聚乙烯醇摻量對橋面鋪裝混凝土性能的影響

李洋，劉楊

1.山東高速股份有限公司 濟青濟南養(yǎng)護分中心，山東 濟南 250014； 2.濟南瑞鑫路橋養(yǎng)護有限公司，山東 濟南 250105

0 引言

隨著我國高速公路建設事業(yè)的蓬勃發(fā)展，橋梁在公路構(gòu)造物中所占比例逐年攀升。橋面鋪裝層在保護橋面板免受行車荷載直接作用以及預防有害介質(zhì)侵入橋梁主體結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮重要作用，其質(zhì)量直接影響行車的安全性和橋梁耐久性[1-4]。目前用于橋面鋪裝的水泥混凝土主要包括普通混凝土、纖維混凝土等，由于混凝土自身的凝結(jié)硬化特性以及在施工過程中溫度、濕度的變化，易出現(xiàn)早期的收縮裂縫，從而加速了橋面鋪裝層的破壞，降低了橋梁的使用壽命[5-6]。為解決橋面鋪裝混凝土的早期開裂問題，亟需開發(fā)新型的橋面鋪裝混凝土材料，在滿足工作性能與力學性能的條件下改善水泥混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性，以提高橋面鋪裝混凝土的耐久性。聚乙烯醇具有良好的成膜特性，目前已廣泛應用于化工和紡織行業(yè)[7-9]。近年來，一些學者針對水溶性聚乙烯醇在混凝土材料領(lǐng)域的應用進行了研究，但目前的研究主要集中在水溶性聚乙烯醇對混凝土力學性能及水泥水化特性的影響上，聚乙烯醇對混凝土收縮性及耐久性能方面的研究尚處于起步階段[10-12]。基于此，本文將水溶性聚乙烯醇加入橋面鋪裝混凝土中，研究在不同聚乙烯醇摻量條件下橋面鋪裝混凝土性能的變化規(guī)律，并對其影響機理進行分析。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

原材料分別為：P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其性能測試結(jié)果如表1所示；細骨料(河砂)最大粒徑為5 mm，細度模數(shù)為2.7；粗骨料(石灰?guī)r碎石)，粒徑為5～20 mm，連續(xù)級配，級配良好；自來水及聚羧酸減水劑；224型聚乙烯醇。

表1 水泥的技術(shù)指標

1.2 配合比

1)聚乙烯醇溶液的制備。在溶解聚乙烯醇時，首先將其放入20 ℃的水中使其充分溶脹，然后放入95 ℃的烘箱中加熱，直到形成均勻透明的水性溶液。

2)材料配合比。橋面鋪裝混凝土(C40)中水泥、砂子、石子和水的質(zhì)量比為1:1.7:3.1:0.4，水灰比為0.4，砂率為0.35，聚羧酸減水劑用量為2.8 kg/m3，聚乙烯醇溶液與水泥的質(zhì)量比(以下簡稱聚乙烯醇摻量)分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。分別選取5組各1 m3聚乙烯醇橋面鋪裝混凝土試件，每組試件中水泥、砂子、石子、水、減水劑等原材料分別為450、765、1395、180、2.8 kg，聚乙烯醇分別為0、2.25、4.50、6.75、9.00 kg。

1.3 性能試驗

參照文獻[13-15]進行新拌橋面鋪裝混凝土坍落度，混凝土試件抗壓強度、抗彎拉強度、干縮性能和抗?jié)B性能的測試?？箟簭姸仍嚰叽鐬?50 mm×150 mm×150 mm，抗彎拉強度試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm，干縮試驗試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm，抗?jié)B試驗試件尺寸為Φ100 mm×50 mm。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 坍落度

采用坍落度筒法測試聚乙烯醇橋面鋪裝混凝土拌和物的坍落度。選取5組聚乙烯醇摻量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0% 的橋面鋪裝混凝土拌和物，測量其坍落度(每組測量3次，取平均值)分別為130、145、140、130、115 mm。

隨著聚乙烯醇摻量的逐漸增加，混凝土的坍落度先增加后降低。聚乙烯醇的摻量為0.5%～1.0%時，混凝土拌和物的坍落度較高，有助于改善混凝土拌和物的工作性能。隨著聚乙烯醇摻量的繼續(xù)增加，混凝土拌和物的坍落度逐漸降低。當聚乙烯醇的摻量為2.0%時，改性混凝土拌和物的工作性能較普通混凝土拌和物差。

2.2 力學性能

分別測試5組不同聚乙烯醇摻量的橋面鋪裝混凝土試件的抗壓強度和抗彎拉強度，試驗結(jié)果如表2、3所示。

由表2可以看出：聚乙烯醇橋面鋪裝混凝土的抗壓強度隨著齡期的增加而增加；隨著聚乙烯醇摻量的增加，混凝土的7 d和28 d抗壓強度均表現(xiàn)為先增加后降低，當聚乙烯醇摻量為1.0%時，混凝土的7 d和28 d抗壓強度最大，分別較普通混凝土增長了10.7%和8.2%。

