颜料对聚合物水泥砂浆性能影响的实验研究

颜料对聚合物水泥砂浆性能影响的实验研究

李广生

北京京城久筑节能科技有限公司 102403

向聚合物水泥砂浆中掺入氧化铁颜料制备彩色聚合物水泥砂浆。研究了不同颜料及其掺量的变化对聚合物水泥砂浆力学性能、工作性能和粘结强度的影响;并借助扫描电镜(SEM)表征了彩色聚合物水泥砂浆的微观组织形貌。结果表明:颜料会一定程度降低聚合物砂浆的抗折、抗压强度;且颜料掺量为5%时，对聚合物砂浆的抗折、抗压强度影响显著;随着颜料掺量的逐渐增加，聚合物砂浆的抗折、抗压强度呈现先增加后平缓的趋势;聚合物砂浆的流动度和粘结强度随颜料掺量的增加而减小。SEM测试结果表明颜料一方面会包裹水泥颗粒，阻碍水泥水化，降低彩色聚合物砂浆的抗折、抗压强度;另一方面颜料能有效填充聚合物砂浆空隙，改善密实度，又提高彩色聚合物砂浆的抗折、抗压强度。

关键词：氧化铁颜料；彩色聚合物水泥砂浆；力学性能；流动度；粘结强度

聚合物水泥砂浆是以聚合物乳液、聚合物纤维和聚合物干粉等有机高分子作为改性剂，与砂浆通过不同方式拌和而成的复合材料，其作为一种新型建筑材料，近年来受到广泛关注。众多学者研究发现，聚合物的掺入改善了普通水泥砂浆的微观结构，使得聚合物水泥砂浆具有良好的力学性能、粘结性能和耐久性能，因此可被广泛应用于路面裂缝修补，隧道罩面养护、建筑装修装饰等众多领域。然而，普通聚合物水泥砂浆由于外观颜色单一、美观效果差等因素，限制了其在某些领域的应用。向聚合物水泥砂浆中添加颜料是使其具有彩色功能的重要途径之一。但从已有的文献及资料来看，有关颜料对聚合物水泥砂浆性能影响的研究甚少，因而研究颜料对聚合物水泥砂浆性能的影响规律是其工程应用亟待解决的首要问题。

基于此，本文通过向聚合物水泥砂浆中添加不同颜料制备得到彩色聚合物水泥砂浆，研究了不同颜料对聚合物水泥砂浆力学性能、工作性能和粘结强度的影响，并借助扫描电镜(SEM)从微观角度分析了颜料对聚合物砂浆力学性能的影响。补充了颜料对聚合物水泥砂浆性能影响的研究，以期为彩色聚合物水泥砂浆的工程应用提供有益参考。

1. 实验过程

1.1原材料

水泥为P．O42.5冀东水泥，其主要性能指标如表1所示;砂为30～60目石英砂;颜料(市购)为氧化铁黄、蓝、绿、橙，主要技术指标如表2所示;水为自来水;聚合物为PVAc乳液，固含量46%，pH为7.1;减水剂为聚羧酸高效减水剂;消泡剂为XS-2510水性消泡剂。

1.2彩色聚合物砂浆的配合比

聚灰比P/C［m(聚合物乳液中固含量)∶m(水泥)］为15%;水灰比W/C为0.45(其中水为聚合物乳液除固含量以外部分水的质量与外加水质量的总和);砂灰比S/C为2;减水剂掺量为水泥的1%;消泡剂掺量为聚合物总量的3‰;颜料掺量分别为水泥质量的0%、5%、8%、11%、14%。

1.3试件的制备与养护

1.3.1试件的制备

将聚合物乳液与水加入搅拌锅搅拌均匀，再将混合均匀后的水泥、砂和颜料加入搅拌锅中，低速搅拌2～3min，然后加入减水剂搅拌1～2min，最后加入消泡剂高速搅拌1min即制备得到彩色聚合物砂浆。将制备的彩色聚合物砂浆倒入40mm×40mm×160mm的三联模中，在振动台上振动成型后抹平即可。

