丙烯酸类与水泥基类修补砂浆性能对比- 大数跨境

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丙烯酸类与水泥基类修补砂浆性能对比

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2025-09-04

导读：为评价有机修补砂浆与无机修补砂浆之间的性能差异，选择2种丙烯酸类有机修补材料与1种水泥基类无机修补材料分别制备砂浆，测试各砂浆试件的抗压强度、抗折强度、界面弯拉强度、正拉黏接强度和干缩率等指标

欢迎引用

中文：王建刚,李旭东,田安然,彭丙杰,许文利,李晓帆.丙烯酸类与水泥基类修补砂浆性能对比[J].深圳大学学报理工版,2025,42(4):403-411.DOI:10.3724/SP.J.1249.2025.04403

英文：WANG Jiangang,LI Xudong,TIAN Anran,PENG Bingjie,XU Wenli,and LI Xiaofan.Performance comparison between acrylic and cement-based repair mortars[J].Journal of Shenzhen University Science and Engineering,2025,42(4):403-411.DOI:10.3724/SP.J.1249.2025.04403

作者

王建刚李旭东田安然彭丙杰许文利李晓帆

中铁十四局集团房桥有限公司，北京 102400

王建刚，中铁十四局集团房桥有限公司高级工程师、博士

研究方向：混凝土修补材料、低碳高性能混凝土

E-mail：wangjiangangemails@163.com

关键词

混凝土；修补材料；丙烯酸类修补砂浆；水泥基类修补砂浆；力学性能；收缩性能

concrete；repair materials；acrylic repair mortar；cement-based repair mortar；mechanical properties；shrinkage performance

摘要

为评价有机修补砂浆与无机修补砂浆之间的性能差异，选择2种丙烯酸类有机修补材料与1种水泥基类无机修补材料分别制备砂浆，测试各砂浆试件的抗压强度、抗折强度、界面弯拉强度、正拉黏接强度和干缩率等指标，并从微观孔隙方面分析性能差异的机理，探讨砂的类型及胶砂比对丙烯酸类有机修补砂浆性能的影响．结果表明，与水泥基类修补砂浆相比，丙烯酸类有机修补砂浆的2 h抗压和抗折强度较高，均能达到28 d抗压与抗折强度的70%以上，同时具有更优异的黏接强度和韧性，但收缩率较大．连续级配机制砂取代石英砂，可显著降低丙烯酸类有机修补砂浆内部气泡量，提高抗压强度、抗折强度、界面弯拉强度和正拉黏接强度，且胶砂比为0.4时力学性能最高．此外，界面弯拉强度与正拉黏接强度具有良好的相关性，在评价修补砂浆黏接性能方面具有一定的可替代性．研究成果可为在役混凝土设施和混凝土预制构件的修复提供借鉴．

To evaluate the performance differences between organic and inorganic repair mortar, two types of acrylic organic repair materials and one cement-based inorganic repair material were selected to prepare mortars, and their compressive strength, flexural strength, interfacial flexural-tensile strength, tensile bond strength, dry shrinkage rate were tested. The mechanisms underlying the performance differences were explored from the perspective of micropore structure, and the effects of sand type and cementto-sand ratio on the performance of acrylic organic repair mortar were also examined. Results show that, compared with cement-based repair mortars, acrylic organic repair mortars exhibit significantly higher compressive and flexural strength at 2 hours, reaching more than 70% of the 28-day compressive and flexural strength. They also demonstrate superior bonding strength and toughness, although a higher shrinkage rate. Replacing quartz sand with continuously graded manufactured sand notably reduces the amount of air bubbles within the acrylic organic repair mortar, and improves the compressive strength, flexural strength, interfacial flexural-tensile strength, tensile bond strength. Optimal mechanical performance is achieved when the cement sand ratio is 0.4. Furthermore, there is a strong correlation between the interfacial flexural-tensile strength and the tensile bond strength, which has potential interchangeability in evaluating the bonding performance of repair mortars. This research provides valuable technical references for repairing peeling and block defects in in-service concrete structures and precast concrete components.

