聚合物膜才有一定的搭接裂缝的能力.表3聚合物水泥防水涂料的断裂伸长率与裂缝搭接能力的关系Table3Relationshipofelongationatbreakandthecrackbridg

19、ingofflexibleslurryPolymermodifiedcementpasteFilmthickness/m200012000800200022000800Curing28ddry7ddry+24dwater28ddry28ddry7ddry+24dwater28ddry14362Elongationatbreak/%7240Crackbridging/mm3结论1.采用合适的聚合物乳液以合适的比例进行共混,可以降低砂浆的氯离子扩散系数.少量氯偏乳液与丁苯胶乳共混,可以显著降低改性砂浆的氯离子扩散系数.苯丙乳液与丁苯胶乳的共混,其质量比为3241

20、时,改性砂浆的氯离子扩散系数最小,此时砂浆仍然保持较好的力学性能.2.聚合物乳液改性砂浆的氯离子扩散性与聚合物本身的拉伸强度和断裂伸长率有关.聚合物本身的拉伸强度越低、断裂伸长率越大,则改性砂浆的氯离子扩散系数越小.改性砂浆的氯离子扩散系数与聚合物本身的拉伸强度呈线性关系,而与聚合物本身的断裂伸长率呈对数关系.例如,共混乳液薄膜的断裂伸长率从200%300%增大到800%以上时,相应改性砂浆的氯离子扩散系数可由(1015)×10-12m2/s降低到(34)×10-12m2/s.4致谢对巴斯夫(BASF)中国有限公司和上海高桥巴斯夫胶乳有限公司提供的实验用乳液样品,笔者在此表

21、示衷心感谢.1)科莱恩(中国)有限公司乳液产品技术资料,2000.© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.320建筑材料学报第6卷参考文献:1FengJ,WinnikMA,ShiversRR,etal.Polymerblendlatexfilms:morphologyandtransparencyJ.Macromolecules,1995,28:767127682.2陈沛智,张高文,李小勤,等.VAE/PA共混体系的研究J.高分子材料科学与工程,1998,14(3):71274.

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