橋面用聚合物混凝土性能研究

李林香，羅志權，陳斌，譚鹽賓，李化建，連新奇

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京100081; 3.海南高速鐵路有限公司，海南?？?70100)

橋面用聚合物混凝土性能研究

李林香1，2，羅志權3，陳斌3，譚鹽賓1，2，李化建1，2，連新奇3

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京100081; 3.海南高速鐵路有限公司，海南?？?70100)

采用試驗研究了不同EVA乳液摻量的橋面用聚合物混凝土的抗壓強度、抗折強度和彈性模量，并用折壓比和彈性模量表征了聚合物混凝土的抗裂性。試驗結果表明:隨著聚合物摻量的增大，混凝土的抗壓強度減小，抗折強度變化不大，折壓比增大，韌性增加，抗裂性提高;隨著聚合物摻量的增大，混凝土的彈性模量降低，變形適應性增強，抗裂性提高;聚合物的活性作用、橋鍵作用和充填作用改善了混凝土的物理結構及內(nèi)應力，使得聚合物混凝土有較好的韌性及變形適應性。

聚合物混凝土 韌性 變形適應性

近年來混凝土橋面板開裂的現(xiàn)象引起了廣泛關注，因為裂縫會導致鋼筋銹蝕和混凝土劣化，從而縮短橋面板的使用壽命。而橋面板的破壞會直接導致橋面系的破壞，影響道路暢通［1-3］，并造成經(jīng)濟損失。目前現(xiàn)澆橋面板多采用纖維混凝土來提高抗裂性能，纖維混凝土早期抗裂性顯著提高，但在后期橋梁運營中，混凝土在溫度應力和荷載等因素作用下容易產(chǎn)生裂縫。而且摻加纖維后，混凝土和易性變差，施工性能變差。聚合物改性水泥基材料因其在變形能力、彎拉強度、防水性能、耐久性等方面的卓越性能已被越來越廣泛地應用在公路隧道路面［4-5］。常用的聚合物乳液有丁苯膠乳(SBR)、丙烯酸酯乳液(PAE)、苯丙乳液(SAE)、乙烯—乙酸乙烯共聚物(EVA)等。不同的乳液對混凝土的改性效果不同，即使同一種乳液，由于共聚物中結構單體含量不同，對混凝土的改性效果也有差異。其中EVA乳液與水泥的適應性好，而且成本較低，因此應用較廣。本文以EVA乳液為研究對象，研究了不同聚合物摻量時聚合物混凝土的抗壓強度、抗折強度和彈性模量。

1 試驗

1.1 原材料及配合比

水泥為金隅水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥;粉煤灰為元寶山電廠Ⅰ級粉煤灰;聚合物乳液為EVA乳液，牌號為707，固含量為54%;減水劑為天津雍陽UNF-5AST聚羧酸系高效減水劑，減水率為25%;引氣劑為江蘇蘇博特有機硅類引氣劑;砂子為天然河砂，細度模數(shù)為2.6，含泥量為1.0%;石子為5～20 mm連續(xù)級配碎石，含泥量為0.2%。該試驗混凝土配合比如表1所示。聚合物摻量分別為0，2.5%，5.0%，7.5%和10.0%，聚合物乳液中的水折算到拌合水中，每種配合比保持相同的水膠比0.31。

表1 混凝土配合比kg/m3

1.2 試驗方法

按照《普通混凝土力學性能測試方法》(GB 50081—2002)對混凝土試件進行抗壓強度、抗折強度和彈性模量的測試。

2 試驗結果與討論

2.1 聚合物摻量對混凝土抗壓強度的影響

聚合物摻量對混凝土抗壓強度的影響如圖1所示。從圖1可以看出，隨著聚合物摻量的增加，混凝土抗壓強度逐漸降低。28 d齡期，聚合物摻量分別為2.5%，5.0%，7.5%和10.0%時，混凝土抗壓強度分別為基準混凝土的93%，86%，87%和73%。當聚合物摻量為10.0%時，混凝土抗壓強度降低比較明顯。這是因為當混凝土中摻加聚合物乳液后，柔性的聚合物均勻分布在水泥水化產(chǎn)物中，削弱了水泥石抵抗荷載破壞的能力。因此隨著混凝土中聚合物摻量的增加，混凝土的抗壓強度逐漸減小。

圖1 聚合物摻量對混凝土抗壓強度的影響

2.2 聚合物摻量對混凝土抗折強度的影響

聚合物摻量對混凝土抗折強度的影響如圖2所示。從圖2可以看出，隨著混凝土中聚合物摻量的增加，混凝土的抗折強度先降低后增加，但總體變化幅度不大。28 d齡期，聚合物摻量分別為2.5%，5.0%，7.5%和10.0%時，混凝土抗折強度分別為基準混凝土的90%，100%，93%和107%。混凝土抗折強度指的是混凝土在彎曲應力下，單位面積上所能承受的最大荷載。所以抗折強度的大小一方面反映了混凝土抵抗破壞的能力，另一方面反映了混凝土抵抗彎曲變形的能力?；炷林袚郊恿司酆衔锖?，雖降低了混凝土抵抗荷載破壞的能力，但另一方面增加了混凝土抵抗彎曲變形的能力。由于兩方面的相反作用，致使混凝土抗折強度總體變化不大。

