聚合物改性抗裂砂浆的试验

　　摘要：研究了复掺两种不同的纤维和聚合物胶粉对聚合物砂浆抗裂性的改性效果，并对其抗裂改性机理进行了分析。实验表明，随着木质纤维、聚丙烯纤维以及胶粉三者掺量的增加，压折比分别降低了13.36%、15.20%和27.52%。当三者共同作用时抗折强度提高了25.93%，压折比降低了52.94%，且抗折强度最高时压折比最低，显著地改善了砂浆的抗裂性。
　　关键词：聚合物砂浆；胶粉；纤维；抗裂性
　　
　　在外墙外保温系统中，聚合物砂浆是一个核心问题，如何使聚合物砂浆在抗开裂性方面具有更加优异的性能，以达到好的柔韧性和耐久性，通过实验在材料中掺加纤维和聚合物等材料可以改善砂浆的抗开裂性，尤其是砂浆的力学性能和耐久性能改善更加明显。纵观目前已有的研究，较少有复掺两种不同的纤维与聚合物胶粉共同作用对防治水泥砂浆开裂的报道。因此，本文研究了正交实验条件下聚丙烯纤维、木质纤维和聚合物胶粉同时掺入对砂浆抗开裂性的作用效果，并对其改性抗裂机理进行了分析。
　　1原材料及实验方法
　　1.1原材料（1）水泥：北京金隅公司生产的P.O.425#水泥；（2）砂：天然砂；（3）VAE:瓦克公司5044胶粉；（4）纤维：聚丙烯纤维和木质纤维；（5）实验时同时掺加MC、重钙以及其他功能性添加剂。
　　1.2正交试验。为了研究聚合物改性砂浆抗裂机理，设计了三因素三水平正交试验（见表1），考察胶粉，木质纤维以及聚丙烯纤维对砂浆性能的影响。
　　表1影响因素水平表
　　因素 （VAE） （木质纤维） （聚丙烯纤维）
　　水平1
　　水平2
　　水平3 2%
　　2.5%
　　3% 0.3%
　　0.35%
　　0.4% 0.3%
　　0.6%
　　0.9%
　　
　　2结果与分析
　　表2实验结果
　　组别 14d抗折强度(MPa) 28d抗折强度
　　(MPa) 14d抗压强度(MPa) 28d抗压强度
　　(MPa) 14d压折比 28d压折比
　　E1 2.82 3.93 10.55 13.45 3.74 3.42
　　E2 2.85 4.39 8.03 12.33 2.82 2.81
　　E3 2.72 3.87 8.51 11.82 3.13 3.05
　　E4 2.91 4.65 7.32 12.90 2.52 2.77
　　E5 3.42 5.26 6.06 10.76 1.77 2.05
　　E6 3.40 4.08 8.03 9.23 2.36 2.26
　　E7 2.63 3.74 7.74 9.32 2.94 2.49
　　E8 3.12 4.21 7.72 8.19 2.47 1.95
　　E9 3.33 4.60 8.36 9.43 2.51 2.05
　　
　　2.1木质纤维对聚合物砂浆抗裂性的改善作用。随着掺量增加，14天抗压强度先降再升，28天抗压强度则逐渐升高；抗折强度14天与28天先增再降，均低于不掺纤维的；压折比14与28天下降分别达到了9.51%和13.36%，说明纤维掺量上存在一个最佳值（图1）。由表3、4可知，木质纤维对于砂浆压折比的影响显著。由于木质纤维加入砂浆中后，容易分散形成三维空间结构，在一定程度上降低了水泥材料的脆性，致使砂浆试件发生断裂时的变形有所增大，从而使砂浆的抗裂性得到了提高。但并不是纤维的掺量越多提高幅度就越大，因为纤维掺量多了将导致纤维分散不均匀，容易相互缠绕而使孔隙加大、干缩增加。
　　
　　
　　图1抗折强度及压折比与各因子相关性
　　