正文

目前，许多中国混凝土基础设施已经服役数十年，逐渐暴露出一系列病害问题，尤其是处于野外复杂环境因素下的混凝土设施，病害更加严重，如开裂、剥落及松散等［^1-2］．这些病害不仅影响了基础设施的安全性和耐久性，还对社会经济发展和人民生活造成了潜在威胁．因此，修复在役混凝土设施显得尤为重要^［3］．及时修复这些病害可以有效延长基础设施的使用寿命和可靠性，降低维护成本，确保公共安全．目前国内外关于混凝土病害修复的材料主要分为3大类：无机修补材料、有机修补材料与无机-有机复合修补材料．其中，无机修补材料主要是以硅酸盐水泥、特种水泥和地聚合物为主的砂浆；有机修补材料主要包括环氧树脂、丙烯酸树脂和聚酯树脂等；无机-有机复合修补材料主要是以水泥为主、聚合物作为改性剂的砂浆^［4］．

刘娇^［5］研究了石膏、胶粉和界面对硫铝酸盐水泥无机修补材料性能的影响．杨行等^［6］研究了硅灰、碳酸钙、聚丙烯纤维对磷酸镁水泥修补砂浆耐久性能的影响．黄天勇等^［7］通过掺加聚乙烯醇和聚甲醛纤维提高了硫铝酸盐水泥基三元胶凝体系修补砂浆的强度与体积稳定性．李小林^［8］针对混凝土预制构件缺角和裂缝等病害，研发了基于硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥和石膏的修补材料．雷庆关等^［9］通过不同类型水泥的复合改性解决了硫铝酸盐水泥抗折强度后期衰减、早期凝结时间过快而导致的不易施工的问题．王武锁等^［10］探讨了速凝剂对水泥基修补材料工作性能、力学性能的影响．何娟等^［11］研究了复掺聚乙烯醇胶粉和聚丙烯纤维对碱矿渣水泥修补砂浆黏接性能影响规律和机理．BALOCH等^［12］研究了高性能水泥基复合材料作为修补砂浆的收缩性能与黏接性能．孙洪斌等^［13］研发了基于PVA的高韧性修补砂浆，提高了侵蚀环境下的力学性能与耐久性能．SONG等^［14］探讨了水泥修补材料、碱基发材料与聚合物改性修补材料性能及改进措施．李祖仲等^［15］将普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥及铁铝酸盐水泥复配制备了早强修补砂浆．ZHENG等^［16］利用水性聚氨酯改性水泥复合材料作为混凝土修补砂浆的力学性能及微观结构．易旭涛等^［17］通过配合比调整和优化，研发了适用于低水温环境下的环氧树脂修补砂浆．鹿宇等^［18］掺加环氧树脂对碱矿渣修补砂浆进行了增强改性．刘志勇等^［19］利用聚丙烯酸乳液聚合物改性碱激发矿渣修补材料，改善了其力学性能、黏接性能和收缩性能．

综上可见，对水泥基无机修补材料性能的研究较多，而对有机修补材料性能的研究较少，两者之间的对比研究更是匮乏．此外，针对骨料类型和掺量等因素对有机修补材料性能影响的分析较少，相关成果尚未形成系统．本研究选择2种丙烯酸类有机修补材料与1种水泥基类无机修补材料制备修补砂浆，对比研究其力学性能、收缩性能及内部气泡分布特性，同时探讨砂的类型及胶砂比指标对丙烯酸类有机修补砂浆性能的影响，以期为在役混凝土设施、混凝土预制构件剥落、掉块病害的修复提供技术参考．

试验

1.1 原材料

试验所用QR30和QR40材料均为由丙烯酸类有机物及多种单体聚合而成的市售丙烯酸类有机修补材料，由A、B两组分构成，其中，A组分为主剂；B组分为固化剂．QR30丙烯酸类修补材料强度稳定后可达30 MPa以上，其A组分为固含量90%（质量分数）的深灰色乳液，B组分为白色固体粉末．QR40丙烯酸类修补材料强度稳定后可达40 MPa以上，其A组分为固含量95%（质量分数）的浅粉色乳液，B组分为固含量90%（质量分数）的深灰色乳液．CR修补材料为市售硫铝酸盐水泥系列的水泥基粉体无机修补材料．石英砂由10 ~ 20目（1目 = 0. 025 4 m）与20 ~ 40目两粒级（质量比3：2）复配而成．采用16 ~ 200目连续级配石灰岩质机制砂．拌合水为普通自来水．

