姜克錦， 熊亮， 尹強(qiáng)， 陳輝強(qiáng)*， 陳濤， 劉丹

(1.成都高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 成都 610041； 2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

水泥混凝土橋梁由于長年承受車輛動(dòng)荷載，混凝土底板極易出現(xiàn)不同類型的微小裂縫，包括橫向裂縫、縱向裂縫、網(wǎng)狀裂縫等，這些裂縫在動(dòng)荷載的作用下會(huì)逐漸擴(kuò)展，最后發(fā)展成為橋梁威脅結(jié)構(gòu)安全的病害，所以對(duì)微小裂縫需要進(jìn)行及時(shí)有效的修補(bǔ)。水泥膠漿因?yàn)槠鋸?qiáng)度高、無毒環(huán)保、成本低等優(yōu)點(diǎn)逐漸取代化學(xué)漿材成為混凝土裂縫修補(bǔ)的主要材料，但是傳統(tǒng)水泥基材料滲透性不良，無法滿足橋梁底板微小裂縫修補(bǔ)，且傳統(tǒng)水泥基材料強(qiáng)度形成緩慢、韌性不足，不利于及時(shí)恢復(fù)交通的同時(shí)，在動(dòng)荷載作用下容易重新開裂。因此，許多學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)水泥基材料的不足開展了大量研究，并研制了多種針對(duì)微孔隙注漿的水泥膠漿[1-5]。

研究發(fā)現(xiàn)在聚合物乳液的成膜作用可以有效改善水泥膠漿強(qiáng)度形成后的延展性與韌性[6-7]；聚合物乳液本身的分散能力和表面活性可以增強(qiáng)水泥膠漿的流動(dòng)性與可灌性[8-9]；聚合物乳液還能改善水泥膠漿與舊混凝土間的界面黏附情況[10-11]。李悅等[12]分別利用苯丙乳液與環(huán)氧乳液對(duì)水泥基復(fù)合材料進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)兩種乳液均能提高水泥基材料的初裂應(yīng)變，水泥基材料韌性顯著提高；管學(xué)茂等[13]對(duì)超細(xì)水泥進(jìn)行有機(jī)-無機(jī)復(fù)合改性，大大提高了水泥漿液的可灌性，可以注入開度10 μm的裂縫；況棟梁等[14]通過醋酸乙烯-乙烯共聚物(VAE)改性，制備了水泥混凝土路面修補(bǔ)砂漿，研究發(fā)現(xiàn)VAE提高了水泥砂漿的柔韌性與界面黏結(jié)強(qiáng)度。綜上可知，眾多研究人員利用聚合物乳液對(duì)水泥膠漿進(jìn)行改性，水泥膠漿的韌性、流動(dòng)性等得到了顯著改善，擴(kuò)展了水泥膠漿的應(yīng)用領(lǐng)域，但目前的研究成果多是應(yīng)用于破碎巖層注漿加固、水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)以及伸縮縫填充等領(lǐng)域，對(duì)聚合物改性水泥膠漿的凝結(jié)時(shí)間和早期強(qiáng)度形成鮮有涉及，也沒有針對(duì)水泥混凝土橋梁底板裂縫修補(bǔ)的研究成果。為此，對(duì)聚合物改性水泥膠漿的凝結(jié)時(shí)間、各齡期力學(xué)性能展開研究，為水泥混凝土橋梁底板裂縫修補(bǔ)提供技術(shù)支持。

通過苯丙乳液和納米SiO2復(fù)合改性超細(xì)硅酸鹽水泥與超細(xì)硫鋁酸鹽水泥雙組分膠漿，以期提高修補(bǔ)膠漿的柔韌性和施工性能[15]，滿足混凝土橋梁底板裂縫修補(bǔ)的技術(shù)要求，系統(tǒng)研究苯丙乳液摻量對(duì)超細(xì)水泥膠漿施工性能和力學(xué)性能的影響，并最終確定適用于混凝土橋梁底板裂縫超細(xì)水泥膠漿的最佳組成。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

