聚合物改性水泥混凝土路用性能研究

張 博

（中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司山西分公司，山西 太原 030006）

0 引言

普通水泥的干縮變形較大，黏結(jié)強(qiáng)度較低，抗裂性、抗凍性以及抗?jié)B性等性能均不夠理想，因此其使用范圍受到了極大限制[1]。將其應(yīng)用于水泥混凝土路面，容易產(chǎn)生板體開裂、板底脫空等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致水毀。同時由于黏結(jié)強(qiáng)度低，施工和易性差，進(jìn)而導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)不密實(shí)，不能形成有效的防水層。因此，目前對于不同改性水泥的研究較多，其主要研究是采用不同類型的聚合物組分對水泥顆粒進(jìn)行改性，借以彌補(bǔ)原材料的部分缺陷，增加其內(nèi)聚力、抗拉強(qiáng)度和變形能力，同時增加了其黏附性，進(jìn)而提高了水泥和集料間的黏結(jié)[2]。另外，因?yàn)榫酆衔锏拇嬖谔畛淞怂嗷炷两Y(jié)構(gòu)中原本的些許微裂縫，增加了密實(shí)程度，提高了水泥混凝土材料的抗腐蝕能力以及抗?jié)B性等性能。

目前的聚合物改性水泥基本上分為三類：聚合物乳液、液體聚合物、可再分散性聚合物和水溶聚合物。本研究采用的改性劑為乳液類聚合物改性劑，其改性機(jī)理如下：

聚合物改性水泥混凝土中，骨料被黏結(jié)在水泥水化和乳液顆粒聚集形成的完整互相交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，形成復(fù)合體。乳液中離散的膠乳微粒隨著聚合膠液體系中水分的不斷減少而不斷相互靠近，并且微粒被限制在毛細(xì)管的孔壁內(nèi)，形成一種連續(xù)的膠膜，將水泥水化形成的凝膠和未水化的水泥顆粒進(jìn)行包裹，同時，膠乳與砂和石礫表面通過化學(xué)作用結(jié)合，且停滯在裂縫和空隙中，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生很大的黏結(jié)力。膠乳在裂縫中，阻擋了水、氧氣、二氧化碳和氯化物滲透進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)，減少結(jié)構(gòu)內(nèi)部的化學(xué)腐蝕。同時，膠乳通過緩解內(nèi)部微應(yīng)力，延緩了裂縫的形成和擴(kuò)張，進(jìn)一步增強(qiáng)混凝土整體強(qiáng)度[3]。

同時聚合物還具有減水作用，對水泥漿體的流動性進(jìn)行一定程度的改善，同時乳液的表面活性物質(zhì)也增加了混凝土的流動性和施工和易性等性能。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)原材料及性能

本試驗(yàn)中，水泥選用普通硅酸鹽水泥，型號為P·O42.5R，其各項技術(shù)參數(shù)完全符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175—2007）規(guī)范規(guī)定；粗集料選用具有級配的花崗巖碎石，其最大粒徑為31.5 mm，表觀密度為3.026 g/cm3；細(xì)集料采用河砂，粒徑小于5 mm，細(xì)度模數(shù)2.74，屬于中砂，表觀密度1.692 g/cm3；試驗(yàn)所用聚合物為浙江安邦新材料發(fā)展有限公司生產(chǎn)的水性環(huán)氧樹脂乳液（固含量是50%），相應(yīng)的固化劑也產(chǎn)自浙江安邦新材料發(fā)展有限公司；消泡劑選用廣州市中萬新材料有限公司制備的混凝土專用消泡劑；減水劑則為山東高強(qiáng)建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑；試驗(yàn)所用水為自來水。