表1水泥的基本性能

表2颜料的基本性能

1.3.2试件的养护

24h硬化后拆模，置于标准养护室养护至龄期。

1.3.3粘结强度试件的成型

先将28d龄期以上的普通砂浆试件切成两段，并将断面进行拉毛、润湿处理后再浇筑不同掺量的彩色聚合物砂浆，成型出40mm×40mm×160mm的粘结强度试件。

1.4性能测试

水泥的标准稠度、凝结时间和安定性依据《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T1346—2001)中的实验方法进行测定。彩色聚合物砂浆流动度依据《水泥胶砂流动度测定法》(GB/T429—2005)进行测定。抗压、抗折强度测定及数据处理依据《水泥胶砂强度测定方法》(GB17671—1999)进行。粘结强度的测定是对养护28d的粘结强度试件进行抗折强度试验。

2. 试验结果与分析

2.1抗折强度

图1表示了四种颜料在不同掺量下对聚合物砂浆抗折强度的影响。从图1中可以看出:彩色聚合物砂浆的抗折强度(记为FS颜色)均小于未掺加颜料聚合物砂浆(基准聚合物砂浆)的抗折强度(记为FS基)。颜料掺量为5%时，黄、橙、绿、蓝四种聚合物砂浆的抗折强度较FS基分别减小了25%、28%、36%、37%，减幅较为明显。当颜料掺量从5%增加至11%时，四种彩色聚合物砂浆的抗折强度有所提高，但当颜料掺量从11%增加至14%时，聚合物砂浆的抗折强度变化不再明显。此外，当颜料掺量一定时，不同颜色的聚合物砂浆的抗折强度如下:FS黄色＞FS橙色＞FS绿色＞FS蓝色。

图1不同颜料掺量对聚合物砂浆抗折强度的影响

2.2抗压强度

图2表示了是四种颜料在不同掺量下对聚合物砂浆抗压强度的影响。从图2中可以看出颜料对聚合物砂浆抗压强度的影响规律与抗折强度大致相同，这里不再赘述。

图2不同颜料掺量对聚合物砂浆抗压强度的影响

综合分析四种颜料对聚合物砂浆力学性能的影响，可以发现:颜料的掺入会一定程度降低聚合物砂浆的抗折、抗压强度，且颜料掺量为5%时，对聚合物砂浆的抗折、抗压强度影响显著，随着颜料掺量的继续增加，聚合物砂浆的抗折、抗压强度逐渐增加，在其掺量大于11%时，强度增加趋于平缓;相同颜料掺量时，黄、橙、绿、蓝四种彩色聚合物砂浆的抗折、抗压强度依次减小。这是由于添加颜料有两方面作用，一方面由于颜料为非胶凝材料，当掺入聚合物砂浆中，不发生化学反应，还会包裹水泥颗粒，阻止水泥与水接触，阻碍水泥水化，因此颜料的掺入会一定程度降低聚合物砂浆的抗折、抗压强度。

另一方面由于颜料的比表面积远大于水泥，当掺入聚合物砂浆时，会吸附大量的自由水，降低了聚合物砂浆的有效水灰比，另外，颜料也可作为一种无机填料来有效填充砂浆孔隙，改善砂浆密实度，从而提高聚合物砂浆的抗折、抗压强度。当颜料掺量为5%时，阻碍水泥水化作用占主导因素，使得5%掺量的颜料对聚合物砂浆的抗折、抗压强度影响显著，当颜料掺量增加时，降低水灰比和填充孔隙作用占主导因素，使得聚合物砂浆的抗折、抗压强度有所提高，而当颜料掺量超过11%时，两方面作用会相互平衡，使得聚合物砂浆的抗折、抗压强度变化不再明显。此外，黄、橙、绿、蓝四种颜料的比表面积依次减小(表2)，其吸附自由水而降低聚合物砂浆有效水灰比和改善聚合物砂浆密实度的效果依次减弱，因此导致在相同颜料掺量时，黄、橙、绿、蓝四种彩色聚合物砂浆的抗折、抗压强度依次减小。

2.3流动度

图3表示了四种颜料在不同掺量下对聚合物砂浆流动度的影响。由图3可知:随着颜料掺量的增加，彩色聚合物砂浆的流动度均减小，其中黄色和橙色颜料掺量从8%增加至14%时，聚合物砂浆流动度的减小幅度降低。这是由于颜料是不溶于水的超细粉料，随着颜料掺量的增加，其吸附自由水的效果更加显著，且颜料会与减水剂中的酸性物质发生反应，减弱了减水剂的作用效果，因此导致彩色聚合物砂浆的流动度随颜料掺量的增加而减小。另