超細(xì)水泥(CGM)：比表面積≥800 m2/kg，平均粒徑≤5 μm，北京中德新亞建筑材料有限公司；42.5級(jí)超細(xì)硫鋁酸鹽水泥：比表面積≥800 m2/kg，平均粒徑≤5 μm，北京中德新亞建筑材料有限公司；納米SiO2：平均粒徑20 nm，比表面積240 m2/g，泰鵬金屬材料有限公司；HT-851苯丙乳液：固含量50%，pH為4～6，黏度不大于3 000 mPa·s，華騰冀春科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方案

(1)抗折抗壓強(qiáng)度測(cè)試。按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T 17671—1999)，測(cè)試膠漿4 h、1 d、3 d和28 d齡期下的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

(2)拉伸性能測(cè)試。參考《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)中的軸向拉伸試驗(yàn)，將試件尺寸等比例縮小；采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率控制在1 mm/min，拉應(yīng)變通過應(yīng)變片采集，如圖1所示。

(3)抗沖擊性能測(cè)試。參考《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法金屬材料沖擊試驗(yàn)》(GB/T 229—2020)中的擺錘沖擊試驗(yàn)，將路面擺式摩擦系數(shù)儀進(jìn)行改裝得到擺錘式?jīng)_擊儀，試件尺寸為40 mm(長)×40 mm(寬)×160 mm(高)，試件中部溝槽截面10 mm(深度)× 2 mm(寬)，如圖2所示。

圖1 拉伸試件尺寸及拉伸試驗(yàn)裝置Fig.1 Tensile specimen size and tensile test apparatus

圖2 沖擊試驗(yàn)試件及試驗(yàn)裝置Fig.2 Impact test specimen and test apparatus

(4)掃描電鏡。將試樣在100 ℃下烘干至衡重，真空鍍金后置于掃描電鏡中觀測(cè)試樣斷面微觀形態(tài)。

1.3 膠漿的制備

首先按質(zhì)量比6∶4稱取CGM超細(xì)硅酸鹽水泥與超細(xì)硫鋁酸鹽水泥，然后稱取水泥總質(zhì)量2.0%的納米SiO2，將納米SiO2與水泥干拌均勻；按水灰比0.6量取水，將稱量好的苯丙乳液緩慢加入水中攪拌均勻，直至苯丙乳液水溶液完全呈現(xiàn)為乳白色；先將苯丙乳液水溶液倒入攪拌鍋中，再將干拌均勻的水泥與納米SiO2加入攪拌鍋中，先低速(公轉(zhuǎn)速度65 r/min，自轉(zhuǎn)速度140 r/min)攪拌120 s，再高速攪拌120 s(公轉(zhuǎn)速度125 r/min，自轉(zhuǎn)速度285 r/min)；最后將試樣放入溫度±20 ℃，濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至待測(cè)齡期。

2 結(jié)果與討論

2.1 苯丙乳液對(duì)超細(xì)水泥膠漿施工性能的影響

結(jié)合前期研究結(jié)論，取納米SiO2摻量為2.0%(以水泥總質(zhì)量為基準(zhǔn)，下同)，通過研究苯丙乳液摻量對(duì)超細(xì)水泥膠漿凝結(jié)時(shí)間和流動(dòng)度的影響規(guī)律優(yōu)化其配比。分別添加6.0%、9.0%和12.0%(以水泥總質(zhì)量為基準(zhǔn)，下同)的苯丙乳液制備得到超細(xì)水泥膠漿，分別測(cè)試其流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 苯丙乳液摻量對(duì)流動(dòng)度的影響Fig.3 Effect of content of styrene-acrylic emulsion on fluidity

圖4 苯丙乳液摻量對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響Fig.4 Effect of styrene-acrylic emulsion content on setting time

