聚合物对超高韧性水泥基复合材料性能的影响

建筑材料学报

JOURNAL OF BUILDING MATERIALS

2018年2月

Vol. 21，No. 1

Feb. ,2018

文章编号！007-9629(2018)01-0026-007

聚合物对超高韧性水泥基复合材料性能的影响

李

悦

1 !

朱金才\\ 吴玉生2

(1.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京10012-

2.中国建材检验认证集团厦门宏业有限公司，福建厦门361000)

摘要：采用苯丙乳液和环氧乳液对超高初性水泥基复合材料（UHTCC )进行改性，研究二者对 UHTCC力学性能、黏结强度、收缩率的影响.结果表明：对比未改性UHTCC，苯丙乳液和环氧乳 液改性的UHTCC抗压强度和抗折强度均降低，但黏结强度提高，收缩率减小；苯丙乳液改性 UHTCC的极限应力和早期初裂应力降低，但90d的初裂应力提高，极限应变保持不变，初裂应变 增大；环氧乳液改性UHTCC的极限应力、初裂应力提高，初裂应变增大，但极限应变减小，拉伸应 变硬化现象不显著.

关键词：超高初性水泥基复合材料；苯丙乳液；环氧乳液&力学性能&黏结强度&收缩中图分类号：TU528. 41

文献标志码：A

doi：10. 3969/j. issn. 1007-9629. 2018. 01. 005

Effect of Polymer on Performance of Ultra-high Toughness

Cementitious Composites

LIYue12. China Building Maternal Test

，ZHUJincat1， WU Yusheng2361000，China)

(1. Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124, China；

g Certification Group，Xiamen Hongye Co.，Ltd.，Xiamen

Abstract: The ultra-high toughness cementitious composites (UHTCC) were modified by styrene-acrylic emulsion and epoxy emulsion，the effect of the emulsion on the mechanical properties，bond strength and shrinkage of UHTCC was studied. The results show that compared with the unmodified UHTCC， the compressive strength and flexural strength of the modified UHTCC by styrene-acrylic emulsion and epoxy emulsion are lower，but the bonding strength is higher， the shrinkage rate is lower； the ultimate stressand initial stress at early age of styrene-acrylic emulsion modified UHTCC is decreased, but initial stress is increased at 90 d age， the

ultimate

strain is

unchanged，

and

the

initial strain is

stress，the initial stress and initial strain of epoxy emulsion modified UHTCC are increased，but the ulti­mate strain is decreased，the tensile strain hardening phenomenon is not significant.

Keywords： ultra-high toughness cementitious composite(UHTCC) ； styrene-acrylic emulsion； epoxy emu­lsion； mechanical property； bonding strength； shrinkage

传统混凝土脆性大、抗拉强度低、极限伸长率 小、裂缝难以控制等缺点了其在结构中的使 用1，特别是制约了其在对抗拉承载力、耐久性能和 抗震性能有较高要求的工程结构中的使用.Li 等[23]提出的工程水泥基复合材料（ECC)，徐世烺

等4称其为超高韧性水泥基复合材料（UHTCC)， 因为具有较高的延性和裂缝控制能力，成为近年来 研究较多的建筑材料.但是，由于UHTCC在配制 过程中使用的骨料为细骨料，导致其收缩变形大于 普通混凝土[56].将UHTCC作为加固材料应用时，

in

收稿日期：2017-01-17 ；修订日期：2017-03-08

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51678011)北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划项目（CIT&TCD20150310) 第一作者:李悦（1972—），男，河北唐山人，北京工业大学教授，博士生导师，博士. E-mail!iyue@but. edu. cn

第1期李悦，等：聚合物对超高韧性水泥基复合材料性能的影响

随着修复结构尺寸的增加，不同的收缩率导致的变 形不协调而引发

一

步

研

究

，在

配制UHTCC过程中，为提高其韧 能，用大量

水泥，导致其黏结性能降低，而加固修复

材料与

土之间黏结性能

， 固

修复的可靠性[8—9].邓明科等M UHTCC面层力a

固砌体墙时，面层整体脱落，不能

发挥

力学性能.若使用低收缩、高黏结性能的UHTCC，则 可更好地发挥其高韧性，从而提高结构的耐久性，延

寿命.

