苯丙乳液對硫鋁酸鹽水泥性能的影響

摘要 主要研究了聚灰比、水灰比和減水劑摻量對硫鋁酸鹽水泥性能的影響，并結合高分子聚合物聚結原理分析了聚合物改性水泥基材料的膠結機理。結果表明：加入苯丙乳液后的聚合物硫鋁酸鹽水泥的抗壓強度降低的較明顯，當聚灰比為5%時，抗壓強度相對較高，繼續增加摻入量，抗壓強度繼續下降；加入苯丙乳液后的聚合物硫鋁酸鹽水泥的抗折強度變化較小；隨著苯丙乳液摻入量的增加，聚合物硫鋁酸鹽水泥的凝結時間逐漸增加；聚合物硫鋁酸鹽水泥具有良好的抗滲性和抗硫酸鹽侵蝕性，且隨摻入量的增加兩性能逐漸提高。

關鍵詞 苯丙乳液 硫鋁酸鹽水泥 性能

中圖分類號：TQ172.99 文獻標識碼：A

0 引言

　　水泥的應用歷史已近二百年之久，是目前用量最大的建筑材料之一。盡管水泥材料有很多優點，例如有較高的抗壓強度，較強的適應性及經濟性等，但也有其自身難于克服的缺陷，如脆性大，柔性低，自重大，凝結硬化較緩慢，干縮量大，抗滲性能差，抗化學腐蝕能力不強等^[1]。與普通水泥相比，聚合物水泥的漿體結構更加致密，工程上常使用不同聚合物乳液改性的水泥砂漿作為抹面材料,包括樓地板、路面板、粘結劑、整體防水、裝飾涂層、修復材料及防護涂層^[2]。 聚合物水泥是由水泥與有機高分子聚合物復合而成的有機無機復合材料, 可以有效地改善水泥及其混凝土的許多性能，甚至賦予水泥混凝土新的性能。在水泥混凝土中加入少量有機高分子聚合物，既可以使混凝土獲得高密實度，又不至于使混凝土的脆性加大,這樣便可制得高強度、高抗滲、高耐腐蝕性的水泥混凝土材料，從而進一步拓寬了混凝土的使用領域^[3]。硫鋁酸鹽水泥是用量最大的特種水泥，在我國得到了廣泛生產和應用，該水泥具有突出的快硬早強特性，并具有體積微膨脹、抗腐蝕和低堿度等性能。因此，通常被用于制造防腐抗滲材料、快速修補材料和新型墻體材料等。但是，僅用硫鋁酸鹽水泥制造的防腐抗滲和修補材料，其水化硬化漿體的孔隙率依然較大，抗腐蝕能力仍不能滿足工程要求。本文主要研究了苯丙乳液對硫鋁酸鹽水泥的組成、結構和性能的影響，進一步改善其防腐抗滲性能。

1 原料與實驗方法

1.1 原料

　　硫鋁酸鹽水泥來自山東某特種水泥廠，苯丙乳液為萬利化工有限公司生產，聚羧酸減水劑是淘正化工有限公司產品。

1.2 實驗方法

　　（1）水泥強度：水泥凈漿成型采用0.30水灰比，試體尺寸為2×2×2cm³。水泥砂漿采用標準成型方法，試體尺寸為40×40×160cm³。試體均在20˚C、相對濕度為95%的條件下養護24h，脫模后放入20˚C水中養護至規定齡期。

　　（2）水泥凝結時間：凝結時間測定參照 GB/T 1346—2001《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》進行。

　　（3）水泥抗滲性：按水:灰:砂為1:2:6配合，在高為30mm，上直徑為70mm，下直徑為80mm的抗滲試模中成型，養護至28天，進行抗滲實驗。水壓從0.2MPa開始，2h后每隔1h增加0.1MPa水壓，1MPa水壓時，恒壓8h。將其劈開取五個點，用直尺測量滲水高度。

　　（4）水泥砂漿抗硫酸侵蝕性：采用GB2420－81《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗方法》制備試樣和成型，即膠砂比為1：2.5，試體尺寸為10×10×60mm³，在標準養護箱中養護1天后拆模，然后放在20℃水中養護7天，將試件分為4組，其中2組放在20℃水中養護，另外2組則放在3%的硫酸鈉溶液中，養護時間為3天和28天，觀察其外觀并測定其強度。試件在浸泡過程中，每天一次用H₂SO₄滴定以中和試件在溶液中放出的Ca(OH)₂，使溶液的PH值保持在7.0左右。試件浸泡至28天后，測其抗折強度。抗蝕系數參考GB2420－81《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗方法》計算，抗蝕系數計算公式如下：K=R_液/R_水 (2.1)

　　式中 K——抗蝕系數

　　R_液——試件浸泡在腐蝕液中的抗折強度/MPa

　　R_水——試件在水中養護同齡期的抗折強度/MPa

2 結果與分析

2.1 苯丙乳液對硫鋁酸鹽水泥強度的影響

　　在聚合物硫鋁酸鹽水泥中苯丙乳液的摻量用聚灰比表示，本實驗選擇的聚灰比分別為0%、2.5%、5%、7.5%、10%和15%，試體經成型養護后測定其凈漿抗壓強度，實驗方案和結果見表1和圖1。從表1和圖1可以看出，在標準養護條件下，摻入聚合物苯丙乳液后硫鋁酸鹽硬化水泥漿體的抗壓強度均有一定程度的下降，當苯丙乳液摻量較少時其抗壓強度就有明顯降低，但是聚灰比超過2.5%后強度出現小幅度回升，而聚灰比為5%時水泥的抗壓強度相對較高，繼續增加聚合物的摻量時其抗壓強度又開始繼續下降。

