聚合物改性多孔混凝土凍融特性研究

曹 暉（甘肅路橋建設集團有限公司，甘肅 蘭州 730030）

多孔混凝土作為一種新型混凝土路面結(jié)構(gòu)，基于表面開口、內(nèi)部貫通的孔隙特征，具有良好的排水、抗滑、降噪及防眩光特性，在道路混凝土的透水基層、低交通量的透水路面以及停車場等方面得到廣泛應用。國外對多孔混凝土路面的研究開始較早，20世紀70年代，歐洲與日本水泥協(xié)會按照磨耗層設計，主要將其作為路面表層使用。隨后，美國按照全厚式設計，將其用于停車場或低交通量道路混凝土結(jié)構(gòu)中，用來減小暴雨及路面積水的影響[1]。近年來，國內(nèi)對于多孔混凝土的研究，主要集中在配合比設計、收縮性能及路用性能等方面[2-4]。趙躍[5]、鄭木蓮[6]等人對多孔混凝土抗凍性評價指標和方法進行了探討，而缺乏對多孔混凝土抗凍性能的研究。本研究基于對多孔混凝土路面的凍融破壞特征分析的基礎上，針對不同配比的基準多孔混凝土、含砂多孔混凝土及聚合物改性多孔混凝土，采用快凍法進行凍融循環(huán)試驗，并以凍融前后的質(zhì)量損失及外觀作為評價指標，研究集料類型、砂及改性聚合物對多孔混凝土抗凍性能的影響，對季凍地區(qū)多孔混凝土路面的使用和推廣，具有重要的指導作用。

1 試驗用原材料及組成設計

1.1 原材料

采用祁連山42.5級普通硅酸鹽水泥；粗集料選用潔凈、堅硬、耐久，粒徑4.75~9.5mm的石灰?guī)r碎石與礫石；外加劑選用上?；ㄍ醯乃上阋龤鈩?、山西黃騰UNF-1型萘系高效減水劑；水泥改性聚合物采用丁苯橡膠乳液，其各項技術(shù)指標如表1所示。經(jīng)檢驗，上述材料各項技術(shù)指標均符合規(guī)范的相關要求。

表1 丁苯乳液的物理狀態(tài)

1.2 配合比

凍融循環(huán)試驗中，所用的基準混凝土、含砂混凝土及聚合物混凝土配合比如表2所示，并采用振動壓實的成型方式，進行多孔混凝土試件的室內(nèi)成型。

2 凍融循環(huán)試驗

凍融循環(huán)試驗，參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》中的抗凍性試驗方法進行。試件尺寸為150mm×150mm×150mm，按表2所示配合比成型6組試件，每組3塊。試件于標養(yǎng)室養(yǎng)護28d，后4d作浸水處理，確保凍融循環(huán)試驗在飽水狀態(tài)下進行。試驗時，凍結(jié)溫度為-15～-17℃，融化溫度為5～8℃，單個循環(huán)周期2～4h。基于多孔混凝土試件在反復凍融作用下，主要表現(xiàn)為表皮脫落及外形破壞，試驗采用質(zhì)量損失及外觀描述的方法，進行多孔混凝土抗凍性能的評價。對于6種不同配合比的多孔混凝土，凍融循環(huán)次數(shù)為0~300次。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 基準混凝土試驗結(jié)果分析

未摻機制砂或改性聚合物的基準多孔混凝土，其凍融循環(huán)試驗結(jié)果如圖1所示，基準試件凍融前后外觀如圖2所示。

圖1可以看出，粗集料分別采用礫石、石灰?guī)r碎石的基準多孔混凝土，反復凍融后，由于表面脫落引起質(zhì)量損失達到15%時，其循環(huán)凍融次數(shù)分別為153次、196次。此時，進入多孔混凝土內(nèi)部孔隙及毛細孔中的水分受凍后，伴隨體積膨脹產(chǎn)生較大的滲透壓力及膨脹壓力，造成多孔混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。結(jié)合圖2可以看出，基準多孔混凝土的抗凍性能與粗集料的性質(zhì)有很大關系。