苯丙乳液和环氧乳液与水泥基材料混合使 用，可提高韧性、渗 、 ，改善黏结性能[1115]，，目 苯丙乳 环氧乳

t

UHTCC 改

研究较少，

苯丙乳

液和环氧乳液改性UHTCC的性能与机理进行了

研究.

1

试验

1.1

原材料及配合比

水泥采用P • 0 42. 5水泥，密度为3. 1g/cm3 ; 采用#级粉煤灰，

面积为4 013 cm/g，

密度为2. 31 g/cm3 ;石英砂采用160 %m(90目）细砂; 苯丙乳液为Acronal PS 608,固含量(质量分数）50%， 国巴斯夫公司生产；环氧乳

SM828水性环氧

乳液，固含量50% ;固化剂为Anquamine 287,固含量 50%，美国空气产品公司生产；PVA纤维为K-# REC15型纤维，日本Kuraray公司生产，主要性能 如表1所示.苯丙乳液、环氧乳液H固 均水泥H石英砂H 质

6%，固

与环氧乳液的质

1.3 : 1.0，PVA纤维

配合料体积的2%，改性UHTCC的水胶比、砂胶比、

与基准配合比相同，基准配

如表2

所.

表1 PXA 的性能指标

Table 1 Properties of PVA fiber

Tensile strength/ Length/ Diameter/

Density/ Elasticity modulus/ MPa mm %m (g • cm 3)

GPa1 600

12

39

1. 3

42. 8

表2基准配合比

Table 2 Basic mix proportion

Cement/ 饥（fly ash)/

m(sand)/ m(water)/

(kg • m 3)

m(cement)

m(binder)

饥（binder)

386

2.2

0.36

0.33

1.2试验方法

:水泥、粉煤灰、石英砂依次倒人搅拌

机中干拌2 min,加水和聚合物湿拌3 min,然后加 PVA纤维，高速搅拌5 min 均匀，成型

24 h后脱模，在（20±2) °C相目对湿度95%的条件下

养护 7,28,90 d.

抗压、抗折强度测试：按照GB/T17671—1999 《水泥胶砂

检

（S0方法）》进行，抗压试

件尺寸为40 mmX 40 mmX 40 mm,抗折试件尺寸 为 40mmX 40mmX 160 mm,

轴向拉伸:试件为哑铃型，采用钢模具浇筑，厚度 为13 mm,采用电子引伸计测量轴向变形，标距50 mm， 最大变形量为10%，加载速率为0.1mm/min，拉伸试

如图1所示.

.rA

-------\\ /

30■

图1轴向拉

Fig. 1

Uniaxial tensile specimen sizeCsize： mm)

黏结抗拉强度试验：按照YGY/T 70—2009《建

筑砂浆基

能

标准》进行，基底为70 mm

X 70 mmX 20 mm

水泥砂浆块，UH

TCC

试件尺寸

为40mmX40 mmX10 mm,黏结拉伸装置如图2

所

.

1—Cement mortar; 2—Drawing; 3—UHTCC;

4—Fixture; 5—Adhesive图2黏结拉

置

Fig. 2

Device of bonding tensile test

干燥收缩试验:按照YGJ/T 70—2009进行，试件

尺寸为40mmX40mmX160mm,养护条件为：温度 (20±2) C相目对湿度（60±5)%

.

采 测试

试件长度，第1周每天测试1次，之后7 d测定1次， 直至90 d为止.

微观试验：从28 d龄期的试件上截取0.3\"

建筑材料学报第21卷

0. 5 cm3的小块试样，置于无水乙醇中终止水化反 化延缓或终止，从而使抗压强度降低'718] ; (3)由于 应&

放人烘箱中

重，然后

p

SEM和MIP分析.

2

试验结果与分析

2.1

抗压强度和抗折强度

图3&分别为试件的抗压强度、抗折强度.从图

3可以看出：对比基准

，改性UHTCC的抗压强，随着龄期

，其抗压强度升高.在7,

28,90 d龄期时，苯丙乳液改性UHTCC的抗压强 度降低幅度分别为34. 6%，31. 7%，40. 0%;环氧改 性UHTCC的7d抗压强度略有升高，而28,90 d 的抗压强度下降，降低幅度分别为2. 3%，16. 5 %.析其原 ：（1)由于

弹性模量低于水泥

浆体 ，因此掺人后将导致抗压

[16].

