SBR乳液對道路水泥混凝土抗凍性影響研究

劉志平

(山西省公路局長治分局，山西長治 046000)

眾所周知，水泥路面和瀝青路面相比，水泥路面的一個重要缺點是其抗凍性能不佳，在我國北方地區(qū)修筑的水泥路面在低溫環(huán)境下會出現(xiàn)很多裂縫(主要為橫向裂縫)，這些裂縫對路面的使用性能具有極大的不利影響，隨著裂縫的增加，路面會出現(xiàn)一系列病害，服務能力下降加劇，最終不能正常滿足行車需要［1］。水泥路面的這一劣勢極大地限制了其應用范圍，為解決水泥路面抗凍性弱的難題，國內(nèi)外開展了一系列的研究，本文從改善道路水泥混凝土的抗凍性出發(fā)，通過試驗，研究摻加SBR乳液對道路水泥混凝土抗凍性的影響，驗證這一措施是否能夠有效提高道路水泥混凝土的抗凍性能。

1 試驗設計

聚合物自身的一些性能是改善水泥穩(wěn)定類材料力學性能的關鍵，在水泥材料基體中，這些聚合物起到了增塑、增韌、填孔、成膜及固化等作用，決定了復合材料的整體性能。改性劑的摻加方式有兩種，即外摻法和內(nèi)摻法。所謂外摻法是水泥用量不變，另外摻加一定質(zhì)量的改性劑。而內(nèi)摻法是在總質(zhì)量不變的前提下，用一定質(zhì)量的改性劑替代部分水泥用量［2］。采取內(nèi)摻法可以減少水泥用量節(jié)約資源。本文就采用內(nèi)摻法，用聚灰比(SBR乳液與水泥質(zhì)量之比，簡寫為P/C)來表示改性劑摻量。選取不同的聚灰比(即 P/C=0，0．05，0．1，0．15，0．2)，通過掃描電鏡試驗從微觀上研究SBR乳液摻量對于骨架孔隙結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石的影響，并采用凍融試驗測試水泥混凝土凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失和強度變化，進而評價SBR聚合物乳液對道路水泥混凝土抗凍性能的改善情況。

2 試驗結(jié)果及分析

2．1 掃描電鏡試驗結(jié)果及分析

掃描電子顯微鏡(SEM)是目前國內(nèi)外常用的一種研究方法，利用它可以觀察到水泥穩(wěn)定材料的微觀結(jié)構(gòu)，了解聚合物水泥漿體的結(jié)構(gòu)特點，掌握SBR乳液在復合材料中的形態(tài)，為研究SBR乳液對材料的改性作用提供了科學依據(jù)。分別以P/C=0和P/C=0．20的聚合物改性水泥砂漿為研究對象，利用SEM觀察水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)，將兩種水泥漿體進行比較。SEM掃描標準水泥漿體和聚合物水泥微觀結(jié)構(gòu)分別如圖1所示。

經(jīng)過攪拌，SBR聚合物顆粒均勻分布在水泥穩(wěn)定碎石中。隨著水泥的水化，自由水不斷地被水泥水化反應所消耗，乳液中的水分減少，其中的聚合物顆粒不斷融合聯(lián)接形成網(wǎng)狀體系，這與水泥漿體的形成同時進行［1］。這樣水泥漿體與網(wǎng)狀體系相互交織，形成了獨特的立體三維網(wǎng)絡，水泥漿體與網(wǎng)狀聚合物體系組成了空間的立體交叉結(jié)構(gòu)，如圖2所示。這種有機、無機兩相間發(fā)生一定程度的關聯(lián)的結(jié)構(gòu)就是所謂的聚合物水泥體互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)［3，4］，從微觀上看，它的空隙率極低，能夠產(chǎn)生增強材料性能的復合效應，使結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)的力學性能。因此，SBR乳液可提高水泥穩(wěn)定材料的工作性，提高水泥穩(wěn)定材料的粘結(jié)力，進而使水泥穩(wěn)定材料的抗拉性能和抗裂性能得到大幅提升。

圖1 標準水泥漿體SEM圖（10 000倍）

圖2 聚合物水泥漿體SEM圖

2．2 凍融循環(huán)試驗結(jié)果及分析

以上是通過SEM電鏡試驗從微觀角度分析了SBR聚合物對水泥穩(wěn)定材料改性的原理，下面就通過宏觀性能試驗的方法來探討SBR乳液的摻量對水泥穩(wěn)定碎石材料抗凍性的影響。

以10%水泥用量的普通水泥為基準，再取不同的P/C(0．05，0．1，0．15，0．2)分別成型試件。按照規(guī)范［5］規(guī)定的方法進行試件養(yǎng)生，齡期為28 d。

2．2．1 質(zhì)量損失試驗

基準混凝土試件和不同P/C的聚合物改性混凝土試件經(jīng)過相同的凍融過程，測試凍融前后的質(zhì)量損失，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，5次凍融循環(huán)后，各組水泥穩(wěn)定碎石試件的質(zhì)量損失均滿足規(guī)范要求。

2．2．2 BDR 試驗

BDR是水泥混凝土試件在凍融前后強度的比值，即BDR=RDC/RC×100，它能夠從強度方面直觀的評價水泥混凝土試件的抗凍性能。摻加以上各組混凝土試件的BDR測試結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以得出如下結(jié)論:

1)混凝土的抗凍性能隨著SBR乳液摻量的增大而增大，在試驗范圍內(nèi)，混凝土抗凍性與SBR乳液摻量成正比關系;

2)在本文試驗范圍內(nèi)，隨著SBR乳液摻量的增大，抗凍性能的增速逐漸減小，抗凍系數(shù)增長速度逐漸變緩。

SBR對混凝土抗凍性能的影響機理是:一方面，隨著自由水被水泥水化所消耗，SBR聚合物顆粒填充了水泥穩(wěn)定碎石的孔隙，這樣可以減少進入孔隙中的水量，減小凍融循環(huán)過程中液體的膨脹壓力;另一方面，聚合物水泥體互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的形成可以大大增強材料的抵抗內(nèi)部液體膨脹壓力的能力，使結(jié)構(gòu)的破壞程度降低。

表1 摻加SBR乳液的試件質(zhì)量損失測試結(jié)果

圖3 BDR與P/C的關系

3 結(jié)語

1)SEM分析表明，在骨架孔隙結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石混合料中摻加SBR乳液和粉煤灰對于改善排水基層的性能具有重要意義。

2)由于SBR乳液本身具有良好的粘結(jié)性能，能夠與水泥漿體形成性能強大的聚合物水泥體互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，使得其水穩(wěn)材料具有良好的抗凍性能。

3)試驗結(jié)果表明，摻加SBR乳液可以有效增強水泥混凝土的抗凍性能，增加道路水泥混凝土抵抗凍融循環(huán)的能力，能夠延長路面使用壽命。

［1］李祝龍，梁乃興．聚合物水泥混凝土斷裂的分形特征［J］．西安公路交通大學學報，2000，20(1):8-9．

［2］王新友，吳科如．聚合物水泥砂漿與混凝土粘結(jié)界面的斷裂性能研究［J］．混凝土與水泥制品，1995(1):3-5．

［3］玄東興，水中和，邱懷中，等．酸性聚合物堿化的砂漿性能和機理研究［J］．武漢理工大學學報，2003，25(12):23-25．

［4］萬惠文，周紹豪，任 峰．羧基丁苯對含橡膠粒的輕骨料混凝土改性研究［J］．武漢理工大學學報，2008，30(6):33-38．

［5］JTG E51-2009，公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程［S］．