表2 多孔混凝土配合比

圖1 基準混凝土凍融試驗結(jié)果

圖2 LS-1凍融前后混凝土試件外觀

3.2 改性多孔混凝土凍融試驗結(jié)果

摻機制砂或改性聚合物的孔混凝土凍融循環(huán)試驗結(jié)果及試件外觀如圖3、圖4所示。

圖3 改性多孔混凝土凍融試驗結(jié)果

圖4 LS-2、SH-3凍融前后混凝土試件外觀

圖3可以看出，摻機制砂的礫石多孔混凝土LS-2，歷經(jīng)300次凍融循環(huán)作用后，質(zhì)量損失僅為2.1%，相比其它兩組礫石多孔混凝土，其抗凍性能有較大改善。其原因是摻入機制砂后，礫石多孔混凝土中水泥凈漿轉(zhuǎn)變?yōu)樗嗌皾{，使膠結(jié)材料的含量大幅增加，有利于提高礫石多孔混凝土的抗凍性。然而，對于同時摻入機制砂及改性聚合物的改性多孔混凝土LS-3，其抗凍性能相比LS-2略有下降，因為改性聚合物代替減水劑和引氣劑，改變多孔混凝土性能的同時在其內(nèi)部產(chǎn)生一定數(shù)量的氣泡，從而起到“引氣”作用。通常該作用較弱，產(chǎn)生的氣泡數(shù)量有限，故聚合物多孔礫石混凝土LS-3的抗凍性能較LS-2稍弱。

此外，摻入機制砂及改性聚合物的碎石多孔混凝土SH-3，并未使其抗凍性能得到相應提升，反而較SH-2有較大下降。分析其原因主要是因為外加劑及聚合物，使得裹附在隨時表面的膠結(jié)料增多，減少了多孔混凝土中水泥凈漿與砂漿含量，在凍融循環(huán)作用下，聚合物改性多孔碎石混凝土中的水泥凈漿與砂漿首先發(fā)生凍脹破壞，即聚合物改性多孔混凝土的抗凍性能由集料和膠結(jié)料的含量及凍融特性共同決定，圖4所示凍融前后試件外觀亦可證實這點。

4 結(jié) 語

1）未摻機制砂或聚合物的多孔基準混凝土講，碎石多孔混凝土的抗凍性優(yōu)于礫石多孔混凝土的抗凍性，即混凝其抗凍性取決于混凝土中最大組分—集料的抗凍性。

2）摻入機制砂或聚合物的礫石多孔混凝土，其抗凍性均比未摻任何外加劑的多孔基準混凝土要好，其抗凍性是膠結(jié)料和集料的抗凍性共同作用的結(jié)果。

3）膠結(jié)料含量的不足會直接影響膠結(jié)料抗凍性，從而影響到混凝土的抗凍性。聚合物改性多孔混凝土中，必須有適當含量的膠結(jié)料，才能確保多孔混凝土具有良好的抗凍性能。

[1]Youngs,A.Pervious Concrete:It’s for Real.Presentation at the Pervious Concrete and Parking Area Design Workshop[R].Omaha,NE,2005

[2]鄭木蓮，陳拴發(fā).多孔混凝土排水基層路用性能研究[J].西安科技大學學報，2007,27（4）：603-604

[3]董雨明，韓森.路用多孔水泥混凝土配合比設計方法研究[J].中外公路，2004，24（1）：86-89

[4]鄭木蓮，王秉綱.多孔混凝土疲勞性能的研究[J].中國公路學報，2004，17（1）：7-11

[5]趙躍，田桂芬.道路基層多孔混凝土抗凍性試驗方法和評價指標的研究與探討[J].國防交通工程與技術(shù)，2008(1)：37-39

[6]鄭木蓮，陳拴發(fā)，等.路面基層多孔混凝土抗凍性研究[J].混凝土，2007（2）：31-33