1.2 配合比设计

首先，骨料类型固定为石英砂，胶砂比固定为0.5，选择3种类型修补材料对比其性能差异，根据各修补材料技术特性，QR30丙烯酸类有机修补材料A、B组分推荐质量比为10：1，QR40丙烯酸类有机修补材料A、B组分推荐质量比为10：2，CR水泥基类无机修补材料推荐水胶比为0.36．其次，以QR30为例，胶砂比固定为0.5，对比研究石英砂与机制砂对修补砂浆性能的差异．最后，以QR30为例，骨料固定为机制砂，胶砂比分别为0.5、0.4和0.3．修补砂浆试验共设计了6组配合比，如表1所示．其中，QR表示丙烯酸类有机修补材料；CR表示水泥基类无机修补材料；QS表示石英砂；MS表示机制砂．如QR30-QS-0.5表示丙烯酸类有机修补材料QR30中掺加胶砂比为0.5的石英砂．

表1 修补砂浆配合比

Table 1 Mix proportion of repair mortar

1.3 试验方法

在拌和桶中加入石英砂或机制砂，然后按比例加入修补材料，用手持式搅拌机先慢搅30 s，再快搅30 s即得修补砂浆．将拌和好的修补砂浆快速浇筑至相关试模中，静置2 h后脱模，丙烯酸类有机修补砂浆试件在室温下进行自然养护，水泥基类无机修补砂浆试件在室温下进行标准养护（相对湿度 ≥ 95%），养护至设定龄期（分别为2 h及1、3、7和28 d）后测试相应指标．抗压强度、抗折强度、界面弯拉强度、正拉黏接强度和干缩率试验参考《修补砂浆》JC∕T 2381—2016执行．

利用NELD-BS630型硬化混凝土气泡间距分析仪测试修补砂浆内部气泡特征，参考《铁路混凝土》 SL/T 352—2020，将40 mm × 40 mm × 160 mm试件切割成40 mm × 40 mm × 10 mm试件，经打磨、抛光后在表面均匀涂抹黑色墨水，待自然晾干后再均匀涂抹硫酸钡白色粉末，刮除表面多余粉末．将制作好的试件放置在显微镜下观测截面气泡分布特征，并设置气泡圆形度指标排除缺陷，经计算机二值化处理，即得砂浆内部气泡分布图片^［20］．

结果与分析

2.1 抗压强度与抗折强度

测试了不同类型修补砂浆在养护至2 h及1、3、7和28 d时的抗压强度与抗折强度，如图1和图2所示．由图1可知，不同类型修补砂浆抗压强度均随养护龄期的延长而增大，且QR30-QS-0.5和QR40-QS-0.5砂浆的2 h抗压强度可分别达到各自28 d抗压强度的70.3%和75.2%，而CR-QS-0.5砂浆2 h抗压强度仅为28 d抗压强度的34.5%，即丙烯酸类有机修补砂浆比水泥基类无机修补砂浆具有更大的早期强度增长速率．丙烯酸类有机修补材料中的主剂和固化剂混合后，主剂中的活性基团与固化剂迅速发生交联反应，使材料固化，呈现较高早期承载力，而水泥基类无机修补材料虽具有硫铝酸盐水泥的快凝快硬特性，但早期强度仍主要依赖硫铝酸钙的水化作用，因此这也表明丙烯酸类有机修补材料中活性基团的反应速率要显著高于硫铝酸钙的水化作用效果．QR40-QS-0.5的修补砂浆28 d抗压强度优于QR30-QS-0.5，这表明QR40比QR30具有更强的活性基团．与QR30-QS-0.5相比，QR30-MS-0.5在不同龄期下的抗压强度提高了17.9% ~ 30.6%，即采用机制砂取代石英砂显著提高了修补砂浆的承载力，分析其原因可能是：一方面，机制砂为16 ~ 200目的连续级配颗粒，起到了一定的紧密堆积作用、填充效果良好；另一方面，机制砂颗粒表面粗糙且富含棱角性，而石英砂表面虽具有棱角性，但质地密实且表面光滑，不利于丙烯酸类有机修复材料的黏接，在受压作用下易出现界面滑移，进而降低承载力．与QR30-MS-0.5相比，QR30-MS-0.4在不同龄期下的抗压强度提高了17.9% ~ 42.9%，而QR30-MS-0.3在不同龄期下的抗压强度降低了4.3% ~ 8.2%，即随着胶砂比的降低，修补砂浆抗压强度表现为先增大后降低的趋势．当胶砂比由0.5降至0.4时，丙烯酸类有机修补材料用量减少，机制砂用量增加，颗粒表面需要裹覆更多的有机浆体，使得砂浆中富裕浆体量进一步减少，机制砂的堆积填充作用进一步增强，提高了承载力；当胶砂比降低至0.3时，机制砂用量过高，丙烯酸类有机修补材料用量过少，不足以包裹机制砂颗粒，不能形成密实整体，从而降低了承载力．