表2 不同齡期不同聚乙烯醇摻量的橋面鋪裝混凝土的抗壓強度 MPa

由表3可以看出：聚乙烯醇的加入不會顯著增加或降低混凝土的7 d抗彎拉強度，可能是因為聚乙烯醇在混凝土基體內(nèi)部的成膜過程需要時間，且聚乙烯醇的成膜過程在一定程度上減緩了水泥的水化反應，但養(yǎng)護28 d時，聚乙烯醇已經(jīng)成膜并穩(wěn)定分布在混凝土的各孔隙和裂縫中，此時聚乙烯醇改性混凝土28 d抗彎拉強度明顯高于普通混凝土；當聚乙烯醇摻量為1.0%時，混凝土的28 d抗彎拉強度增長幅度最大，較普通混凝土增長了17.1%。

表3 不同齡期不同聚乙烯醇摻量的橋面鋪裝混凝土的抗彎拉強度 MPa

2.3 收縮性能

采用立式混凝土收縮儀對5組聚乙烯醇橋面鋪裝混凝土試件進行收縮性能測試，記錄其在齡期分別為3 、7 、14、28、56 、90 d時的收縮率，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同聚乙烯醇摻量的橋面鋪裝混凝土的收縮性能

由圖1可知：聚乙烯醇橋面鋪裝混凝土的收縮率隨著齡期的延長而增大，且所有聚乙烯醇摻量下，其90 d測試齡期內(nèi)的收縮率都表現(xiàn)為前期迅速增長，后期緩慢增長；不同聚乙烯醇摻量下的混凝土在各測試齡期內(nèi)的收縮率均明顯低于相同齡期下的普通混凝土，且隨著聚乙烯醇摻量的增加，其收縮率逐漸降低。以90 d齡期的收縮率為例，聚乙烯醇摻量為2.0%的混凝土試件收縮率較普通混凝土試件降低了49.2%。

由此說明：聚乙烯醇的加入可顯著降低混凝土的收縮變形，對提升橋面鋪裝混凝土的抗裂性能效果比較明顯。

2.4 抗?jié)B性能

采用快速氯離子遷移系數(shù)法對養(yǎng)護齡期為28 d的不同聚乙烯醇摻量下橋面鋪裝混凝土的抗?jié)B性能進行測試，當聚乙烯醇摻量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時，氯離子遷移系分別為：9.4、7.5、6.7、6.0、5.5 μm2/s。隨著聚乙烯醇摻量的逐漸增加，混凝土的抗氯離子遷移系數(shù)逐漸降低，當聚乙烯醇摻量為2.0%時，橋面鋪裝混凝土較普通混凝土的氯離子遷移系數(shù)降低了41.5%。摻加聚乙烯醇使混凝土的抗氯離子遷移系數(shù)降低，抗?jié)B性提高，可能是因為聚乙烯醇在混凝土基體內(nèi)部的成膜效應有效阻斷了氯離子在混凝土內(nèi)部孔隙和裂縫中的遷移。

3 聚乙烯醇改性橋面鋪裝混凝土機理分析

聚乙烯醇作為一種水溶性聚合物，與混凝土具有良好的相容性。在混凝土中加入適量的聚乙烯醇可以提高混凝土的力學性能、收縮性能和抗?jié)B性能。

1)聚乙烯醇可以與水泥顆粒發(fā)生化學反應，生成新的水化產(chǎn)物，形成連續(xù)的網(wǎng)絡狀聚合物膜縮小了混凝土內(nèi)部的孔徑，使基體結(jié)構(gòu)更加致密[12,16]；聚乙烯醇還可以發(fā)揮其成膜效應來改善混凝土的界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)，通過減小混凝土的界面過渡區(qū)厚度，提高其硬度來改善骨料與砂漿的黏結(jié)強度[17-20]。因此，聚乙烯醇橋面鋪裝混凝土的力學性能、收縮性能和耐久性能得以有效改善。

2)聚乙烯醇摻量過多會降低混凝土的抗壓強度，這是因為過量的聚乙烯醇會在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成大量的片狀結(jié)構(gòu)并包裹在水泥顆粒表面，阻礙水泥的水化反應，從而降低混凝土的抗壓強度[19，21]。

3)基于聚乙烯醇對橋面鋪裝混凝土工作性能、力學性能、收縮性能和抗?jié)B性能的試驗結(jié)果分析，同時考慮材料成本，聚乙烯醇在橋面鋪裝混凝土中的最佳摻量為1.0%。

4 結(jié)論

1)加入適量的聚乙烯醇可以提高橋面鋪裝混凝土的坍落度，但當聚乙烯醇的摻量大于1.5%時，橋面鋪裝混凝土的坍落度則低于普通混凝土，因此只考慮坍落度因素時，聚乙烯醇的摻量不應大于1.5%。

2)聚乙烯醇橋面鋪裝混凝土的抗壓強度隨聚乙烯醇摻量的增加先增加后降低，當聚乙烯醇摻量為1%時，聚乙烯醇改性橋面鋪裝混凝土的抗壓強度最大。同時摻加聚乙烯醇的混凝土的抗彎拉強度均高于普通混凝土。

3)聚乙烯醇橋面鋪裝混凝土的收縮變形小，抗氯離子滲透性好，且隨著聚乙烯醇摻量的增加，其對混凝土收縮阻裂和抗?jié)B性能的影響更為顯著。

4)聚乙烯醇主要通過影響水泥水化反應的進程以及聚乙烯醇自身的成膜特性來影響混凝土的力學性能，其在混凝土材料領(lǐng)域具有廣闊的推廣和應用前景。