聚合物改性水泥基路面材料的研究概況

陸科奇，郝文斌，陳 瀟，周明凱

（1.中交三公局第一公路工程有限公司，北京 100012；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070）

我國地形復(fù)雜，半數(shù)以上的國土為山區(qū)和丘陵。近年來，隨著我國交通建設(shè)的迅猛發(fā)展，在一些山區(qū)丘陵地區(qū)的高速公路建設(shè)規(guī)模越來越大，數(shù)量也越來越多，公路隧道建設(shè)呈現(xiàn)出規(guī)模空前的熱潮。與一般公路路段相比，隧道的內(nèi)部環(huán)境具有特殊性［1］：隧道內(nèi)通風(fēng)條件較差、CO2和SO2等酸性氣體含量高、氣候潮濕、溫度變化幅度小。這些特殊的使用環(huán)境對高等級公路隧道路面材料提出了更高的要求。

目前，公路隧道路面主要有瀝青混凝土及水泥混凝土兩種材料型式，但普通瀝青混凝土隧道路面存在以下問題：阻燃性差；路面耐久性差，高溫易形成車轍，低溫易產(chǎn)生開裂；施工時，瀝青加熱后氣味非常刺鼻，施工環(huán)境惡劣。因此，國內(nèi)外隧道路面通常都采用水泥混凝土路面型式。水泥混凝土路面相對而言不易發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，施工簡單，阻燃作用好，耐久性也相對較好。但其也存在脆性大、彎曲韌性差、抗拉強度低、抗?jié)B性差、動載沖擊與疲勞性能差、易開裂等缺點，導(dǎo)致了普通水泥混凝土隧道路面病害嚴(yán)重、使用功能低、抗滑構(gòu)造及使用壽命衰減迅速等，限制了水泥混凝土在公路隧道路面中的應(yīng)用。在這一大背景下，高分子聚合物等有機材料對水泥混凝土等無機材料的增強改性已逐漸成為當(dāng)今研究的熱點問題。聚合物改性水泥基材料因其在變形能力、彎拉強度、粘結(jié)性能、動載力學(xué)性能、防水性能、耐久性等方面的卓越性能被廣泛應(yīng)用在公路隧道路面、橋梁鋪裝層等各種領(lǐng)域。

1 聚合物改性水泥基材料研究現(xiàn)狀

1.1 聚合物改性水泥基材料的組成與性能

國外對聚合物改性水泥基材料的研究起步較早，20世紀(jì)20年代就已經(jīng)開始了相關(guān)研究，Creson［2－3］于1923年第一個獲得這方面的英國專利，這個專利是關(guān)于用作鋪路材料的水泥填充天然橡膠膠乳。1932年，英國的Bond［4］申請了用合成橡膠膠乳改性水泥基材料的專利；1939年美國的Rodwell［5］提出了用合成樹脂乳液生產(chǎn)聚合物改性水泥基材料的專利。

在聚合物對水泥基材料的性能影響方面，國外學(xué)者做了很多相關(guān)的研究工作，Allan［6］研究了聚合物乳液改性水泥膠漿的流變性，研究表明聚合物改性水泥膠漿表現(xiàn)出明顯的搖溶性與剪切變稀的流變行為；德國的Grosskurch［7］采用SAE乳液改性水泥混凝土，并對其長期強度性能進行了研究，研究結(jié)果表明，不同聚灰比的水泥混凝土的抗壓強度均低于不摻聚合物的空白樣，并且聚合物改性水泥混凝土抗壓強度降低趨勢隨著聚灰比的增大而變得緩慢；日本的Ohama［8］對多種不同聚合物改性水泥基材料進行了系統(tǒng)深入研究，提出了用于計算聚合物乳液改性砂漿和混凝土強度的數(shù)學(xué)公式，對于聚合物乳液改性水泥砂漿有

對于聚合物乳液改性水泥混凝土有

式中：!m、!c分別為改性水泥砂漿與改性水泥混凝土的抗壓強度。

其中，Va、Vw、Vc、Vp分別為單位體積改性砂漿和混凝土中空氣、水、水泥及聚合物的體積；A、B、C和a、b為經(jīng)驗常數(shù)。

國內(nèi)對人工合成聚合物改性水泥基材料的研究主要開始于20世紀(jì)80年代，目前已取得了一些初步成果。王培銘［9］對摻加不同摻量聚乙酸乙烯酯（PVAC）的聚合物改性水泥混凝土的抗拉強度進行了研究，結(jié)果表明，PVAC聚合物改性水泥混凝土的抗拉強度比普通混凝土有較大程度的提高，聚合物的最佳摻量在10%左右；鐘世云［10］采用不同聚合物乳液進行共混，研究了不同聚合物組成對聚合物改性砂漿性能的影響，研究結(jié)果表明，聚合物改性砂漿的抗壓強度隨聚合物薄膜的拉伸強度增大而明顯提高，而聚合物改性砂漿的抗折強度則沒有隨聚合物薄膜的拉伸強度增大而出現(xiàn)顯著提高。梁乃興［11］對聚合物改性水泥混凝土的路用性能進行了系統(tǒng)研究，提出了適用于路面的塑性聚合物改性水泥混凝土配合比。

