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1 简 介
自1924 年公布第一份PMC 的专利以来, 聚合物改性水泥砂浆和混凝土已得到了有效的发展, 被广泛应用于工程建设中, 如作地面和路面材料、作自防水材料和防水薄膜、作胶粘剂、装饰涂层、修补材料等[ 2] 。近几年来, 为了提高纤维增强水泥和混凝土的工作性、减少干缩、延长耐久性、或为了提高聚合物改性砂浆和混凝土的抗弯强度、韧性和耐冲击性, 钢纤维、玻璃纤维、聚合物纤维或碳纤维经常被用来与聚合物改性水泥共同工作[ 2] 。而与纤维水泥一起用作结构材料或补强材料, PMC 的强度和变形以及延性是值得考虑的重要因素。PMC 的抗压和抗弯强度已有很多的研究成果, 但是对PMC 的应力) 应变关系和延性, 人们还研究得很少。本文系统研究了PMC 的抗压, 抗折强度, 应力)应变曲线和压应力) 应变全曲线, 延性和弹性模量, 也研究了PMC 的内部结构及其与力学性能的关系。
2 试 验
211 材料和配合比
21111 水泥 湖南湘乡水泥厂的525 普通硅酸盐水泥( OPC) , 郑州水泥厂的525 高铝水泥(HAC) 。
21112 聚合物乳液 丙苯乳液, 系丙烯酸及其酯和苯乙烯的共聚物乳液, 固体含量48%。
21113 消泡剂 硅油H201 消泡剂。
21114 减水剂 UNF 高效减水剂。
21115 配合比 所有试件的水灰比(W/ C) 均为0. 3。
聚灰比( P/ C, 聚合物乳液中全部固体用量与水泥用量之比) 为0, 5%, 10%, 15%, 20% , 25% 。
212 试件尺寸
抗压强度、弹性模量、压应力) 应变曲线、超声波扩散速度和衰减系数试验采用40 x 40 x 40mm 试件;抗折强度试验采用10 x 40 x 160mm 试件。
213 试件养护
试件成型后, 用薄膜覆盖于室温30 e 养护17 小时后, 移到调温调湿箱中, 让试件在70 e 、96% R. H 中养护6 小时。试件在箱中自然冷却后拆模, 拆模后的试件置于标准养护室中干燥养护到28 天。
214 试件测试
抗压强度和抗折强度按水泥标准进行; 弹性模量、压应力) 应变曲线、压应力) 应变全曲线按混凝土试验方法进行。
超声波性能测试采用Model CTS- 25 仪, 超声波V = L / t 超声波在试件中的传播时间和超声波的衰减波型。
超声波通过均匀介质的衰减可以用下式表达[ 3] :
式中 A — 超声波在经过X 距离时的波高,
A0 — 直达波的最大波高,
A– 衰减系数,
X — 距离。
因此, 在Model CTS- 25 仪屏幕上测出A0 和A0/e 之间超声波传播的时间差( $t ) 后, 我们可以计算出超声波传播的速度V
V= L/ t
式中 V — 超声波传播的速度,
L — 超声波传播的距离,
T — 超声波传播的时间。
这样, 我们可以计算出衰减系数a
3 结果和讨论
311 超声波在PMC中的衰减
当超声波遇到两种介质的界面时, 一部分能量会发生散射。散射衰减系数A与界面面积、界面形状和两种介质的声阻抗率差值有关[ 3] , 因此, 我们可以认为散射衰减系数A可以揭示PMC 中每一相的分布状态。从图1 我们可以看到随着P/ C 的变化, PMC 中相的分布状态呈现三种状态。
图1 衰减系数与P/ C 的关系
11 第一种状态, 当P/ C 在0~ 5% 之间时, 聚合物填塞一部分孔隙, 因此一部分固体- 气体界面变成固体- 凝胶界面, 这样, 界面两侧两种介质的声阻抗率差值减少。衰减系数A随着P/ C 的增大而减小。
21 第二种状态, 当P/ C 在5% ~ 20% 之间时, 由于聚合物越来越多, 固体- 凝胶界面越来越多, 衰减系数A随着P/ C 的增大而增大。
31 当P/ C> 20% 时, 随着聚合物量的增多, 聚合物成为连续相, 形成/ 超声波传播桥0, 因此, 衰减系数A减少。
312 PMC的内部结构模型