又由于环氧

弹 大于苯丙弹

&

环氧乳 改

UHTCC 抗 压

大于苯丙乳液改性UHTCC; (2)部 乳液与水粒形成胶囊结构，导致被包

水

粒水

45

4035302c2d501d51w0R

5^S S扫

3AISS9JduIOo7

28

90

Age/d

图3

抗压强度

Fig. 3

Compressive strength of specimens

^Basic-UHTCC s Styrene-acrylic-UHTCC

■Epoxy-UHTCC

n<3n/M/^JIss!P Inxas28

90

Age/d

图4试件的抗折强度

Fig. -

Flexural strength of specimens

基准

中有大

，早期水化速

，而此时环氧乳 固化反应又先于水

水

，导致环氧改性UHTCC试件7 d的抗压

高于基

准

.

图4可以看出：对比基准试件，改性UHTCC

的抗折强度降低，其中苯丙乳液改性UHTCC的降

最大，其7,28,90 d的抗折 别 ^了22% ,26. 9% ,25.4%，环氧乳液改性UHTCC的降

最小，其28, 90 d的抗折

别

£了

1. 3%，3. 0%，而7 d的抗折 升高.

2. 2

拉伸性能图5

拉伸应力-应变曲线.表3为试件

的抗拉性能，其中/。为初裂应力，为初裂应力对应 的初裂应变，/t为极限应力，St为极限应力对应的极 限应变.图6 拉断面纤维照片.从图5,6和

3可以看出！1)不同龄期时，相比于基准试件，苯 丙 乳

改

UHTCC

拉 力

7，28 d龄期时，其极限拉 变略小于基准

，在90 d龄期时&

拉

变大于基准 ，试件拉

密且均匀，环氧乳液改性UHTCC的极限

拉变显著减小，拉 变

现象不明显;(2) 相 于 基 准

&环 氧 乳 改

UHTCC

苯

丙乳液改性UHTCC的初裂应变增大，在7d龄期

，增大

最为明显，环氧乳液改性UHTCC的

初

变 0.37% 增大 362.5% 苯丙乳 改

UHTCC的初裂应变为0.11%，增大了 37. 5%;(3) 相 于基准

龄 期

环 氧乳 改

UHTCC的初裂应力提高，在90d龄期时，其初裂 应力为3. 2 MPa，提高了 113%•在7,28 d龄期时， 苯丙乳液改性UHTCC的初裂应力降低，但在90 d 龄期 初

力 高.

变化的原

：苯丙乳液延缓了水泥基材

料的水 [11，18]， PVA纤维与基体

J结力，使其容易拔出（见图6(b))，导致拉

力下降，拉 变增大;环氧乳液中含有大量的羟基和醚

键

基团及部分具有较大

环氧基

团，使PVA纤维和基体黏结力增大，导致其容易被 拉断（见图6(c))，从而使PVA纤维的桥接作 ：

明显，拉 变减小，应变硬化现象消失.UHTCC

的初

力和初

变由基体自

抗拉强度和变

形决定.UHTCC改性后& 形成的膜结构具有

抵抗变形能力，可提高基体的韧

强 [19]& 于 高 增

UHTCC

初

力 、 初

变.

第1期李悦，等：聚合物对超高韧性水泥基复合材料性能的影响

29

图5

Fig. 5

拉伸应力-应变曲线

Tensile stress-strain curves of specimens

表3

试件的抗拉性能

Table & Tensile properties of specimens

/c/MPa

Specimen

7 d

Basic-UHTCCEpoxy-UHTCCStyrene-acrylic-UHTCC

2. 62. 918

2.(28 d3. 1

90 d15(.22.6

7d0.080.370.11

28 d0.080.030.12

90 d0.020.030.03

7d3.23.52.5

28 d4. 43.63.1

90 d-.5-.63.6

7d5.101.204. 20

28 d3.501.003.10

90 d3.600.804. 90

'c/J

//MPa

't/J

(a) Basic-UHTCC (b) Styrene-acrylic-UHTCC (c) Epoxy-UHTCC

图&试件的拉断面纤维照片

Fig. 6

Fibers on section(90 d) of fracture specimens

2.3黏结强度

图7为试件的黏结强度.从图7可以看出：相 比于基准

，改性UHTCC

结

明显提高幅别提高了

高，且环氧乳液改性UHTCC黏结 最大，7,28,90 d龄期的黏结

150 J，61J，90 J，苯丙乳液改性UHTCC的黏结 强度分别提高了 75%，38%，44%.其原因是：聚合

粒在水泥水化产物表面沉积，续

膜，

水泥砂浆

面

桥，从而提高

步形 面处，形

E 【

结强度[12’20 22].

