古建筑修复公司-古建筑修复用聚合物砂浆的配合比优化及微结构表征-OK资源网

杨剑1，温晓凯2，张增起1，王军2，王丽丽2，阎培渝1

（1.清华大学土木工程系，北京 100084；2.北京建工新型建材有限责任公司，100015）

摘要：通过正交试验分析了胶砂比、胶材组成、速凝剂掺量、聚合物掺量对某种古建筑修复用的聚合物砂浆的抗压强度、压折强度比、收缩率和拉伸黏结强度等宏观性能的影响，并通过扫描电镜观察和压汞试验分析了该种聚合物砂浆的微观形貌和孔隙特征，得出了修复砂浆的优化配合比，验证了其总体性能的优越性。

关键词：聚合物砂浆；古建筑修复；配合比；正交试验；力学性能；微观结构

0 前言

我国是一个有着悠久历史的文明古国，有许多的古建筑，在历史发展的过程中，由于人为或者自然原因，古建筑会遭到不同程度的损坏。为了使古建筑的历史底蕴长久显现，对古建筑进行保护和修复十分必要。聚合物砂浆作为一种新型的修复材料，因其优异的性能，被广泛应用于各种混凝土结构的修补和加固工程中。采用聚合物砂浆对古建筑进行修复，相比于繁琐的古法修复，工艺更简单，施工更快速，并且修复效果也更好。

目前，国内关于聚合物掺量和聚合物种类对聚合物砂浆性质影响的研究主要有胶粉掺量和胶粉种类对聚合物砂浆性能的影响。高京林等的研究表明，随着聚合物胶粉掺量增加，砂浆的拉伸黏结强度和压剪黏结强度也都增加。王月明等的研究表明，胶粉的掺入会导致砂浆抗压强度降低，过多的掺入还会导致砂浆的抗折强度降低。岳汉威等的研究表明，随着胶粉掺量的增大，硬化浆体的收缩率增大。本文针对在某个古建维修项目中用到的聚合物砂浆进行研究，在对该古建筑进行维修施工过程中，遇到了基层平整度不统一、基层附着力不统一等问题，且项目要求修复后的墙面不能出现开裂及通裂。这就对聚合物砂浆的抗压强度、压折比、收缩率和拉伸黏结强度等性能提出了要求。本文通过正交试验，研究胶砂比、粉煤灰掺量、速凝剂掺量、胶粉掺量对聚合物砂浆性能的影响，对现有配合比进行优化，并利用电镜观察净浆的微观形貌，用压汞法分析净浆的孔隙特征。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5 级水泥，其化学组成见表1，性能指标见表2。

粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，其性能指标见表3。

天然砂：河北涞水拒马河Ⅱ区中砂。

纤维素醚：10W-HPMc（E）纤维素醚。

可再分散乳胶粉：5388可再分散乳胶粉。

淀粉醚：羟丙基淀粉醚。

纤维：6 mm聚丙烯纤维。

速凝剂：唐山某公司产，型号BJX-a。

1.2 试验方法

聚合物砂浆的抗压强度、抗折强度及压折比的测试应按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》的要求成型、养护和测试。收缩测试参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》成型试件，试件成型后放入温度为20 ℃，相对湿度为90%的养护箱，养护1 d后拆模，并使用比长仪测量试件长度，作为初始长度L0。接着放入温度20 ℃，相对湿度不低于90%的养护室养护至14 d，之后转入温度为20 ℃，湿度为60%的环境室。使用比长仪测量各龄期试件的长度Lt，并按式（1）计算收缩率。

式中：

εt—相应t时刻的收缩率；

L0 —初始长度，mm；

Lt —t时刻的长度，mm。

28 d拉伸黏结强度的测试参照JGJ/T 70—2009的规定进行。取养护28 d的砂浆试样，浸泡于无水乙醇中中止水化。用FEI QUa nTa 200 FEG场发射环境扫描电子显微镜观察新鲜断口的微观形貌。用autoPoRe Ⅳ 9500压汞仪测试样品的孔结构。