2.3 聚合物摻量對混凝土彈性模量的影響

聚合物摻量對混凝土彈性模量的影響如圖3所示。從圖3可以看出，隨著聚合物摻量的增加，混凝土的彈性模量逐漸降低。28 d齡期，聚合物摻量分別為2.5%，5.0%，7.5%和10.0%時，聚合物混凝土彈性模量分別為基準混凝土的98%，92%，81%和76%。彈性模量是反映混凝土變形能力的一個量值，隨著混凝土中聚合物摻量的增加，混凝土中的柔性組分增加，使得混凝土的剛度降低［6］，變形適應性增強。

圖2 聚合物摻量對混凝土抗折強度的影響

圖3 聚合物摻量對混凝土彈性模量的影響

圖4 不同聚合物摻量時混凝土折壓比的變化規(guī)律

2.4 聚合物混凝土的抗裂性分析

不同聚合物摻量時混凝土折壓比的變化規(guī)律如圖4所示。從圖4可以看出，隨著聚合物摻量的增加，混凝土折壓比逐漸增大。折壓比可反映混凝土的韌性大?。?-8］。韌性指的是材料在變形和斷裂過程中吸收能量的能力，也可以表示當材料承受應力時對折斷的抵抗能力?？梢钥闯?，隨著聚合物摻量的增加，混凝土的韌性逐漸提高，抵抗折斷的能力增強，從而提高了抗裂性。

從2.3節(jié)分析得知，隨著聚合物摻量的增加，混凝土的彈性模量逐漸降低，表明混凝土有更好的變形適應性，在橋面板承受溫度應力和荷載作用時，有更好的變形協(xié)調(diào)性，因此有更好的抗裂性。

2.5 聚合物對混凝土改性的原因分析

聚合物對混凝土改性的主要原因是產(chǎn)生了以下3種作用［9-10］:①活性作用。聚合物乳液中有表面活性劑，從而改善了混凝土的和易性，減少了水泥的毛細孔等有害孔，提高了材料的密實性和抗?jié)B透能力。②橋鍵作用。聚合物分子中的活性基因與水泥水化中游離的離子進行交換，形成特殊的橋鍵，降低了材料整體的彈性模量，改善了水泥漿的內(nèi)部應力狀態(tài)，使得承受變形的能力增強。③充填作用。聚合物乳液迅速凝結，形成堅韌致密的薄膜，填充于水泥顆粒之間，隔斷了與外界聯(lián)系的通道。因此，聚合物的活性作用、橋鍵作用和充填作用，改善了硬化水泥漿體的物理結構及內(nèi)應力，降低了混凝土整體的彈性模量，從而提高了水泥基材料的抗裂性能。

3 結論

1)隨著EVA乳液摻量的增大，聚合物混凝土的折壓比提高，韌性增強，抵抗折斷的能力增強，抗裂性提高。

2)隨著EVA乳液摻量的增大，聚合物混凝土的彈性模量降低，變形適應性增強，抗裂性提高。

3)鑒于聚合物混凝土的抗壓強度有所降低，建議在設計聚合物混凝土配合比時要考慮滿足強度要求。

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Study on performance of polymer concrete used in bridge deck

LI Linxiang1，2，LUO Zhiquan3，CHEN Bin3，TAN Yanbin1，2，LI Huajian1，2，LIAN Xinqi3
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China; 3.Hainan High-speed Railway Co.，Ltd.，Haikou Hainan 570100，China)

T he paper looks into the pressure resistance，bending resistance and elastic modulus of deck-used polymer concrete of different EVA-emulsion contents，while incorporates the elastic modulus with the bending resistancepressure resistance ratio in the assessment of cracking resistance performance.T he results indicate that as the polymer content increases，the pressure resistance of the concrete goes down，while the bending resistance performance shows no visible change.In other words，the bending resistance-pressure resistance ratio raises，the toughness is strengthened and the cracking resistance is improved.At the same time，the elastic modulus is lowered，while the adaptability to deformation is enhanced.T he physical structure and internal stress of the concrete samples are altered by the activity of the polymer，as well as the bridge bond effect and the filling effect of the specimen，as a result polymer concrete delivers prominent toughness and adaptability to deformation.

Polymer concrete;T oughness;Adaptability to deformation

TU528.041

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.41

1003-1995(2015)05-0163-03

(責任審編周彥彥)

2014-12-17;

2015-01-29

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2014G004-R)

李林香(1975—)，女，山西繁峙人，助理研究員，博士。