結(jié)果表明，隨著苯丙乳液摻量增大，超細(xì)水泥膠漿的初凝結(jié)時(shí)間和終凝時(shí)間呈現(xiàn)先上升后下降的變化規(guī)律，而初始流動(dòng)度和30 min流動(dòng)度的變化趨勢(shì)則正好相反，且均在苯丙乳液摻量為6.0%處出現(xiàn)拐點(diǎn)。分析其原因，可能是因?yàn)楸奖橐撼嗜鯄A性，而納米SiO2水溶液呈弱酸性，二者發(fā)生了酸堿中和反應(yīng)，生成了一種類似膠乳的新物質(zhì)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的苯丙乳液的用量為6.0%，超細(xì)水泥膠漿的pH接近7。也就是說，6.0%的苯丙乳液正好與2.0%的納米SiO2反應(yīng)完畢。當(dāng)繼續(xù)增大苯丙乳液的用量時(shí)，超細(xì)水泥膠漿的凝結(jié)時(shí)間略有縮短，而流動(dòng)度又開始上升。綜合考慮超細(xì)水泥膠漿的施工性能，推薦苯丙乳液的摻量為9.0%。

2.2 超細(xì)水泥膠漿的力學(xué)性能

2.2.1 苯丙乳液摻量對(duì)超細(xì)水泥膠漿強(qiáng)度的影響

不同苯丙乳液摻量下超細(xì)水泥膠漿不同齡期的抗折抗壓強(qiáng)度如圖5、圖6和表1所示。

圖5 苯丙乳液摻量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of styrene-acrylic emulsion content on bending strength

圖6 苯丙乳液摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of styrene-acrylic emulsion content on compressive strength

表1 不同苯丙乳液摻量下超細(xì)水泥膠漿強(qiáng)度及折壓比

顯然，隨著苯丙乳液摻量的增加，超細(xì)水泥膠漿的早期(4 h和1 d)的抗折強(qiáng)度出現(xiàn)了一定的下降，而超細(xì)水泥膠漿3 d和28 d齡期的抗折強(qiáng)度則呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)，當(dāng)苯丙乳液摻量為9.0%時(shí)，超細(xì)水泥膠漿3 d和28 d的抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別為2.65 MPa和6.36 MPa，相較于苯丙乳液摻量為0時(shí)分別提高了27%和29%?？赡苁且?yàn)楸奖橐簩⑺囝w粒部分包裹，一定程度上阻礙了水化反應(yīng)的進(jìn)行，影響了超細(xì)水泥膠漿早期強(qiáng)度形成[11]，而隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，苯丙乳液穿插于超細(xì)水泥膠漿中形成更加穩(wěn)定密實(shí)的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而增大了其抗折強(qiáng)度。超細(xì)水泥膠漿各齡期的抗壓強(qiáng)度均隨著苯丙乳液摻量的增加而出現(xiàn)了不同程度降低。由圖6所示，4 h和3 d齡期的抗壓強(qiáng)度隨著苯丙乳液摻量的增加緩慢下降，1 d齡期的抗壓強(qiáng)度在苯丙乳液摻量為6.0%急劇下降了54%而后維持平穩(wěn)；28 d齡期的抗壓強(qiáng)度在苯丙乳液摻量不超過6%時(shí)基本不變，而后開始下降較明顯。因此苯丙乳液會(huì)對(duì)超細(xì)水泥膠漿的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，可能是因?yàn)楸奖橐汗袒?，自身的抗壓?qiáng)度相較于水泥膠漿基體而言較小，最終對(duì)基體的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生了削弱作用。

折壓比可以直接衡量材料的韌性，折壓比越大，材料越不容易發(fā)生脆性破壞[13]。進(jìn)一步對(duì)比分析各苯丙乳液摻量下超細(xì)水泥膠漿28 d的折壓比。由表1可知，隨著苯丙乳液摻量增大，超細(xì)水泥膠漿的折壓比呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，并在苯丙乳液摻量為9.0%處出現(xiàn)峰值，表明適當(dāng)摻量的苯丙乳液對(duì)超細(xì)水泥膠漿的韌性產(chǎn)生了一定的有利影響。