1.3 试验安排

采用正交试验设计，设置胶砂比、粉煤灰掺量（固定胶凝材料总量不变）、速凝剂掺量和胶粉掺量为变化因素，每个变化因素设置3个变化水平，变化因素及变化水平设置见表4。

对于四因素三水平正交试验，选取L9（34）正交表，正交试验配合比见表5。

2 试验结果与分析

2.1 砂浆的抗压强度

按照正交试验分组测得各组砂浆的28 d抗压强度见表6。

分析表6，由各个因素极差的相对大小，可以得到各因素对砂浆的抗压强度的影响程度大小。将各影响因素按对砂浆的28 d抗压强度影响程度从大到小排序为：粉煤灰掺量>速凝剂掺量>胶砂比>胶粉掺量。各因素的影响程度除了与该因素本身有关，与选择的变化水平以及砂浆原有配合比都有关。随着胶砂比增大，也即砂用量的减少，砂浆的28 d抗折强度先减小后增大。不过可以看出，胶砂比对砂浆抗压强度的影响比较小。随着粉煤灰掺量的减少，胶凝材料中水泥含量的增加，砂浆的28 d抗压强度都显著增加。这是由于粉煤灰的反应活性远比水泥低，早期粉煤灰的水化虽然已经开始，但水化程度比较低，主要是由水泥的水化产物形成强度，在胶凝材料总量一定时，水泥含量越多，强度也就越高。随着速凝剂掺量的提高，砂浆的28 d抗压强度也提高，并且从水平1到水平2，抗压强度增长较为平缓，从水平2到水平3增长比较显著。但胶粉的掺量增多，会使砂浆的28 d抗压强度降低，从水平1到水平2降低较显著，从水平2到水平3降低较少。按照抗压强度越高越好选择各因素的最优水平，砂浆配合比的最优水平组合为3331。

2.2砂浆的压折强度比

利用测得的砂浆的28 d抗压强度和28 d抗折强度，得到砂浆的28d压折强度比见表7。

分析表7，可以将各因素对砂浆的28 d压折强度比影响程度排序：胶粉掺量>粉煤灰掺量>速凝剂掺量>胶砂比。随着胶砂比的增大，砂浆的28 d压折强度比减小。随着粉煤灰掺量的减少，砂浆的28 d压折强度比增大。随着速凝剂掺量的增加，砂浆的28 d压折强度比先增大后减小。随着胶粉掺量的增加，砂浆的28 d压折强度比减小。由于砂浆柔韧性的要求，其压折强度比越小越好。增大胶粉掺量，可以显著降低砂浆的压折强度比，这也是胶粉的重要作用之一。以压折强度比最低选取最优水平，砂浆配合比的最优水平组合为3113。

2.3 砂浆的收缩率

利用正交分析的方法得到各因素各水平下砂浆试件收缩的发展，得到结果如图1所示。

由图1（a）可知，胶砂比为水平2时，砂浆的早期收缩率略大于水平1，但从11 h开始，水平2的收缩率就开始远远低于水平1和水平3。这说明胶砂比水平2最有利于减小砂浆的收缩。由图1（b）可知，粉煤灰掺量为水平2时，早期收缩率最小，但从11 h之后就远远大于水平1和水平3。11 h之后，水平1和水平3的收缩率很相近。综合来看，水平3最有利于减小砂浆的收缩。由图1（c）可知，速凝剂掺量为水平3时，砂浆的收缩率总是最小。这说明该种速凝剂的掺入可能有利于减小收缩。由图1（d）可知，聚合物胶粉掺量为水平1时，从11 h之后收缩率就显著小于水平2和水平3，也就是说随着胶粉掺量的增加，收缩率有变大的趋势。聚合物胶粉在硬化浆体中形成乳胶膜，乳胶膜可以阻碍水分迁移，从而减少硬化浆体在干燥环境下的失水。但是乳胶膜自身是一种具有较强的吸水膨胀，失水收缩性质的物质，其在干燥环境下失水会产生较大收缩，这可能是胶粉掺入会增大砂浆收缩的原因。综合以上分析，不考虑早期（24 h之内），最有利于减小收缩的砂浆配合比最优水平组合为2331。

2.4 砂浆的拉伸黏结强度

按照正交试验分组测得各组砂浆28 d拉伸黏结强度见表8。

分析表8可知，各因素对砂浆的拉伸粘结强度的影响程度由大到小依此是：粉煤灰掺量 >胶砂比>胶粉掺量>速凝剂掺量。按拉伸黏结强度越大越好的原则，选取砂浆的最优水平组合为1323。表8显示胶砂比为水平2时，砂浆的拉伸黏结强度最小。随着粉煤灰掺量的减少，砂浆的拉伸黏结强度增大，这与抗压强度和抗折强度的变化规律一致。随着速凝剂的掺入，砂浆的拉伸黏结强度降低，不过影响程度不大。随着胶粉的掺入，砂浆的拉伸黏结强度上升，这也是掺入胶粉的重要作用。

