不同聚合物改性水泥混凝土性能研究

陳培正

(黑龍江大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080)

聚合物改性混凝土(PPC)材料具有韌性較高、抗沖擊，抗裂、耐磨、抗滑等優(yōu)良特性，具有良好的工程優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于土木工程路面以及水利工程混凝大壩建設(shè)中[1- 3]。目前工程主要應(yīng)用類型為液體聚合物改性水泥混凝土，并取得了良好的應(yīng)用效果與經(jīng)濟(jì)效益。然而，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于新型聚合物改性混凝土的研究較少，因此，研究不同類型聚合物改性水泥混凝土的工程性能具有重要意義。

應(yīng)用于水泥混凝土改性的聚合物材料主要分為四類：水溶聚合物、聚合物乳液、可再分散性聚合物及液體聚合物[4- 5]，不同種類聚合物改性作用不同，影響大小也不一致[6- 7]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外已有研究結(jié)果，結(jié)合宏觀分析及微觀觀察，聚合物改性混凝土的機(jī)理可概括為：接觸膠結(jié)作用、結(jié)構(gòu)硬化作用及裂隙填充作用[8- 10]。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)JGJ55- 2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》對(duì)混凝土試件進(jìn)行配比、制作，分別確定水泥混凝土的骨料用量、水灰比、水泥、水、減水劑、硅灰以及不同類型聚合物的單方用量，得出不同類型聚合物情況下改性混凝土配合比，見表1。

1.2 試驗(yàn)介紹

1.2.1 強(qiáng)度測(cè)試

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件進(jìn)行單軸壓縮條件下的水泥混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

表1 不同類型聚合物改性混凝土配合比單位：kg/m3

(1)

(2)

式中，fcu、fm—混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，MPa；Fmax—最大荷載，kN；A—承壓面積，m2；l—支座間距，mm；b、h—試件截面寬度與高度，mm。

此外，抗折強(qiáng)度測(cè)試是對(duì)混凝土抗彎性能的評(píng)價(jià)分析參數(shù)，需要采用特殊實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。

圖1 混凝土試件抗折強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備

1.2.2 滲透系數(shù)

本次測(cè)試采用定水頭法對(duì)試件透水性進(jìn)行測(cè)試，試件尺寸H×φ=100mm×50mm圓柱體，試驗(yàn)方案：

(1)將試件裝入密封夾具套筒北疆套筒固定、封牢。

(2)使用覆壓滲透儀對(duì)試件上端加持一定水壓，同時(shí)記錄電腦設(shè)備上單位時(shí)間內(nèi)穿過(guò)試件的出水量。則有：

(3)

式中，K—混凝土滲透系數(shù)，mm/s；Q—測(cè)試時(shí)間段內(nèi)透過(guò)混凝土的平均透水量；L—混凝土試件的高度，mm；A—試件橫截面積；H—水頭差；Δt—時(shí)間差。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)事件進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及滲透性系數(shù)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同聚合物改性混凝土抗壓強(qiáng)度

由圖2可知，對(duì)于普通混凝土，5種不同有機(jī)聚合物的摻加均造成改性混凝土強(qiáng)度的增加，增加的程度各自不同，且與不同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間相關(guān)。A組普通混凝土在7d、28d的養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)強(qiáng)度分別為12.89、30.01MPa，這表明養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥混凝土抗壓強(qiáng)度具有很大的影響，強(qiáng)度提升率達(dá)到132.82%。摻加不同聚合物強(qiáng)度條件下，B組丙烯酸鹽改性水泥混凝土強(qiáng)度在7d、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下分別達(dá)到了15.32、30.08MPa，分別提升了18.85%、0.30%；C組丁苯乳膠改性水泥混凝土強(qiáng)度在7d、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下分別達(dá)到了16.37、31.46MPa，分別提升了27.00%、4.90%；D組苯丙乳液改性水泥混凝土強(qiáng)度在7d、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下分別達(dá)到了18.63、35.16MPa，分別提升了44.50%、17.16%；E組環(huán)氧樹脂改性水泥混凝土強(qiáng)度在7d、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下分別達(dá)到了20.09、33.52MPa，分別提升了55.86%、18.49%；F組混合乳液改性水泥混凝土強(qiáng)度在7d、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下分別達(dá)到了16.63、38.96MPa，分別提升了29.01%、29.82%。由此可見，在7d養(yǎng)護(hù)期條件下，聚合物摻加對(duì)混凝土的強(qiáng)度具有一定程度上的提升，其中以E組環(huán)氧樹脂的提升程度最大；在28d養(yǎng)護(hù)條件下，聚合物的摻加亦能提升混凝土強(qiáng)度，但提升程度較小，以F組混合乳液提升程度最大。