图1 不同类型修补砂浆的抗压强度

Fig.1 Compressive strengths of different types of repair mortars.

图2 不同类型修补砂浆的抗折强度

Fig.2 Flexural strengths of different types of repair mortars.

由图2可知，不同类型修补砂浆抗折强度变化规律与抗压强度类似，但2 h强度增长速率存在差异．QR30、QR40和CR修补砂浆2 h抗折强度分别为28 d抗折强度的76.6%、88.2%和46.2%，即不同类型修补砂浆早期抗折强度增长速率大于抗压强度增长速率．

折压比（抗折强度/抗压强度）可以用于表征混凝土或砂浆等水泥基材料的韧性与抗裂性^［21］．折压比越高表示材料的韧性越好，在受到压力或冲击时能更好地抵抗裂纹扩展和断裂^［22］．不同类型修补砂浆折压比如图3所示，可以看出不同龄期下折压比从大到小依次为QR30-QS-0.5、QR40-QS-0.5和CR-QS-0.5，即丙烯酸类有机修补砂浆呈现较好的韧性，而水泥基类无机修补砂浆呈现显著的脆性．与QR30-QS-0.5相比，QR40-QS-0.5虽然具有较高的抗压强度与抗折强度，但其硬度较大，韧性较差，呈现一定的脆性．与QR30-QS-0.5相比，QR30-MS-0.5在不同龄期下具有较大的折压比，这是因为机制砂级配比石英砂级配好，与修补砂浆混合时更易形成密实填充结构，且骨料间接触点增多，因此荷载分布更均匀，减少了局部应力集中．此外，颗粒较小的机制砂颗粒代替石英砂增大了骨料表面积，使得浆膜层厚度减小，降低了界面过渡区的厚度，增强了界面黏结强度，更有利于提升抗折强度．QR30-MS-0.5、QR30-MS-0.4和QR30-MS-0.3在不同龄期下的折压比基本在0.31～0.35，变化不显著．

图3 不同类型修补砂浆折压比

Fig.3 Flexural compressive ratios of different types of repair mortars.

2.2 界面弯拉强度与正拉黏接强度

测试了不同类型修补砂浆在养护至2 h及1、3、7和28 d时的界面弯拉强度与正拉黏接强度，如图4和图5所示．由图4和图5可以看出，界面弯拉与正拉黏接强度呈现出相似的变化规律，且丙烯酸类有机修补砂浆界面弯拉与正拉黏接强度均显著大于水泥基类无机修补砂浆，原因是丙烯酸类有机修补材料经固化交联反应生成长链大分子三维网状聚合物，扩散、渗透至修补混凝土表面孔隙和纹理，充分浸润，形成良好的机械嵌挤和物理吸附效果；同时丙烯酸类有机修补材料中的活性基团与固化剂反应形成共价键，化学键的形成在黏接界面起到极强的化学吸附作用．而水泥基类无机修补砂浆仅仅靠嵌挤作用抵抗张拉应力，并无有机材料的吸附作用因素．将新拌水泥基类无机修补砂浆填充至修补混凝土表面凹陷处，随着水化反应的进行，生成的水化产物嵌挤进孔隙和纹理，形成嵌挤结构．QR40-QS-0.5比QR30-QS-0.5具有更大的界面弯拉与正拉黏接强度，这是因为QR40具有更强的活性基团，当主剂和固化剂混合后，交联反应形成的三维网状结构更加致密，黏接性能更好．与QR30-QS-0.5相比，QR30-MS-0.5具有较大的界面弯拉强度与正拉黏接强度，机制砂粒径较小，界面分布的颗粒薄弱界面减小，应力不易集中，即弱边界层在拉应力作用下不易发生破坏，因此表现为黏接强度更高．与QR30-MS-0.5相比，QR30-MS-0.4在28d龄期时的界面弯拉与正拉黏接强度分别提高了28.2%和31.0%，而QR30-MS-0.3在28d龄期时的界面弯拉与正拉黏接强度分别降低了5.5%和3.4%，即随着胶砂比的降低，修补砂浆两指标表现为先增大后降低的趋势．胶砂比由0.5降至0.4时，机制砂用量增加，丙烯酸类有机修补材料用量减少，固化过程中产生的热量减少^［23］，由此导致的温差会减小，进而降低内部应力，提升黏接状态的稳定．胶砂比进一步降至0.3时，机制砂过多，裹覆不充分，黏接界面存在部分砂砾与修补混凝土接触的情况，减小了有效接触面积．同时，机制砂过多导致修补砂浆工作性能较差，在修补界面存在空隙，进一步降低了有效接触面积，从而影响黏接效果．