　　2.2聚丙烯纤维对聚合物砂浆抗裂性的作用分析。随着掺量增加，抗压强度14天时先降后升，28天则持续降低；抗折强度14天和28天的升高幅度最高达到了7.95%和11.42%；压折比为先降后升，其最大降幅分别达14.98%和15.20%（图1）。分析认为当砂浆中加入极少量的纤维时，因纤维需要大量的水泥浆体来包裹，导致浆体含量相对减小，破坏时则表现出强度变小；另一方面当复合基体受压时，由于纤维掺量小而起不到刚性支撑的作用，随着掺量的增加，乱向分布的纤维有利于防止裂隙的产生，同时在裂隙产生后，开裂面的荷载便全部施加到横跨裂纹的纤维上，通过纤维与基材的界面黏结，又将此荷载传递到裂纹两侧的水泥基材上，达到破坏时又产生新的裂纹，这样逐次传递最终使砂浆的强度有所增加。纤维的加入就像在砂浆中掺入了巨大数量的纤维筋，抑制了砂浆的开裂进程，提高了抗裂性。
　　2.3胶粉对聚合物砂浆的改性抗裂作用。随着掺量的增加，砂浆的抗压强度在14天与28天均持续降低，而抗折强度逐渐增高，14天与28天的增高分别为15.59%和23.17%，压折比则分别下降了27.11%和27.52%（图1），说明胶粉能够显著改善砂浆的抗裂性。表3、4的方差分析得到胶粉对于压折比的影响非常显著。分析认为，聚合物胶粉遇水后，胶粉颗粒以布朗运动的方式在水中分散而形成乳液，因水化自干燥或水分蒸发使其胶粉颗粒相互靠近，逐渐凝聚而形成乳胶膜。此类膜是一种凝聚结构，能使细骨料和水泥浆体界面上的微裂纹减少，填补了水泥石中的缺陷及孔隙，聚合物膜的弹性模量比砂浆低，膜层具有较强的变形能力，故其脆性降低，抗裂性得到提高。
　　表314天压折比方差分析表
　　方差来源 偏差平方和S 自由度f 方差V F值 F（0。05）临界值 显著性
　　胶粉 1.16 2 0.58 173.00 19.00 *
　　木质纤维 0.30 2 0.15 45.25 19.00 *
　　聚丙烯纤维 0.32 2 0.16 47.29 19.00 *
　　误差e 0.01 2 0.00   
　　T 2.47 8    
　　表428天压折比方差分析表
　　方差来源 偏差平方和S 自由度f 方差V F值 F（0。05）临界值 显著性
　　胶粉 0.94 2 0.47 75.93 19.00 *
　　木质纤维 0.33 2 0.17 26.88 19.00 *
　　聚丙烯纤维 0.27 2 0.14 21.98 19.00 *
　　误差e 0.01 2 0.01   
　　T 2.09 8    
　　
　　2.4纤维与胶粉共同作用改善抗裂性分析。纤维与胶粉共同作用时，抗折强度14天提高了25.93%，28天提高了40.64%，压折比14天降低了52.94%，28天降低了40.23%，并且抗折强度最高时其压折比降到了最低，可见聚合物成膜效应与纤维的三维网架刚性支撑作用相互影响，相互作用，胶粉增强了纤维与水泥基材的粘结，而纤维也均匀分布在胶粉与水泥基材形成的空间结构中，共同改善了了结构的脆性，提高了砂浆的抗裂性。
　　3结论
　　（1）纤维和聚合物均能有效改善砂浆的抗裂性，但作用机理及效果不同。
　　（2）胶粉对砂浆抗裂性的影响主要是由于胶粉减缓了水化放热速度，聚合物成膜的“微纤维”效应以及与水泥水化产物相互粘结等作用，显著提高了砂浆的抗裂性。
　　（3）不同纤维对砂浆抗裂作用的效果不同。
　　（4）纤维与胶粉共同作用时，抗折强度14天提高了25.93%，28天提高了40.64%，压折比14天降低了52.94%，28天降低了40.23%，并且抗折强度最高时其压折比降到了最低。
　　
　　参考文献：
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