圖3 不同聚合物改性混凝土抗折強(qiáng)度

不同聚合物改性混凝土抗折強(qiáng)度如圖3所示。由圖3可知，對(duì)于普通混凝土，5種不同有機(jī)聚合物的摻加對(duì)改性混凝土抗折強(qiáng)度的影響各自不同，有增有減，且與不同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間相關(guān)。A組普通混凝土在7d、28d的養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)強(qiáng)度分別為3.62、4.06MPa，這表明養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥混凝土抗折強(qiáng)度具有很大的影響，強(qiáng)度提升率達(dá)到11.22%。摻加不同聚合物強(qiáng)度條件下，B組丙烯酸鹽改性水泥混凝土強(qiáng)度在7d、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下分別達(dá)到了3.49、4.08MPa，分別提升了-3.59%、0.50%；C組丁苯乳膠改性水泥混凝土強(qiáng)度在7d、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下分別達(dá)到了3.15、5.06MPa，分別提升了-12.98%、24.63%；D組苯丙乳液改性水泥混凝土強(qiáng)度在7d、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下分別達(dá)到了3.78、4.87MPa，分別提升了4.42%、19.95%；E組環(huán)氧樹脂改性水泥混凝土強(qiáng)度在7d、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下分別達(dá)到了4.13、4.92MPa，分別提升了14.09%、28.06%；F組混合乳液改性水泥混凝土強(qiáng)度在7d、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下分別達(dá)到了4.05、7.79MPa，分別提升了7.74%、91.87%。由此可見，在7d養(yǎng)護(hù)期條件下，聚合物摻加對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度的影響有正有負(fù)，其中以E組環(huán)氧樹脂的提升程度最大，C組降低程度最大；在28d養(yǎng)護(hù)條件下，聚合物的摻加能提升混凝土抗折強(qiáng)度，且提升程度均較可觀，以F組混合乳液提升程度最大。綜合可見，混合液對(duì)混凝土的改造程度最為優(yōu)良。

不同聚合物改性混凝土滲透系數(shù)如圖4所示。由圖4可知，A組普通混凝土的滲透系數(shù)為12.45mm/s。在摻加不同聚合物強(qiáng)度的條件下，B組丙烯酸鹽改性水泥混凝土滲透系數(shù)為11.56mm/s，提升了-7.15%；C組丁苯乳膠改性水泥混凝土滲透系數(shù)16.05mm/s，提升了38.84%；D組苯丙乳液改性水泥混凝土滲透系數(shù)為8.87mm/s，提升了-23.27%；E組環(huán)氧樹脂改性水泥混凝土滲透系數(shù)為13.74mm/s，提升了9.57%；F組混合乳液改性水泥混凝土滲透系數(shù)為8.15mm/s，提升了-35.11%。

圖4 不同聚合物改性混凝土滲透系數(shù)

3 結(jié)論

(1)對(duì)于抗壓強(qiáng)度，7d養(yǎng)護(hù)條件下提升以E組環(huán)氧樹脂最大，28d養(yǎng)護(hù)條件下以F組混合乳液提

升最大；對(duì)于抗折強(qiáng)度，7d養(yǎng)護(hù)條件下提升以E組環(huán)氧樹脂最大，28d養(yǎng)護(hù)條件下以F組混合乳液提升最大；滲透系數(shù)以C組丁苯乳膠改性混凝土最為優(yōu)良。

(2)綜合比較抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及滲透系數(shù)，選取E組氧樹脂或F組混合乳液對(duì)改性水泥混凝土改良效果最好，具體選擇視工程實(shí)際需要而定，這對(duì)國(guó)內(nèi)水利工程建設(shè)選用聚合物改性水泥混凝土類型具有重要的借鑒意義。

(3)本次試驗(yàn)研究不能完全反映改性混凝土的其他工程性質(zhì)，建議可進(jìn)行室內(nèi)抗沖擊、耐磨性試驗(yàn)。