图4 不同类型修补砂浆界面弯拉强度

Fig.4 Interface flexural tensile strengths of different types of repair mortars.

图5 不同类型修补砂浆正拉黏接强度

Fig.5 Tensile bond strengths of different types of repair mortars.

2.3 干缩率

测试了不同类型修补砂浆在养护至1、3、7和28d时的干缩率（图6）．由图6可知，不同龄期下修补砂浆干缩率从大到小依次为QR40-QS-0.5、QR30-QS-0.5和CR-QS-0.5，即丙烯酸类有机修补材料干缩率大于水泥基类无机修补材料，尤其是QR40在28 d时的干缩率达到了0.28%．有机修补材料通过自由基聚合反应固化，单体分子在形成聚合物长链时，分子间距离缩短，共价键的键长比范德华力作用的距离更短，导致整体体积收缩较大．同时有机高分子链柔性大，固化后链段紧密堆积，进一步收缩．而QR40比QR30早期交联反应更加剧烈，聚合后分子链从舒展状态变为蜷缩状态，体积收缩较为明显．水泥基类无机修补砂浆干缩率最低，原因是硫铝酸盐水泥水化反应产生具有微膨胀性的钙矾石^［24-25］，对水泥砂浆失水收缩有一定的补偿作用，且水泥水化生成凝胶产物，键长变化较小，水分蒸发时产生的毛细管压力虽引发收缩，但水化产物的刚性骨架限制其幅度．QR30-MS-0.5收缩率略低于QR30-QS-0.5，添加机制砂后，修补砂浆抗弯拉强度提高，对试件的其收缩应力有一定的约束抑制作用．随着胶砂比的降低，机制砂用量增大，砂颗粒对丙烯酸类有机修补材料的收缩起到一定的骨架支撑作用，因此不同龄期下干缩率从大到小依次为QR30-MS-0.5、QR30-MS-0.4和QR30-MS-0.3．除QR40-QS-0.5外，其余各组修补砂浆28 d干缩率均不大于0.1%，满足《修补砂浆》JC∕T 2381—2016标准要求．

图6 不同类型修补砂浆干缩率

Fig.6 Dry shrinkage rates of different types of repair mortars.

2.4 相关性分析

不同类型修补砂浆各力学指标之间的相关性如图7所示，可以看出界面弯拉强度与正拉黏接强度相关性最好（R²> 0.8），抗压强度与抗折强度相关性次之（R² ≈ 0.7），而抗压或抗折强度与界面弯拉强度及正拉黏接强度之间均无显著相关性，即修补砂浆的高强度等级并不意味着其与修补混凝土之间的黏接性能良好，两者并未存在必然的联系，因此应针对特定应用场景选择合适性能的修补材料．抗压与抗折强度之间的相关性低于界面弯拉与正拉黏接强度之间的相关性，主要是因为界面弯拉强度与正拉黏接强度均是表征修补砂浆与修补混凝土之间的黏接属性，而抗压强度与抗折强度虽然均是表征修补砂浆自身的力学属性，但其表征机理并不相同，抗折强度对修补砂浆内部的微裂纹、孔隙等缺陷比较敏感，而抗压强度在测试过程中可能存在微裂纹、孔隙的受力封闭现象，同时抗压强度更多依赖于砂浆整体的紧密性和均匀性．界面弯拉与正拉黏接强度良好的相关性，在评价修补砂浆与修补混凝土之间的黏接性能方面具有一定的可替代性．