表1 苯丙乳液對水泥凈漿抗壓強度的影響

Table 1 The effects of styrene-acrylic emulsion on the compressive strength of cement paste

　　表2和圖2、圖3給出了苯丙乳液聚合物對硫鋁酸鹽水泥砂漿強度的影響。可以看出，其抗壓強度的變化規律與苯丙乳液對水泥凈漿強度的影響相似，在聚灰比為2.5%～5%時，聚合物硫鋁酸鹽水泥的抗壓強度相對較高，當聚灰比超過7.5%時，其抗壓強度顯著降低，當聚灰比達15%時，其抗壓強度損失達50%以上。但同時可以發現，苯丙乳液對抗折強度的影響相對很小，

　　與不摻聚合物的試樣相比，聚灰比為2.5%～5%時，抗折強度基本不降低，當聚灰比超過5%時，抗折強度才有一定程度下降。這為利用聚合物硫鋁酸鹽水泥制造非承重型防水抗滲材料奠定了重要基礎。

2.2 苯丙乳液對硫鋁酸鹽水泥凝結時間的影響

　　硫鋁酸鹽水泥是一種以C₄A₃S和β-C₂S為主要礦物的膠凝材料，它具有早強、快硬、高強等特點，特別是其凝結時間是評價硫鋁酸鹽水泥性能的重要指標。與普通硅酸鹽水泥相比，硫鋁酸鹽水泥的凝結速度較快，凝結時間較短，初凝與終凝的時間間隔也較短^[4-5]。表3和圖4給出了苯丙乳液對硫鋁酸鹽水泥凝結時間的影響。從表3可以看出，當聚灰比為2.5%時，硫鋁酸鹽水泥的初終凝時間略有縮短，但隨著聚合物摻入量的增加，水泥的初凝時間和終凝時間都有所延長。但從圖4可以看出，摻入苯丙乳液后，對初凝和終凝的時間間隔影響不大。

表3 苯丙乳液對水泥凝結時間的影響

Table 3 The effects of styrene-acrylic emulsion on the setting-time of cement

2.3 苯丙乳液對水泥砂漿抗滲性能的影響

　　表4給出了聚合物硫鋁酸鹽水泥砂漿的抗滲性能，用一定水壓下試件的滲透高度來表示。從表4可以看出，隨著苯丙乳液摻入量的增多，聚合物硫鋁酸鹽水泥砂漿試樣的平均滲透高度逐漸減少。為了更的直觀性分析砂漿抗滲性能變化，據表4繪制了圖5。

表4 各試樣的平均滲透高度

Table 4 The average penetration height of samples

　　Ohama^[6]和J.A. Lavelle^[7]等認為，隨著水泥水化的進行，聚合物乳液中的水分逐漸失去，聚合物顆粒相互靠近，最終相互黏結，在水泥水化產物周圍和集料表面形成薄膜，使水泥水化產物之間以及水化產物和集料之間的結合力增強，同時聚合物顆粒對漿體孔隙的填充作用可使硬化水泥漿體的密實度提高，從而改善了漿體的抗滲性能。

2.4 苯丙乳液對水泥砂漿抗硫酸鹽侵蝕性的影響

　　本實驗采用膠砂比為1:2.5，水灰比為0.3，試樣尺寸為10×10×60mm³，選擇聚灰比分別為0%、2.5%、5%、7.5%、10%、15%，記試樣編號分別為C0、C1、C2、C3、C4。將試體分別放入水和3%Na₂SO₄溶液中浸泡28d齡期，測定其抗折強度，結果見表5。由表5可以看出，聚合物硫鋁酸鹽水泥凈漿在3%Na₂SO₄溶液中浸泡時，其抗折強度的損失很小，說明聚合物硫鋁酸鹽水泥具有優異的抗硫酸鹽侵蝕性，并且隨著苯丙乳液摻量的增加，其抗蝕系數逐漸增大。其主要原因可能是聚合物優異的填充效應及在漿體內部形成的網絡結構，使得硫酸鹽離子難于進入硬化水泥漿體內部，從而使其抗侵蝕性增強。

3 結論

　　(1) 加入苯丙乳液后，聚合物硫鋁酸鹽水泥的抗壓強度降低的較明顯。當聚灰比為5%時，抗壓強度相對較高，繼續增加摻入量，抗壓強度繼續下降。

　　(2) 苯丙乳液對聚合物硫鋁酸鹽水泥的抗折強度的影響很小，當聚灰比為2.5%-5%時，抗折強度基本不降低，當聚灰比超過5%后，抗折強度才略有下降。

　　(3) 聚合物硫鋁酸鹽水泥具有良好的抗滲性和抗硫酸鹽侵蝕性，且隨苯丙乳液摻入量的增加，抗滲性和抗侵蝕性逐漸增強。

　　(4) 隨著苯丙乳液摻入量的增加，聚合物硫鋁酸鹽水泥的凝結時間逐漸增加。

參考文獻

　　1 張宏英. 高性能聚合物水泥混凝土(砂漿)的研究[J]. 廣西電力工程, 1999(4): 77

　　2 韓春源. 單體比例和聚灰比對苯丙乳液水泥砂漿性能的影響[J]. 水利水電科技進展, 2000, 20(1):37

　　3 黃從運,王服人. 聚合物改性水泥混凝土[J]. 材料研究, 2002, 30(5):25

　　4 牟善彬,蘇小萍. 硫鋁酸鹽水泥熟料快凝探因[J]. 新世紀水泥導報, 2000(1):17

　　5 侯文萍,付興華,張華杰等. 外加劑對硫鋁酸鹽水泥性能影響的研究[J]. 硅酸鹽通報, 2003(2):15

　　6 Yoshihiko Ohama. ACI Material Journal, 1987(11-12):511

　　7 Joseph A. Lavelle. ACI Material Journal, 1988(1-2):41