2.2.2 苯丙乳液對(duì)超細(xì)水泥膠漿拉伸性能的影響

對(duì)7 d和28 d齡期的試件進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7和圖8所示。

圖7 超細(xì)水泥膠漿7d齡期應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curve of superfine cement slurry at the age of 7 days

圖8 超細(xì)水泥膠漿28 d齡期應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curve of superfine cement slurry at 28 days

可以看出，各種苯丙乳液摻量下7 d齡期和28 d齡期的超細(xì)水泥膠漿的應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎展示出一致的特征：苯丙乳液摻量為0時(shí)，超細(xì)水泥膠漿的應(yīng)力迅速增長并達(dá)到極限值發(fā)生斷裂，而斷裂時(shí)的應(yīng)變很小階段，可以認(rèn)為整個(gè)過程只有一個(gè)彈性階段，屬于脆性斷裂；隨著苯丙乳液摻量的增加，拉伸強(qiáng)度小幅增大，但斷裂時(shí)的應(yīng)變?cè)鲩L十分顯著，可以認(rèn)為超細(xì)水泥膠漿的斷裂過程經(jīng)歷了兩個(gè)階段，即彈性階段和彈塑性階段，前者基本與未摻入苯丙乳液試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相重合，后者是指當(dāng)應(yīng)力增長到一定程度后，曲線斜率減小，應(yīng)力增長速度變慢，應(yīng)變?cè)鲩L迅速，直至達(dá)到極限拉應(yīng)變斷裂。因此，經(jīng)苯丙乳液改性的超細(xì)水泥膠漿明顯改善了超細(xì)水泥灌漿材料的的拉伸變形能力，提高了材料的極限拉應(yīng)力與極限拉應(yīng)變。

為了便于分析，將圖6和圖7中的應(yīng)力-英文應(yīng)變曲線特征值列于表2。

表2 應(yīng)力應(yīng)變曲線特征值

由表2可知，7 d和28 d齡期的極限拉應(yīng)力與極限拉應(yīng)變均隨著苯丙乳液摻量的增加而增大，且28 d齡期的極限拉應(yīng)力與極限拉應(yīng)變的增大更為顯著。當(dāng)苯丙乳液摻量為15%時(shí)，相較于乳液摻量為0%的試件，7 d齡期的極限拉應(yīng)力與極限拉應(yīng)變分別提升了23%和266%；28 d齡期的極限拉應(yīng)力與極限拉應(yīng)變分別提升了48%和566%。說明苯丙乳液極大地提高了超細(xì)水泥膠漿的抗拉強(qiáng)度與拉伸變形能力，材料的力學(xué)特性逐漸由“剛”性向“柔”性轉(zhuǎn)變。

2.2.3 苯丙乳液對(duì)超細(xì)水泥膠漿韌性的影響

以抗沖擊性能與折壓比來表征材料的韌性?？箾_擊性能通過材料單位橫截面消耗的沖擊功表示，沖擊功Wimpact可由試件沖擊后擺錘的擺角θ按式(1)計(jì)算得到，測(cè)試與計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

Wimpact=LGcosθ

(1)

式(1)中：θ為擺錘擺角；L為擺動(dòng)中心距擺錘重心的距離，0.41 m；G為擺錘總重量，15 N。

圖9 苯丙乳液摻量對(duì)超細(xì)水泥膠漿擺角θ與沖擊功的影響Fig.9 Effect of the content of styrene-acrylic emulsion on the swing angleθ and impact energy of ultrafine cement slurry

擺錘擺角θ越大說明試件沖擊過程中消耗的沖擊功越多，抗沖擊性能越好，即材料的韌性越好。由圖8可知，苯丙乳液的摻量越高，擺錘擺角θ越大，苯丙乳液摻量為15%時(shí)，擺錘擺角θ達(dá)到最大值27.9°，相比苯丙乳液摻量為0時(shí)提高了86.7%。因此，苯丙乳液的摻入極大地增強(qiáng)了超細(xì)水泥膠漿的韌性，這對(duì)于承受動(dòng)力荷載的橋梁底板裂縫的修補(bǔ)具有重大的實(shí)際意義。

