聚灰比對(duì)聚合物改性水泥混凝土耐久性能研究

李仲玉 李?yuàn)W然 李 歡

(河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

1 引 言

張家口地區(qū)冬季較冷，冬季的嚴(yán)寒及降雪對(duì)混凝土構(gòu)件造成了凍融循環(huán)破壞.更為嚴(yán)重的是，為了解決路面、橋面的積雪積冰，除冰鹽得到廣泛使用，這樣在很大程度上提高了道路行車的安全性，卻增大了對(duì)路面、橋身的破壞.混凝土作為當(dāng)今社會(huì)一種主要的建筑材料，被廣泛地應(yīng)用到道路、橋梁中去，但混凝土脆性以及在復(fù)雜條件下的抗侵蝕性能并不理想.為了提高混凝土的抗鹽凍性能，專家學(xué)者做了大量研究，而聚合物改性混凝土就是研究的方向之一.聚合物改性水泥混凝土不僅保留了普通混凝土抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，還改善了普通混凝土脆性大、抗拉強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，是性能優(yōu)越的新型混凝土材料.另外，其抗?jié)B性、抗彎拉性能、抗沖擊性能也有所提高[1].本文對(duì)聚合物改性混凝土在不同鹽凍循環(huán)次數(shù)下的抗壓強(qiáng)度、電通量變化情況以及凍融后質(zhì)量損失等進(jìn)行試驗(yàn)研究，進(jìn)一步闡述混凝土中的聚合物水性環(huán)氧樹脂作用機(jī)理以及在力學(xué)方面及耐久性方面起到的作用及其優(yōu)點(diǎn).

2 試驗(yàn)概況

2.1 試樣制作

本試驗(yàn)采用材料：水泥為42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥；水為自來(lái)水；細(xì)骨料選用天然砂,中砂：細(xì)度模數(shù)為2.67；粗骨料為最大粒徑不超過(guò)20 mm的碎石；減水劑為聚羧酸高效減水劑；本試驗(yàn)選用DY-128-50型水性環(huán)氧樹脂乳液，該環(huán)氧樹脂為乳白色均勻水性乳液，固含量為50%，具有很好的流動(dòng)性.涂膜具有很高的硬度，即使經(jīng)過(guò)高速度的攪拌和研磨，環(huán)氧樹脂乳漿也不會(huì)破損，VOC較低，物理機(jī)械性能良好，詳細(xì)指標(biāo)如表1所示；試驗(yàn)使用DY-157型水性環(huán)氧固化劑，固含量為49%-51%，其外觀為淺棕色均勻液體，具有一定粘稠度，有刺激氣味.該固化劑常溫下即可固化，粘聚力優(yōu)異，有較長(zhǎng)的適用期，適用于鹽霧環(huán)境.與環(huán)氧樹脂搭配使用效果極佳，其各項(xiàng)性能指標(biāo)如表2所示.

表1 DY-128-50型水性環(huán)氧樹脂乳液

表2 DY-157型水性環(huán)氧固化劑性能

本試驗(yàn)所用混凝土配合比見表3.

表3 實(shí)驗(yàn)所用混凝土試件配合比(kg/m3)

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

本次試驗(yàn)選用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊進(jìn)行力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)；直徑100 mm，高50 mm圓柱形試塊進(jìn)行電通量試驗(yàn)；根據(jù)楊全兵等對(duì)氯鹽對(duì)混凝土破壞機(jī)理研究，破壞時(shí)濃度主要在2%～6%之間[2]，結(jié)合實(shí)際工程中除冰鹽的環(huán)境，選擇試件浸泡于3%氯化鈉溶液中進(jìn)行鹽凍，凍融循環(huán)溫度區(qū)間為5 ℃到-18 ℃之間，每鹽凍50次測(cè)量其抗壓強(qiáng)度值，并測(cè)出鹽凍后的電通量及其質(zhì)量損失.

3 混凝土力學(xué)性能及其耐久性能試驗(yàn)研究

3.1 混凝土抗壓強(qiáng)度

根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082-2009規(guī)范要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備.立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算過(guò)程按照下列方法確定：

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：

fcc=F/A

(1)

式中：fcc—混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度(MPa)；

F—試件破壞荷載(N)；

A—試件承壓面積(mm2).

抗壓強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)精確至0.1 MPa，強(qiáng)度值的確定按規(guī)范中規(guī)定進(jìn)行取值.由于本試驗(yàn)試件為非標(biāo)準(zhǔn)試件，在計(jì)算其抗壓強(qiáng)度時(shí)在式(1)的基礎(chǔ)上乘以尺寸換算系數(shù)0.95.圖1為不同鹽凍次數(shù)下的不同聚灰比的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度變化圖.

圖1 不同鹽凍次數(shù)下聚合物改性混凝土抗壓強(qiáng)度變化圖

由上述圖表可以得出：

①聚合物的摻入并沒(méi)有明顯提高混凝土抗壓強(qiáng)度，甚至摻后混凝土抗壓強(qiáng)度有所降低.