2.5 砂浆配合比的综合最优水平组合

通过以上探讨各因素对聚合物砂浆的抗压强度、压折强度比、收缩率、拉伸黏结强度的影响，并针对各项性能选取出了最优配合比，如表9所示。对于不同性能，选取出的最优水平组合是不一致的，因此，需要综合考虑各因素各水平的影响，确定综合最优水平组合。胶砂比为水平3时，对于降低压折比最有利，并且最有利于增大抗压强度，对拉伸黏结强度来说相对于最优值也相差不大，虽然会使收缩增大，但综合考虑认为水平3为最优水平。粉煤灰掺量水平3最有利于降低收缩和增大拉伸黏结，对于抗压强度也是最优水平，粉煤灰掺量认为水平3最优。速凝剂掺量水平3有利于增大抗压强度和减小收缩，并且对于压折强度比，也是处于中间水平的次优选择，速凝剂水平3最优。胶粉掺量3有利于减小压折强度比、增大拉伸黏结强度，但不利于增大抗压强度和减小收缩，综合考虑认为水平3最优。于是选取砂浆配合比综合最优性能组合为3333。

2.6 微观形貌分析

根据宏观试验的结果，选择正交试验设计中的宏观性能差别较大的第4组、第6组、第9组用SEM观察硬化砂浆的微观形貌。

图2为第6组净浆的微观形貌，另两组净浆的微观形貌与之类似。由图2可见，由于这种聚合物砂浆的水灰比很高（1∶1），砂浆内部孔隙很多，整体比较疏松，水化产物有足够的生长空间，并且由于孔隙过大，粉煤灰颗粒虽然表面被水化产物包裹，但被包裹的粉煤灰颗粒与粉煤灰颗粒之间连接比较弱，导致强度较低。图3为不同抗压强度砂浆配合比的硬化浆体与纤维之间的结合状态，可以看出强度高的配合比，浆体与纤维之间的结合更紧密。

2.7 硬化砂浆的孔隙特征

由压汞法得到养护28 d的砂浆的孔隙分布，各组样品的最可几孔径见表10。

由表10可知，聚合物砂浆由于其高水灰比，孔隙主要是孔径2 000 nm左右的大孔。参照吴中伟提出的孔径划分方式：孔径20 nm以下的为无害孔，孔径20~100 nm为少害孔，孔径100~200 nm为有害孔，孔径200 nm以上为多害孔。

各个影响因素的不同水平的砂浆孔径分布结果见图4。随着粉煤灰的掺量增多，多害孔和有害孔的体积减小，少害孔和无害孔的体积增多（图4a）。这可能是由于粉煤灰的火山灰反应改善了孔结构，细化了孔径。随着粉煤灰的掺量增加，20 nm以下孔的增多可能还与矿物掺合料生成的凝胶的孔隙率比水泥生成的凝胶更大有关。从图4（b）可以看出，速凝剂掺量为水平2时，有害孔和多害孔的总体积最小，少害孔和无害孔的总体积最大。但速凝剂对砂浆孔隙分布的影响规律不明确，这可能是因为速凝剂主要在早期起作用。图4（c）显示随着胶粉掺量的增加，多害孔体积增大，这可能与胶粉的引气作用有关。随着胶粉掺量的增加，少害孔和无害孔的体积减小。

2.8 优化配合比与原配合比性能对比

所得到的最佳性能组合不在本研究的试验分组之中，为了验证最优性能组合的综合性能，将优化配合比和原始配合比的抗压强度、压折比、收缩率和拉验证试验的成型、养护、测试条件与正交试验的成型、养护、测试条件可能有所差别，因此，数据不具有可比性。分析表11可知，优化配合比和原配合比的抗压强度在所有龄期都比较接近，在7 d龄期，优化配合比抗压强度略低于原配合比，在14 d和28 d龄期优化配合比强度都略高于原配合比。优化配合比收缩率略低于原配合比，压折比和拉伸黏结强度相对于原配合比都有显著改善。为了改善压折比和提高拉伸黏结强度，加大胶粉用量十分有效，但胶粉掺量增高，又会导致强度下降和收缩增大，因此需要调整其他材料的用量来减小甚至消除这种负面影响。