1.2 試驗(yàn)試件制備方法

分別按照同摻法和后摻法制備聚合物改性水泥混凝土試件[4]，進(jìn)行試驗(yàn)并對比其改性效果，基于兩者改性效果，本研究最終選擇后摻法制備試件，具體制備步驟如下：

a）將水泥、粗集料及細(xì)集料三者放入混凝土攪拌機(jī)內(nèi)攪拌均勻。

b）計算并稱量試驗(yàn)所需含水性環(huán)氧樹脂的乳液（聚合物）、消泡劑及固化劑，然后混合并拌合均勻。

c）先將水泥、集料等的拌合表面潤濕，然后加入含水性環(huán)氧樹脂等成分的溶液進(jìn)行拌合，成型試驗(yàn)所需試件[5]。

1.3 配合比設(shè)計

試驗(yàn)過程中，聚合物改性水泥混凝土配合比的設(shè)計步驟如下：

a）計算初步配置強(qiáng)度、水灰比、砂率、單位水泥用量、單位用水量、砂和碎石用量以及所需聚合物用量等相關(guān)參數(shù)，計算初步配合比[6]。

b）按照確定的初步配合比對原材料進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證其相關(guān)性能，然后稱量、試拌，進(jìn)行坍落度試驗(yàn)，觀察黏聚性、保水性、和易性等相關(guān)性能，調(diào)整用水量和砂率等參數(shù)，其中以坍落度為15±3 cm作為確定混凝土拌合所需的用水量及減水劑用量的控制標(biāo)準(zhǔn)[7]，確定試驗(yàn)的最終配合比。本試驗(yàn)所確定的配合比如表1所示。

表1 聚合物改性水泥混凝土配合比參數(shù)表 kg/m3

以強(qiáng)度等級為C40的普通混凝土為基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上制作了5組含不同摻量聚合物的聚合物改性水泥混凝土試件，其水性環(huán)氧樹脂乳液聚合物的含量分別為水泥用量的0%、5%、10%、15%和20%，消泡劑用量則為聚合物摻量的1.0%，在配制各試件時保持水灰比不變。

1.4 試驗(yàn)方法

為了分析聚合物改性水泥混凝土的力學(xué)性能和路用性能，本文設(shè)計了不同的試驗(yàn)內(nèi)容并制作了各試驗(yàn)所需相應(yīng)類型的試件，如表2所示。試件的制作與取樣過程完全按照《水泥混凝土試件制作與硬化水泥混凝土現(xiàn)場取樣方法》（T 0551—2005）中國家規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行[8]。

表2 聚合物改性水泥混凝土性能試驗(yàn)內(nèi)容

各指標(biāo)測試均按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30—2005）規(guī)定進(jìn)行，而抗滑性能測試過程完全按照瀝青路面的抗滑性能測試過程進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度與抗彎拉強(qiáng)度

聚合物改性水泥混凝土和普通水泥混凝土試件抗壓和抗彎拉強(qiáng)度的測試結(jié)果如表3、圖1所示。

表3 抗壓與抗彎拉強(qiáng)度測試結(jié)果

圖1 抗壓強(qiáng)度與抗彎拉強(qiáng)度測試結(jié)果

從表3和圖1的測試結(jié)果可以看出，相比于未添加聚合物成分的普通水泥混凝土而言，經(jīng)聚合物成分改性劑改性后的水泥混凝土抗壓強(qiáng)度會有較小幅度下降，而抗彎拉強(qiáng)度有較大程度增加；但是由于水泥混凝土路面在實(shí)際使用中力學(xué)性能主要由抗彎拉強(qiáng)度提供，因此抗壓強(qiáng)度略微下降并不會導(dǎo)致水泥混凝土路面使用性能下降。同時在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，隨齡期增加，普通水泥混凝土和聚合物改性水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗彎拉強(qiáng)度都呈增加趨勢，而聚合物改性水泥混凝土強(qiáng)度隨齡期增長的幅度更大。

2.2 抗沖擊和抗彎疲勞性能

對聚合物改性水泥混凝土和普通水泥混凝土的動力性能進(jìn)行測試，其抗沖擊性能和抗彎疲勞性能測試結(jié)果見表4、圖2。

表4 抗沖擊與抗彎拉疲勞性能測試結(jié)果

圖2 抗沖擊與抗彎拉疲勞性能測試結(jié)果

從表4和圖2可以得到：對抗沖擊性能而言，聚合物改性水泥混凝土試件不論是出現(xiàn)裂縫還是發(fā)生斷裂的作用次數(shù)都較普通水泥混凝土試件多，且出現(xiàn)裂縫和發(fā)生斷裂的作用次數(shù)都隨著聚合物含量增加而增加，說明添加聚合物后，水泥混凝土試件抗沖擊性能有顯著提升。對抗彎疲勞性能而言，應(yīng)力水平為0.7和0.8時聚合物改性水泥混凝土的疲勞壽命均有大幅提升，且疲勞壽命隨聚合物含量增大而增加，但是應(yīng)力水平為0.7時疲勞壽命增長幅度沒有0.8時大。說明在添加聚合物之后，水泥混凝土路面的抗沖擊性能和抗彎疲勞性能有很大提升，且在路面使用周期內(nèi)能發(fā)揮較好作用。