②鹽凍200次過(guò)程中，各組混凝土的強(qiáng)度均有所下降，下降幅度最大的是普通混凝土.

③隨著聚灰比的提高，混凝土鹽凍后強(qiáng)度下降趨勢(shì)減小，即聚合物摻量越大，混凝土強(qiáng)度下降幅度越小.

④200次鹽凍循環(huán)結(jié)束后，普通混凝土強(qiáng)度下降幅度為36.1%；聚灰比為5%，10%,15%，20%的混凝土強(qiáng)度下降幅度分別為29.8%、22.2%、18.6.0%、11.2%.

3.2 鹽凍后的相對(duì)動(dòng)彈模量變化

根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082-2009規(guī)范要求進(jìn)行相對(duì)動(dòng)彈模量試驗(yàn)，該試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件的尺寸為100 mm×100 mm×400 mm.在準(zhǔn)備進(jìn)行鹽凍試驗(yàn)時(shí)，由于鹽凍25次時(shí)相對(duì)動(dòng)彈模量變化不明顯，所以采用鹽凍50次測(cè)定一下試件的相對(duì)動(dòng)彈模量，進(jìn)行動(dòng)彈實(shí)驗(yàn)的儀器為DT-W18動(dòng)彈儀.

根據(jù)下式計(jì)算相對(duì)動(dòng)彈模量：

(2)

式中：Pi——經(jīng)N次凍融循環(huán)后第i個(gè)混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈模量(%)，精確至0.1；

fni——N次凍融循環(huán)后第i個(gè)混凝土試件的橫向基頻(Hz)；

foi——凍融循環(huán)試驗(yàn)前第i個(gè)混凝土試件的橫向基頻(Hz).

每組試塊在不同鹽凍次數(shù)下的動(dòng)彈模量模量及其變化趨勢(shì)如圖2所示：

由上述圖表可以得出以下結(jié)論：

①隨著鹽凍次數(shù)增加，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量逐漸減小，在研究的聚灰比范圍內(nèi)聚合物摻量越大，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量損失越小.

②鹽凍200次結(jié)束后，普通混凝土動(dòng)彈性模量損失較大，而聚灰比為10%、15%、20%的三組混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量變化不大，都在90%以上.

3.3 電通量變化

根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082-2009規(guī)范要求電通量試驗(yàn)準(zhǔn)備.試驗(yàn)前，使用真空飽水試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件飽水.將試件放入飽水試驗(yàn)機(jī)內(nèi)，設(shè)置好試驗(yàn)機(jī)相關(guān)參數(shù)后新建試驗(yàn).實(shí)驗(yàn)采用試件為圓柱體試件，其直徑為100±1 mm，高度為50±2 mm.每組試件在不同鹽凍次數(shù)下的電通量及其變化趨勢(shì)如圖3所示：

圖3 不同鹽凍次數(shù)下后各組混凝土電通量變化圖

由上述圖表可以得出以下結(jié)論：

①鹽凍未開始時(shí)，混凝土的電通量隨著聚灰比的增大逐漸減??；而電通量是混凝土抗?jié)B性能的重要指標(biāo)，其值越小，說(shuō)明抗?jié)B性越好，所以聚合物摻量越大，混凝土的抗?jié)B性能越優(yōu)異.

②鹽凍200次結(jié)束后，普通混凝土與聚灰比為5%混凝土的電通量值增長(zhǎng)幅度較大，而聚灰比為10%、15%、20%的三組混凝土電通量變化不大.

③在鹽凍200次的過(guò)程中，普通混凝土電通量隨鹽凍次數(shù)增大而增大，但摻有聚合物的混凝土電通量值隨鹽凍次數(shù)增大呈先減小后增大.

3.4 質(zhì)量損失變化

該試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件的尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，每鹽凍50次測(cè)其質(zhì)量損失.相對(duì)鹽凍質(zhì)量損失率表征鹽凍后混凝土質(zhì)量損失.相對(duì)鹽凍質(zhì)量損失率為：

(3)

其中，Wi表示i次鹽凍循環(huán)下質(zhì)量損失率；

M表示鹽凍前混凝土質(zhì)量；

Mi表示鹽凍i次混凝土的質(zhì)量.

當(dāng)質(zhì)量損失為負(fù)數(shù)或沒(méi)有質(zhì)量損失時(shí)取0.每組試件在不同鹽凍次數(shù)下的相對(duì)質(zhì)量損失率圖4所示：

圖4 不同鹽凍次數(shù)下后各組混凝土質(zhì)量損失化圖

由上述圖表可以得出以下結(jié)論：

①鹽凍實(shí)驗(yàn)中，混凝土的質(zhì)量損失隨著聚灰比的增大逐漸減小，在研究的聚灰比范圍內(nèi)聚合物摻量越大，混凝土的質(zhì)量損失越小.