按照Ohama 的聚合物水泥共混相形成理论[ 4] 和PMC 复合机理[ 5] , 以及上面所述的衰减系数与P/ C的关系, 我们可以认为在不同P/ C 阶段PMC 的内部结构呈现三种形态。当P/ C 小时, 聚合物含量刚够聚合物分散在水泥相中; 当P/ C 适量时, 聚合物和水泥水化产物形成彼此交联的空间网络; 当P/ C 进一步增大, 水泥- 凝胶体- 未水化的水泥颗粒则反而分散在聚合物相中。对本文中的SAE 改性聚合物水泥, 这三种形态的转化点为5% 和20% 。
313 强度
31311 抗压强度
如图2 所示, PMC 的抗压强度随着P/ C 的增大而降低。其原因可认为是水泥相减少的缘故。
图2 抗压强度与P/ C 的关系
31312 抗折强度
如图3 所示, PMC 的抗折强度随着P/ C 的增大而提高。这一是受聚合物的高抗拉强度影响, 二是由于在PMC 微裂缝上的聚合物桥阻止了裂缝的扩展[ 2] 。
图3 抗折强度与P/ C 的关系
314 压应力- 应变曲线和弹性模量
如图4 所示, PMC 的压应力- 应变曲线形状与混凝土的类似[ 6] 。不同之处一是在于它比混凝土的曲线平缓。P/ C 值越大, 曲线越平缓; 弹性模量的测试结果也证实了这一点( 如图5 所示) , P/ C 值越大, 弹性模量值越小。不同之处还在于当应力达到90% 最大值时, 应变几乎象发生塑性流动一样迅速增加。P/ C 值越大, 发生塑性流动应力值越低, 所发生的变形越大。当P/ C 为10% 时, PMC 在破坏之前有很大的变形; 而P/ C为25% 时, PMC 的应力- 应变曲线与聚合物的类似。这也进一步证实了本文提出的内部结构模型。
315 压应力- 应变全曲线
如图6 所示, PMC 的压应力- 应变全曲线形状与纤维混凝土的类似[ 7] 。其最大应力随着P/ C 的增加而减小。当P/ C 为5%时, 象普通混凝土一样, 超过最大应力值后, 承载力迅速降低到零; 当P/ C 为15% 和20% 时, 超过最大应力值后, 承载力下降到最大应力值的50% 处, 应变迅速增长。
图6 PMC 压应力- 应变全曲线
由本文提出的内部结构模型不难解释这一现象:应力达最大值时, 水泥相已破坏, 此后主要由聚合物相来承载。
316 脆性
按照Griff ith. 理论, 脆性材料的拉压比为1/ 8[ 8] ,拉压比越大, 材料的脆性越小。由于抗拉强度很难测试, 因此, 人们经常用抗弯强度来代替抗拉强度[ 9] 。如图7 所示, PMC 的弯压比随着P/ C 的增大而增大。因此, P/ C 越大, PMC 的脆性越小, 延性越大。P/C 为15% 时PMC 的延性是普通水泥的3~ 5 倍。
图7 折压经和P/ C 的关系
总观上述, 在同一P/ C, 用普通硅酸盐水泥的PMC 的强度要高于用高铝水泥的PMC 的强度。这是由于丙苯聚合物与普通硅酸盐水泥的水化产物Ca2+或Ca( OH) 2 反应, 提高了水泥水化产物与聚合物的界面强度, 从而提高PMC 强度。
4 结 论
在不同P/ C 阶段PMC 的内部结构呈现三种形态。当P/ C 小时, 聚合物含量刚够聚合物分散在水泥相中; 当P/ C 适量时, 聚合物和水泥水化产物形成彼此交联的空间网络; 当P/ C 进一步增大, 水泥- 凝胶体- 未水化的水泥颗粒则反而分散在聚合物相中。对本文中的SAE 改性聚合物水泥, 这三种形态的转化点为5%和20%。PMC 的力学性能随P/ C 的变化而变化。抗压强度下降, 抗折强度提高, 变形增大, 延性增加。当压应力达到90% 最大值时, 压应变迅速增大;在模型的第二阶段和第三阶段, PMC 在最大应力处发生塑性流动。当P/ C 由0 增加到25% 时, PMC 的延性增大了2~ 5 倍。聚合物以两种方式影响着PMC 的性能: 一是在低应力时抑制裂缝扩展, 二是当裂缝贯穿水泥相后承担荷载。聚合物的强度越高, PMC 的强度越高。聚合物和水泥之间的反应可以提高PMC 的强度。
