有機(jī)高分子聚合物對(duì)多孔混凝土力學(xué)性能影響試驗(yàn)分析

付 濤，王志軍，荊祿波

（1.山東高速齊魯建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100088；3.北京市交通委員會(huì)，北京 100053）

引言

多孔水泥混凝土是以水泥為膠結(jié)材料，特殊級(jí)配集料和水按照一定比例和施工工藝制備而成的空隙均勻分布的多孔性材料，具有較大的有效空隙，既具備一定的力學(xué)強(qiáng)度滿足路用性能，又具有一定的降噪、透水、透氣性，是一種備受關(guān)注的新型水泥路面結(jié)構(gòu)，在歐美、日本等國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。 我國(guó)對(duì)多孔混凝土的應(yīng)用多集中于輕交通荷載的工程領(lǐng)域，主要是由于多孔混凝土材料采用了孔隙-骨架結(jié)構(gòu)的型式而使其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，在車輛荷載的反復(fù)沖擊作用下易造成集料的松散剝落和路面損傷，從而影響多孔混凝土的力學(xué)性能和使用性能[4-6]。隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，各種外加劑和增強(qiáng)劑摻入到混凝土中提升了混凝土的強(qiáng)度和使用性能[7-9]。

1 試驗(yàn)方案

1.1 材料

（1）水泥。采用425#普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標(biāo)滿足《硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)、《道路硅酸鹽水泥》(GB 13693—2017)和《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F30—2014)的相關(guān)規(guī)定。（2）集料。最大公稱粒徑為4.75，級(jí)配類型見表1，其他技術(shù)要求滿足《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F30—2014)的規(guī)定。（3）水。采用純自來(lái)水。（4）減水劑。減水率15%～20%，其質(zhì)量及材料組成符合《混凝土外加劑均質(zhì)性試驗(yàn)方法》(GB/T8077—2012)和《混凝土外加劑》(GB8076—2016) 的要求。（5）硅灰。SiO2含量＞90%，比表面積≥15 m2/g。（6）有機(jī)高分子聚合物。采用VAE-707（乙酸乙烯脂-乙烯共聚乳液），其性能指標(biāo)見表2。

表1 多孔混凝土集料級(jí)配

表2 VAE-707 乳液主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.2.1 級(jí)配方案設(shè)計(jì)

采用表1 中的集料級(jí)配，設(shè)計(jì)試驗(yàn)組合見表3。設(shè)計(jì)目標(biāo)孔隙率為17%，水灰比為0.37；水泥用量分別采用340 kg/m3、380 kg/m3、420 kg/m3三種類型；減水劑摻量1%，有機(jī)高分子聚合物VAE-707 乳液的摻量為水泥質(zhì)量的0%、2%、6%、10%；膠凝材料為水泥（94%）+硅灰（6%），共計(jì)12 組數(shù)據(jù)。

表3 設(shè)計(jì)的多孔混凝土配合比

1.2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

試件采用振動(dòng)成型方式成型，養(yǎng)生結(jié)束后測(cè)試試件的28 d 抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度，其中抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用圓柱體試件、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用15 cm×15 cm×55 cm 試件。

1.2.3 飛散試驗(yàn)

多孔混凝土材料由于集料顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度較低而易出現(xiàn)飛散病害，采用多孔水泥混凝土的飛散試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。試驗(yàn)是將制備的試件放入洛杉磯磨耗試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行磨耗，以檢驗(yàn)多孔水泥混凝土的抗飛散能力。

1.2.4 凍融試驗(yàn)

采用《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352—2006）快速凍融法對(duì)多孔混凝土試件進(jìn)行凍融試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其抗凍融能力，試件的聚合物摻量為2%，尺寸為10 cm×10 cm×40 cm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能和抗飛散性能