②鹽凍200次結(jié)束后，普通混凝土與聚灰比為5%混凝土的質(zhì)量損失增長(zhǎng)幅度較大，而聚灰比為10%、15%、20%的三組混凝土質(zhì)量損失變化不大都小于1%.

③在鹽凍200次后，普通混凝土的質(zhì)量損失率約為聚灰比為20%混凝土的4倍.

4 鹽凍后混凝土各項(xiàng)指標(biāo)變化分析

就抗壓強(qiáng)度以及相對(duì)動(dòng)彈模量而言，鹽凍前100次混凝土的抗壓強(qiáng)度下降幅度很大，下降速度很快.氯離子侵蝕作用以及凍融循環(huán)作用的耦合使混凝土強(qiáng)度及回彈模量迅速下降，內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸毛細(xì)化，這進(jìn)一步加重了氯離子的侵蝕作用，使氯離子的侵蝕由擴(kuò)散作用逐漸變成了毛細(xì)吸收作用，同時(shí)鹽凍使得毛細(xì)孔隙朝著增多、增大、相互擴(kuò)展的方向發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)逐漸失去了結(jié)構(gòu)承載作用.

總體而言，聚合物改性混凝土抗壓強(qiáng)度優(yōu)于普通混凝土是因?yàn)榫酆衔锏募尤胧沟没炷羶?nèi)部孔隙率變小，密實(shí)度提高，形成互傳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而抵抗了氯離子向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散[3].由于水泥漿體中的毛細(xì)孔隙尺寸在0.2～2 μm之間，而聚合物顆粒尺寸一般在0.05～0.5 um之間，所以聚合物顆粒主要填充在水泥漿體孔隙中.

從電通量隨著鹽凍次數(shù)的增加先減小后增大的角度也能得到氯離子侵蝕作用以及凍融循環(huán)作用的耦合作用機(jī)理.首先在鹽凍初期，混凝土內(nèi)部的凍融毛細(xì)孔隙很少或者發(fā)展不充分，聚合物的存在使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，無(wú)法為氯離子的侵蝕形成有效的通道，同時(shí)鹽凍中使用的鹽溶液與電通量實(shí)驗(yàn)中使用的鹽溶液濃度相同，氯離子的擴(kuò)散作用就不再增大，所以電通量會(huì)逐漸降低；隨著凍融次數(shù)的逐漸增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一次數(shù)后，內(nèi)部?jī)鋈诿?xì)孔隙已經(jīng)得到充分的發(fā)展，為氯離子的侵蝕提供了通道[4].并且氯離子侵蝕以及凍融循環(huán)的耦合作用是相互促進(jìn)的，使得后期電通量數(shù)值增長(zhǎng)迅速.

鹽凍后混凝土的表觀特征也能從側(cè)面說(shuō)明鹽凍的侵蝕作用.鹽凍剛開始時(shí)混凝土的質(zhì)量損失很小，氯離子的侵蝕只是存在于表面，僅僅只是向內(nèi)部擴(kuò)散作用；當(dāng)鹽凍達(dá)到某一次數(shù)后，內(nèi)部?jī)鋈诿?xì)孔隙形成，氯離子的侵蝕由擴(kuò)散變成毛細(xì)吸收，大大加重了對(duì)混凝土的侵蝕，使得混凝土的質(zhì)量損失變大[5].

5 結(jié) 論

(1)隨著鹽凍次數(shù)增加，聚合物改性混凝土抗壓強(qiáng)度隨鹽凍次數(shù)增大逐漸降低，質(zhì)量損失也在逐漸增大；電通量先減小后增加.與之相比，未摻有聚合物的普通混凝土在相同的鹽凍次數(shù)下抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聚合物混凝土，而質(zhì)量損失卻大于同時(shí)期的聚合物混凝土，另外，普通混凝土電通量隨著鹽凍次數(shù)增大而增大.

(2)在研究的聚灰比范圍內(nèi)，隨著聚灰比的增加，聚合物混凝土的抗鹽凍性能是逐漸變好的.但是考慮到拌合時(shí)的混凝土和易性以及經(jīng)濟(jì)因素，聚灰比在10%左右聚合物混凝土在各項(xiàng)指標(biāo)都已達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的目標(biāo)，因此，將聚灰比為10%作為混凝土的最佳聚灰比.

(3)對(duì)于普通混凝土來(lái)說(shuō)，鹽凍環(huán)境下的混凝土侵蝕是從內(nèi)外兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行，因此普通混凝土抗壓強(qiáng)度隨鹽凍次數(shù)增加下降很快，同時(shí)外表面的剝落也在發(fā)生.而對(duì)于聚合物改性混凝土來(lái)說(shuō)，鹽凍主要影響來(lái)自于內(nèi)部，外表面的剝落侵蝕只是次要的.

(4)聚合物的加入使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生變化，聚合物顆粒填充水泥，密實(shí)度得到提高，這也是聚合物混凝土抗鹽凍性提高的根本原因.