2.3 抗?jié)B、抗凍性和干縮性能

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)隨聚合物含量增加，抗?jié)B性以及干縮性能都有一定程度提高，測試結(jié)果如表5及圖3、圖4和圖5所示。

表5 抗?jié)B性、抗凍性和干縮特性測試結(jié)果

圖3 干縮特性測試結(jié)果

圖4 抗?jié)B性能測試結(jié)果

圖5 抗凍性能測試結(jié)果

根據(jù)表5及圖3、圖4、圖5的測試結(jié)果，可以得到，對干燥收縮特性來說，7 d、28 d、90 d的收縮率均隨聚合物含量增加先減小后增大，但收縮率都比普通混凝土低。由于不同齡期的最小收縮率所對應(yīng)的聚合物含量不同，因此可得到一個最佳聚合物含量范圍，為10%～15%；對于抗凍性來說，加入聚合物改性劑后，水泥混凝土的抗凍性能有了較大提升，且隨聚合物含量增加抗凍性提升越明顯；對于抗?jié)B性來說，隨著聚合物含量增加，抗?jié)B高度逐漸減小，說明抗?jié)B性隨聚合物增加而逐漸增強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在普通水泥混凝土材料中加入聚合物成分改性劑后，水泥混凝土的干燥收縮性能、抗凍性能和抗?jié)B性能均會有較大程度提升。

2.4 抗滑性能和耐磨性能

針對實(shí)驗(yàn)組和對照組，即摻加不同聚合物含量的聚合物改性水泥混凝土和普通水泥混凝土試件測試其抗滑性能和耐磨性能，以期建立摻量與性能指標(biāo)的關(guān)系，測試結(jié)果如表6、圖6和圖7所示。

表6 抗滑性能和耐磨性能測試結(jié)果

圖6 抗滑性能測試結(jié)果

圖7 耐磨性能測試結(jié)果

從表6及圖6、圖7可以看出，隨聚合物改性水泥中聚合物摻量增加，路面的構(gòu)造深度和BPN值均逐漸增大，而單位面積磨損量逐漸減小，這說明聚合物改性水泥混凝土路面的抗滑性和耐磨性較普通水泥混凝土路面均有所改善，而且隨聚合物含量增加，抗滑性能和耐磨性能改善效果越顯著。其中，抗滑性能改善的程度有限，但耐磨性提升效果極其顯著。

3 結(jié)語

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)的方法研究了聚合物改性水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度、抗沖擊性能和抗彎疲勞性能、抗?jié)B性、抗凍性和干縮特性以及耐磨性能和抗滑性能，并且將不同聚合物摻量的這些性能測試值與普通水泥混凝土進(jìn)行比較，主要結(jié)論如下：

a）聚合物改性水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度隨聚合物含量增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，抗壓和抗彎拉強(qiáng)度值均隨著聚合物摻量的增加而增加，其中抗彎拉強(qiáng)度較普通水泥混凝土大，而抗壓強(qiáng)度在聚合物含量較小時有略微損失。

b）經(jīng)過摻加聚合物后，水泥混凝土的抗沖擊性能和抗彎疲勞性能均有所提升，并且隨著聚合物含量的增加，抗沖擊性能和抗彎疲勞性能增長幅度增大。

c）聚合物可有效改善水泥混凝土的抗?jié)B性、抗凍性和干燥收縮特性。其中，干燥收縮率隨著聚合物含量增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，從而確定一個最佳聚合物摻量范圍，即10%～15%；而對抗?jié)B性和抗凍性而言，隨聚合物摻量增加性能逐步提高。

d）與普通水泥混凝土路面相比，聚合物改性水泥混凝土路面的耐磨性能和抗滑性能均有所改善。并且改善程度隨聚合物摻量增加而愈加顯著。其中，抗滑性能改善作用有限，但是對耐磨性能的改善有明顯的效果。