力學(xué)性能和飛散試驗(yàn)結(jié)果見表4 和圖1 ～圖4。

圖1 聚合物含量對(duì)試件28 d 抗壓強(qiáng)度的影響曲線

圖2 聚合物含量對(duì)試件28 d 抗折強(qiáng)度的影響曲線

圖3 聚合物含量對(duì)試件飛散損失的影響

圖4 聚合物含量對(duì)試件壓折比的影響

表4 力學(xué)性能和飛散試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出：（1）制備的高分子聚合物多孔水泥混凝土試件的28 d 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度能達(dá)到20 MPa 和2.5 MPa 以上。多孔混凝土摻加高分子聚合物后，其28 d 抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加先增大后減小，呈現(xiàn)峰值特性，聚合物的摻量為10%時(shí)與不摻加聚合物的抗壓強(qiáng)度差異不明顯；有機(jī)高分子聚合物能夠提高多孔水泥混凝土的抗折強(qiáng)度，摻加高分子聚合物后，其28 d 抗折強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度的提高，當(dāng)摻量為2%時(shí)，其抗折強(qiáng)度最高。（2）壓折比試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，高分子聚合物摻量在2%時(shí)，聚合物混凝土具有較好的韌性。（3）混凝土飛散試驗(yàn)結(jié)果顯示，多孔混凝土中摻加聚合物提高了其飛散能力，當(dāng)聚合物摻量為2%時(shí)其質(zhì)量損失率最小。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，有機(jī)高分子聚合物的最佳摻量可選擇為2%。

2.2 凍融試驗(yàn)

聚合物多孔混凝土凍融試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見表5 和圖5、圖6。

表5 不同凍融次數(shù)的聚合物多孔混凝土凍融試驗(yàn)結(jié)果

圖5 多孔混凝土不同凍融次數(shù)的相對(duì)動(dòng)彈模量變化

圖6 多孔混凝土不同凍融次數(shù)的質(zhì)量變化率

可以看出，高分子聚合物的摻加提高了多孔混凝土的抗凍融能力。（1）在凍融試驗(yàn)初始的100 次凍融循環(huán)以內(nèi)，摻加聚合物的混凝土和不摻聚合物混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量和質(zhì)量變化率指標(biāo)相差不大；（2）在100 次凍融循環(huán)之后，摻加高分子聚合物的多孔混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量相比不摻聚合物的混凝土提高了5.2%（150 次）和7.4%（200 次），質(zhì)量變化率相對(duì)降低了33%（150 次）和28.5%（200 次）。多孔混凝土的抗凍融能力由于其自身多孔的特點(diǎn)，水對(duì)其自身的侵蝕和凍脹破壞要遠(yuǎn)大于水對(duì)普通混凝土的作用。多孔混凝土摻加高分子聚合物后，聚合物填充于多孔混凝土的水泥槳體中水化成膜，增強(qiáng)了多孔混凝土顆粒之間的黏結(jié)力，修復(fù)了混凝土水化過(guò)程中產(chǎn)生的微裂縫，形成的聚合物膜具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，明顯改善了普通多孔混凝土的韌性；同時(shí)高分子聚合物自身具有柔性特性，在多孔混凝土顆粒間可減緩其尖端應(yīng)力從而可阻止裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。因此，高分子聚合物的力學(xué)性能相較于普通多孔混凝土有較明顯的改善。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）制備的多孔聚合物水泥混凝土試件的28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別在20 MPa 和2.5 MPa 以上；有機(jī)高分子聚合物能夠提高多孔水泥混凝土的抗折強(qiáng)度，其抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加先增大后減小，呈現(xiàn)峰值特性。（2）有機(jī)高分子聚合物在多孔混凝土顆粒間可水化成膜，增加顆粒之間的黏結(jié)性，延緩裂縫的發(fā)展，提高多孔混凝土的韌度，其最佳摻量為2%。（3）摻加聚合物能夠顯著提高多孔混凝土的抗凍融能力，凍融循環(huán)次數(shù)越多效果越明顯。