1.2 微觀結(jié)構(gòu)與改性機理研究

國內(nèi)外學(xué)者就聚合物改性水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)也進行了相關(guān)研究，Su［12］利用掃描電鏡和電子能譜儀研究了聚合物改性水泥膠漿與骨料界面的微觀結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)聚合物顆粒在攪拌初期被吸附在水泥顆粒表面的數(shù)量與聚合物乳液的種類和摻量有關(guān)，水灰比也可能會影響到聚合物顆粒在水泥顆粒表面的吸附，進而影響到聚合物的脫水成膜過程。王茹［13］用X射線衍射及環(huán)境掃描電鏡等微觀測試方法分析了丁苯聚合物乳液與丁苯乳膠粉對72h內(nèi)水泥水化產(chǎn)物的影響，結(jié)果表明，丁苯乳液和乳膠粉在水泥水化早期促進了水泥漿體中AFt的生成，減少了Ca（OH）2的生成，并增加了AFt在水泥漿體基體中的穩(wěn)定性。

對于聚合物對水泥基材料的改性機理，國內(nèi)外比較一致的看法是：在混合料攪拌均勻后，聚合物顆粒會較均勻地分散在基體內(nèi)部，隨著水泥的水化，體系中的水份不斷被水泥水化所結(jié)合，乳液中的聚合物顆粒會相互連接融合在一起，隨著基體內(nèi)部水分的不斷減少，聚合物在水泥基材料內(nèi)部逐漸形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。目前比較具有權(quán)威性的聚合物結(jié)構(gòu)形成模型有Ohama模型與Konietzko模型。兩大模型按照水泥水化歷程將聚合物結(jié)構(gòu)的形成過程分為幾個不同階段進行解釋，兩者的區(qū)別在于，Ohama［14］模型認(rèn)為聚合物失水后形成的是空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而硬化后的水泥漿體包裹在聚合物空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中間，互不連接；而Konietzko模型認(rèn)為聚合物與水泥漿體均形成空間連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［15］。

2 聚合物改性水泥基材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前在國外，聚合物改性水泥基材料因其在變形能力、彎拉強度、粘結(jié)性能、動載力學(xué)性能、防水性能、耐久性、耐化學(xué)介質(zhì)侵蝕等方面的卓越性能被廣泛應(yīng)用在公路隧道路面、橋梁鋪裝層、水庫大壩、港口碼頭等領(lǐng)域。

美國將聚合物用于路橋工程已非常普遍。ACI協(xié)會訂立了有關(guān)聚合物在路橋修補工程中的技術(shù)規(guī)范ACI 548.5R［16］，其中對于修補路面、橋面的聚合物改性水泥砂漿及混凝土的相關(guān)性能指標(biāo)做出了具體規(guī)定。另外，美國很早就將聚合物改性水泥砂漿及混凝土用于新橋的鋪裝層，相關(guān)資料顯示，截止到2000年，美國共有超過8 000座橋梁總計120多萬平方米的橋面采用聚合物改性水泥基材料進行鋪裝或罩面改造，由于其較低的滲透性與較高的粘結(jié)強度，聚合物改性水泥混凝土在美國已成為橋面板的標(biāo)準(zhǔn)防護系統(tǒng)［17，18］。

其它發(fā)達國家如英國、德國和日本也紛紛開展了此方面的應(yīng)用，其中用于公路工程構(gòu)造物修補和防水的相關(guān)應(yīng)用較多，且使用非常普遍。20世紀(jì)80年代，日本開始大規(guī)模利用聚合物改性水泥砂漿修補破損的路面及橋面，目前該技術(shù)已應(yīng)用得相當(dāng)普及，并訂立了相關(guān)的聚合物改性砂漿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（JIS A6203），如表1所示。

表1 日本聚合物改性水泥砂漿相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（JIS A6203）［19］

德國交通部筑路局也制定了用于橋梁的聚合物改性水泥混凝土技術(shù)及檢驗規(guī)范（TP BE－PCC），如表2所示，對用于橋梁的聚合物改性砂漿及混凝土的力學(xué)性能做出了具體要求。

表2 德國對用于橋梁的聚合物改性水泥混凝土的規(guī)范要求（TP BE－PCC）［20］

前蘇聯(lián)利用聚合物改性水泥混凝土以提高其路用性能也有較長歷史，這主要與前蘇聯(lián)有很多水泥混凝土道路冬季受到嚴(yán)重的凍融破壞有關(guān)，而噴撒除冰鹽更加重了這種耐久性問題，其中用于水泥混凝土改性的聚合物以丁苯乳液居多，這主要是由于丁苯乳液價格較為便宜且產(chǎn)量大［21，22］。

在國內(nèi)，長安大學(xué)申愛琴［23］等利用塑性聚合物改性水泥混凝土做路面材料，并在廣東惠州進行了試驗路的鋪筑，使用效果良好。重慶交通大學(xué)易志堅［24］等利用聚合物改性多孔水泥混凝土作為道路表面罩面層，研究結(jié)果表明其具有抗滑、降噪等表面功能性，顯著提高了傳統(tǒng)水泥混凝土路面的使用功能，該成果在重慶市政建設(shè)及湖北滬蓉西高速公路得到了應(yīng)用。