图7 各力学指标之间的相关性

Fig.7 The correlation among (a) compressive and flexural strength, (b) interface bending and tensile bonding strength, (c) compressive strength, interfacial bending tensile (blue dashed line) and tensile bonding strength (purple dashed line), and (d) flexural strength, interfacial bending tensile strength (blue dashed line) , and tensile bonding strength (purple dashed line).

2.5 微观特性分析

本研究测试了不同类型修补砂浆在养护至28 d时的内部气泡分布特性（图8）．由图8可以看出，QR30-QS-0.5与QR40-QS-0.5两种丙烯酸类有机修补砂浆界面存在较多的气泡，修补砂浆在搅拌、浇筑过程中会引入空气，振捣不充分而导致空气未完全排出，从而形成气泡．同时有机修补材料存在较强的黏性，黏度较大，不易振捣密实．CR-QS-0.5水泥基类无机修补砂浆比两种丙烯酸类有机修补砂浆截面分布更多、更大的气泡．水泥基类无机修补砂浆除搅拌、浇筑过程引入的空气以外，内部未参与水化反应的自由水因失水会形成孔隙通道，孔隙相互贯通而形成气泡．此外，硫铝酸盐水泥水化产生大量热量，导致修补砂浆内部水分蒸发形成水蒸气，亦可能形成气泡．与QR30-QS-0.5相比，QR30-MS-0.5试件截面分布气泡量减少，且气泡直径减小．一方面，机制砂颗粒较小且级配良好，在一定程度上细化气泡结构；另一方面机制砂比石英砂具有更粗糙的表面，使得有机修补材料与骨料附着、黏接更好，从而使界面过渡区减小，表现为气泡减小．与QR30-MS-0.5相比，QR30-MS-0.4试件截面分布气泡量减少，而QR30-MS-0.3试件截面分布气泡量增加．随着胶砂比的减小，机制砂用量的增加，其紧密堆积、填充作用效果逐步达到最佳，气泡量最少，当机制砂用量持续增加，丙烯酸类有机胶凝材料的包裹性不佳，反而引入大量气泡，使得修补砂浆内部不密实．因此，这也证实了胶砂比为0.4时丙烯酸类有机修补砂浆各项力学性能达到最优的原因．

图8 不同类型修补砂浆内部气泡分布照片（100 ×）

Fig.8 Photos of bubble distribution inside different types of repair mortars (100 ×).

结论

1）对于混凝土剥落、掉角的修补，与水泥基无机修补砂浆相比，丙烯酸类有机修补砂浆表现出更优异的黏接强度，对混凝土具有较强的附着力，同时2h抗压和抗折强度较高，能达到28d抗压与抗折强度的70%以上．丙烯酸类有机修补砂浆折压比较高，且具有更好的韧性．

2）丙烯酸类有机修补材料因自身分子链特性，加之反应过快，容易产生比水泥基无机修补材料更大的收缩，因此应选择合适的应用场景并在应用前验证．

3）与石英砂相比，粒径更小的连续级配机制砂作为丙烯酸类有机修补砂浆的骨料，可显著减少修补砂浆内部气泡量，提高抗压强度、抗折强度、界面弯拉强度和正拉黏接强度，且胶砂比为0.4时力学性能最优．

4）界面弯拉强度与正拉黏接强度之间具有良好的相关性，在评价修补砂浆与修补混凝土之间的黏接性能方面具有一定的可替代性，而两者与抗压强度、抗折强度均无明显的相关性．

5）丙烯酸类有机修补材料由丙烯酸类有机物及多种单体聚合而成，在试验或施工过程中释放会产生刺激性气味，因此在使用时应做好相关防护措施．此外，对于对色差要求较高的应用场景，需要单独调整颜色．

参考文献

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来源：深圳大学学报理工版

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