2.2.4 掃描電鏡分析

為進(jìn)一步觀察苯丙乳液在超細(xì)水泥膠漿中的分布情況，對(duì)試樣的拉伸斷面進(jìn)行掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)分析，結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出，當(dāng)苯丙乳液摻量為0時(shí)，水泥水化晶體以棒條形或針狀的鈣礬石相連，水泥晶體的結(jié)構(gòu)相對(duì)均勻，但是孔隙較多[圖10(a)]；在摻入6.0%的苯丙乳液后，苯丙乳液在水化產(chǎn)物表面形成少量不連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水化產(chǎn)物之間的空隙也有少量苯丙乳液填充[圖10(b)]；隨著苯丙乳液摻量增大，水化產(chǎn)物表面形成的聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)明顯增多并逐漸被包裹，苯丙乳液對(duì)水化產(chǎn)物之間空隙的填充也更徹底，整體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，苯丙乳液已經(jīng)在水化產(chǎn)物表面結(jié)晶成塊狀，聚合物與針狀的水化碳酸鈣、纖維狀的水化硅酸鈣凝膠和較粗的針棒狀的鈣礬石晶體連成一片，形成交錯(cuò)分布、填充密實(shí)的空間骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。苯丙乳液摻量進(jìn)一步增大，苯丙乳液與水化產(chǎn)物之間形成的空間骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐步向連續(xù)的膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化[圖10(c)、圖10(d)]。

綜上所述，苯丙乳液在超細(xì)水泥水化產(chǎn)物的孔隙填充，并在超細(xì)水泥水化產(chǎn)物表面成膜，使得材料本身的空洞和微裂縫減少，特別是尺寸較大的孔及連通孔基本消失，且隨著苯丙乳液摻量的增大，聚合物網(wǎng)膜將水泥硬化槳體包裹，以三維連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)存在水泥基材料中。

苯丙乳液將超細(xì)水泥膠漿本來的剛性-剛性骨架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為剛性-柔性-剛性骨架結(jié)構(gòu)，所以材料的剛性降低，抗壓強(qiáng)度減小，但是抗折強(qiáng)度、極限拉應(yīng)力與拉應(yīng)變和韌性增強(qiáng)。

3 結(jié)論

(1)固定水灰比為0.6且納米SiO2摻量為2.0%時(shí)，苯丙乳液對(duì)超細(xì)水泥膠漿的流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間影響顯著。隨著苯丙乳液摻量的增加，修補(bǔ)膠漿的初始流動(dòng)度和30 min流動(dòng)度呈現(xiàn)先降低再升高的變化趨勢(shì)，而凝結(jié)時(shí)間的變化規(guī)律則正好相反，超細(xì)水泥膠漿的合理配比為：m(超細(xì)水泥)∶m(水)∶m(納米SiO2)∶m(苯丙乳液)=100∶60∶2∶9，其中m為質(zhì)量。

(2)苯丙乳液對(duì)超細(xì)水泥膠漿的早期抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生一定的不利影響，但適量的苯丙乳液可顯著提高28 d齡期的抗折強(qiáng)度和折壓比。

(3)苯丙乳液可顯著提高了超細(xì)水泥膠漿的抗沖擊性能和極限拉應(yīng)變，且齡期越長，這種增強(qiáng)作用越明顯；經(jīng)苯丙乳液和納米SiO2復(fù)合改性的超細(xì)水泥膠漿可望在混凝土橋梁底板裂縫的修補(bǔ)工程中得以推廣應(yīng)用。

(4)苯丙乳液主要以三維連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布于超細(xì)水泥膠漿中，形成了剛性-柔性-剛性的空間骨架結(jié)構(gòu)，從而提高了水泥膠漿的韌性。