3 纖維增強聚合物改性水泥基材料的研究現(xiàn)狀

纖維增強聚合物改性水泥基材料是近年來發(fā)展起來的一種新型建筑材料，其中纖維主要采用鋼纖維與有機纖維兩大類。由于纖維的加入，在纖維增強水泥基材料內(nèi)部，尤其是纖維與水泥石之間的界面過渡區(qū)（ITZ）會存在大量孔隙，導(dǎo)致水泥水化物、纖維和骨料界面粘結(jié)不夠充分，從而嚴(yán)重影響了水泥基材料的耐久性，降低了纖維的增強作用［25，26］，有學(xué)者提出利用聚合物對纖維水泥基材料進行改性，由于聚合物極強的粘結(jié)性能，能夠顯著增強纖維與水泥石之間的粘結(jié)性能，并且可有效填充基體內(nèi)部的孔隙，從而顯著提高水泥基材料的耐久性［27，28］。

湖北省交通廳與武漢理工大學(xué)共同開發(fā)了鋼纖維增強聚合物混凝土快速修補橋面板技術(shù)，該技術(shù)顯著改善了薄層橋面鋪裝層的使用性能，具有較大的理論意義及獨創(chuàng)性［29］。分析得出鋼纖維增強聚合物混凝土比鋼纖維水泥混凝土有更優(yōu)良的抗拉、抗折、抗疲勞強度及抗沖擊韌性，并以具體工程為實例，詳細(xì)介紹了鋼纖維增強聚合物混凝土的工程應(yīng)用及其試驗使用情況［28－30］。羅立峰［31］等人研究了鋼纖維增強聚合物水泥混凝土橋面鋪裝層材料（SFRPC）的組成設(shè)計與路用性能，研究結(jié)果表明SFRPC克服了鋼纖維混凝土與聚合物改性混凝土的缺點，吸收了兩者的優(yōu)點，形成包括高強度、高延展性、高抗沖擊能力、優(yōu)良的裂縫控制、高耐久性和低滲透性等優(yōu)良性能，并且施工相對容易。梅迎軍［27，28］等人研究了體積摻量為0～0.3%的聚丙烯纖維，質(zhì)量摻量為0～12%的丁苯聚合物乳液在單摻、復(fù)摻情況下對不同齡期的水泥砂漿力學(xué)性能、耐磨損、抗沖擊性能等的影響，研究結(jié)果表明，聚丙烯纖維的摻入大幅度提高了丁苯乳液改性水泥砂漿的耐磨損和抗沖擊性能，其中提高耐磨損性能的最佳纖維體積摻量為0.1%，纖維摻量越大，對提高改性水泥砂漿的抗沖擊性能越有利。李國忠［30］等人研究了聚丙烯纖維和聚合物乳液對水泥砂漿抗徐變性能和抗沖擊性能的影響，結(jié)果表明，摻加適量的聚丙烯纖維和聚合物乳液，可以有效提高水泥砂漿的抗徐變性能和抗沖擊性能。

4 問題與展望

由此可見，聚合物改性水泥基材料在公路工程中的研究與應(yīng)用已得到了相關(guān)部門的廣泛關(guān)注，并逐漸得以推廣應(yīng)用。聚合物改性水泥基材料的優(yōu)點在早期一些文獻里都作過詳細(xì)的介紹。但其缺點也是明顯的，第一個是性價比問題，昂貴的聚合物價格使建筑商望而卻步；第二個缺點就是聚合物不耐高溫，使很多場合不適宜使用該材料；第三就是有些聚合物具有異味或毒性。在未來的應(yīng)用中首先就是要從克服這些缺點出發(fā)進行研究。具體的講，以下一些課題有待人們?nèi)ソ鉀Q：

1）國家將會針對各類聚合物的使用，出臺相應(yīng)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)術(shù)語將會規(guī)范化。

2）對各類聚合物進行系統(tǒng)的研究，針對不同的應(yīng)用場合，選用性價比更加合理的聚合物體系。

3）作為一種復(fù)合材料，其最大的特點是其性能的可設(shè)計性。聚合物改性水泥基材料當(dāng)然不能例外，因此依據(jù)聚合物本身的性能和水泥的性能，根據(jù)使用現(xiàn)場對材料性能的要求，選用恰當(dāng)?shù)木酆衔?、設(shè)計合理的聚灰比也將是聚合物改性水泥基材料研究的一個方向，即建立恰當(dāng)?shù)睦碚撃Ｐ停苯釉O(shè)計復(fù)合材料的性能，以適應(yīng)不同的場合，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。

4）由于無皂乳液具有不含乳化劑或少含乳化劑、乳液穩(wěn)定、使用不受環(huán)境影響的特點，因而進一步研究、開發(fā)無皂乳液作為改性劑，也將成為人們關(guān)注的焦點。

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