30

建筑材料学报第21卷

3.0 2.5

2.0

图8

□ Basic-UHTCC

□ Styrene-acrylic-UHTCC ® Epoxy-UHTCC

微观形貌照片.从图8可以看出，基结构 致密.

，而

改性UHTCC结

准 构

2.4收缩率与孔结构

图） 率；图11

收缩率曲线；图10为试件的孔隙均孔径；图12

孔

^

0.5

7

28

Age/d

布.从图9可以看出：在21 d龄期之前，UHTCC和

90

苯丙乳液改 UHTCC收缩率显著增大，在21〜

减小，在-2 d龄期

，聚合物改性

-2 d龄期时，其收缩率增大

图$试件的黏结强度

Fig. 7

Bonding strength of specimens

后，其收缩率趋于稳定.相比于基准

UHTCC的收缩率减小，其中环氧乳液改性UHTCC

(a) Basic-UHTCC (b) Styrene-acrylic-UHTCC(c) Epoxy-UHTCC

图8试件的微观形貌照片

Fig. 8 SEM micrographs of specimens(28 d$

的减小幅度明显，在90 d龄期时，环氧乳液改性 UHTCC的收缩率为基准试件的58 J，苯丙乳液改 性UHTCC的收缩率为基准

87 J.其原因

收缩孔

:当相对湿度大于50%时，水泥砂浆 主要由毛细孔和大凝胶孔失水所致[23]\"

3025

^ 20

| 15

^10

隙的填充作用阻碍了水分的蒸发[2 2 ]，从而降低了 UHTCC的收缩.从图10〜12可以看出：对比基准试 件，聚合物改性UHTCC的孔隙率和平均孔径降低， 孔径分布得到优化，100〜1 000 nm和>1 000 nm的 孔隙比例降低.试验表明，试件的收缩率与100〜 1 000 nm，>1 000 nm的孔隙比例呈线性关系，随着 大孔隙比例的增加，UHTCC收缩率增大.

18

5 2 9 o6lm3SI

1

i 11

Basic- UHTCC

Styrene-acrylic-

UHTCC Specimen

Epoxy-UHTCC

图1

Fig. 10 0试件的孔隙率 Porosity of specimens

30g 25-

i

1

___1

__»^AAA ~~^

| 20| 15-S 10-<5_

i

tJ；

V

a Styrene-acrylic-UHTCC

■ Basic-UHTCC

0

• Epoxy-UHTCC

i i i i i i i i i i i i7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91

Age/d

麵0你\"/

i

■I■1m

Styrene-acrylic- Epoxy-UHTCC UHTCCSpecimen

Basic-■ UHTCC

纖

1

图9

Fig. 9

收缩率曲线

Fig. 11

图 11 !

Shrinkage ratio of specimens

均 孔

Average diameter of specimens

第1期

李悦，等：聚合物对超高韧性水泥基复合材料性能的影响

31

1o10

%/asn8o

qssIP6o

3zis 4

o

3JO

&2

o

Basic- Styrene-acrylic- Epoxy-UHTCC UHTCC UHTCC

Specimen园 <10nm;國 10-100nm;1^=1100-1 000 nm; > 1 000 nm图12 孔

Fig. 12 Pore size distribution of specimens

3结论(1) 将苯丙乳液或环氧乳液掺人UHTCC后试件的抗压 抗折 .90 d龄期时，苯丙

乳 环氧乳液改性UHTCC的抗压：降低幅别为40. 0J ,16.5%，抗折 别为 25. -%，3. 0%.

(2) 将苯丙乳液掺人UHTCC后，试件的极限

拉伸应力 ，极限拉伸应变和应变 现 持

不变;将环氧乳 UHTCC后， 拉力略微提高， 拉伸应变减小，拉 变硬现象不显著.

(3) 苯丙乳 环氧乳 UHTCC 后

试件的初 变增大；环氧乳液改性UHTCC的初

力提高，而苯丙乳液改性UHTCC的早龄期

(7,28d)初 力降低，90 d的初裂应力提高.(4) 苯丙乳 环氧乳 UHTCC 后

结 高，收缩率减小，在90 d龄期时，

结 别提高44%，90%，收缩率分别为基

准试件的87%，58%.

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