外由于黄色和橙色颜料比表面积较大，当其掺量增加时，颜料团聚在一起，形成大直径颗粒，附着在聚合物和水化产物形成的网状结构之上，起到“滚动轴承”效果，增加了滑动力，平衡了其吸附自由水的作用，因此使得黄色和橙色聚合物砂浆流动度的减小幅度降低。

图3不同颜料掺量对聚合物砂浆流动度的影响

2.4粘结强度

图4表示了四种颜料在不同掺量下对聚合物砂浆粘结强度的影响。从图4中可以看出，颜料的添加降低了聚合物砂浆的粘结强度，且随着颜料掺量的增加，粘结强度下降。这是由于未掺颜料时，部分聚合物渗透到基体结构的孔隙和裂缝中，固化成连续的薄膜后起到桥接作用，将水化产物和基体连接在一起，改善了聚合物砂浆的整体结构，因此粘结强度较高。而掺入颜料时，一方面颜料会阻碍水泥水化，影响了界面处聚合物砂浆强度的形成;另一方面颜料也会裹附聚合物，阻碍其渗透进基体中，弱化聚合物的桥接作用，使得聚合物砂浆未能形成有机整体，因此颜料的掺入降低了聚合物砂浆的粘结强度。随着颜料掺量的增加，两方面的阻碍效果更加显著，最终导致聚合物砂浆的粘结强度随颜料掺量的增加而降低。

图4不同颜料掺量对聚合物砂浆粘结强度的影响

2.5彩色聚合物砂浆的SEM分析

图5是基准聚合物砂浆和彩色聚合物砂浆的微观组织形貌，图5(a)是基准聚合物砂浆，从图5(a)可以看出:PVAc胶乳以膜状物将水化产物粘结在一起，许多膜状物越过孔隙，起到架桥作用，形成相互交错的网状结构，使得聚合物砂浆的抗折强度和韧性有很大改善，但同时存在较多孔隙。图5(b)是颜料掺量为5%的彩色聚合物砂浆，从图5(b)可以看出:颜料与水泥颗粒絮凝在一起，阻碍了水泥与水接触，影响水泥水化成水泥石结构，另外与图5(a)相比，颜料与水泥颗粒包覆在网状结构上，未能有效填充聚合物砂浆孔隙，使得在较低颜料掺量下聚合物砂浆的抗折、抗压强度下降。图5(c)是颜料掺量为15%的彩色聚合物砂浆，与图5(b)相比，较多的颜料有效地填充了聚合物砂浆的孔隙，改善了砂浆的密实度，使得聚合物砂浆的抗折、抗压强度随颜料掺量的增加而有所提高。

图5基准聚合物砂浆和彩色聚合物砂浆的微观形貌

结论：

( 1) 颜料会在一定程度上降低聚合物砂浆的抗折、抗压强度，且颜料掺量为 5% 时，对聚合物砂浆的抗折、抗压强度影响显著，随着颜料掺量的继续增加，聚合物砂浆的抗折、抗压强度逐渐增加，在其掺量大于 11% 时，强度增加趋于平缓; 相同颜料掺量时，黄、橙、绿、蓝四种彩色聚合物砂浆的抗折、抗压强度依次减小。

( 2) 随着颜料掺量增加，蓝色、绿色聚合物砂浆的流动度减小，黄色、橙色聚合物砂浆的流动度先减小后平缓。

( 3) 随着颜料掺量增加，聚合物砂浆的粘结强度减小。

( 4) 颜料的掺入一方面会包裹水泥颗粒，阻碍水泥水化，使得彩色聚合物砂浆的抗折、抗压强度降低，但另一方面颜料可有效填充聚合物砂浆空隙，改善密实度，从而提高聚合物砂浆的抗折、抗压强度。

参考文献：

［1］陈大华，袁世刚，高 盼，等． 聚合物砂浆研究进展． 筑路机械与施工机械化，2016; 33( 2) : 73—76

［2］周志刚，程 盛． 聚合物改性水泥砂浆性能试验研究． 中外公路，2009; 29( 3) : 161—163

［3］刘大智，沈化荣，储洪强，等． 聚合物水泥砂浆的力学性能与微观机理研究． 南京航空航天大学学报，2010; 42( 6) : 802—805