不同聚合物對(duì)透水混凝土流變性能和力學(xué)性能的影響

高 新

(廣西北部灣投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

硅酸鹽水泥P·Ⅱ52.5作為膠凝材料，其化學(xué)組成如表1所示；玄武巖碎石作為粗集料，其粒徑介于2.5～4.75 mm，表觀密度為2 850 kg/m3；河沙作為細(xì)集料，其粒徑介于0.12～0.315 mm之間，表觀密度為2 650 kg/m3；聚合物分別為苯丙乳液(SAE)、乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液(VAE)和環(huán)氧樹脂(ER)，其基本性能如表2所示；聚羧酸系高效減水劑作為外加劑，固含量>20%，減水率為30%；拌和水為自來水。

表1 水泥化學(xué)組成表(%)

表2 聚合物物理性能指標(biāo)表

1.2 配合比設(shè)計(jì)

透水混凝土采用的水膠比為0.25，設(shè)計(jì)空隙率為17%，集料為粗集料∶細(xì)集料=4∶1，每一種聚合物與水泥的質(zhì)量比分別為0%、3%和6%。如表3所示列出了透水混凝土的配合比。

表3 透水混凝土配合比表(kg/m3)

1.3 試驗(yàn)方法

采用R/SP-SST 軟固體流變儀來表征漿體的流變性能；抗壓強(qiáng)度試樣尺寸為(1 000×100×100)mm3的正方體，加載速率為3～5 kN/s；抗折強(qiáng)度試樣尺寸為(40×40×160)mm3的長(zhǎng)方體，加載速率為50 N/s；拉伸粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試的試樣尺寸大小為(100×100×20)mm3。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚合物對(duì)新拌漿體流變性能的影響

(a)SAE

如圖1所示為SAE、VAE和ER三種聚合物在不同摻量下對(duì)透水混凝土新拌漿體流變性能的影響曲線圖，并將新拌漿體的物理性能列于表4。結(jié)果表明，與對(duì)照組C相比，摻加SAE和ER的新拌漿體塑性黏度降低，由2.06 Pa·s分別降低到1.22 Pa·s和1.89 Pa·s。SAE的引入可以提高透水混凝土新拌漿體粘結(jié)力，但這會(huì)引入大量氣泡，氣泡起到滾珠效應(yīng)，進(jìn)而降低了漿體內(nèi)部的摩擦力，并降低了漿體的膜厚。然而，與摻加SAE不同，ER導(dǎo)致新拌漿體的流動(dòng)度出現(xiàn)顯著降低，由175 mm降低到135 mm，并且顯著降低了新拌漿體的密度。此外，ER-6%樣品的漿體膜厚具有最大值，與對(duì)照組C相比，振動(dòng)后的膜厚提高了1.05倍。然而，摻加VAE則導(dǎo)致透水混凝土新拌漿體的塑性黏度增加，并且振動(dòng)后的膜厚也出現(xiàn)相應(yīng)的增加。可以發(fā)現(xiàn)，新拌漿體的膜厚與相應(yīng)的黏度擁有很好的正相關(guān)性。聚合物可以與水泥水化產(chǎn)物之間交錯(cuò)穿插形成三維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了新拌漿體之間的粘聚力，同時(shí)因增加了塑性黏度導(dǎo)致在粗骨料表面包裹的漿體膜厚增加。

表4 透水混凝土新拌漿體在不同聚合物下的物理性能表

2.2 聚合物對(duì)硬化后漿體力學(xué)性能的影響

如圖2所示為三種不同聚合物在0、3%、6%摻量下對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的影響柱形圖。可以發(fā)現(xiàn)，在聚合物摻量≤6%的情況下，隨著聚合物乳液在透水混凝土漿體中摻量的不斷增加，漿體硬化后的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和拉伸粘結(jié)強(qiáng)度均隨著聚合物乳液摻量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。SAE摻量為3%時(shí)，漿體的28 d抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及拉伸粘結(jié)強(qiáng)度相比于對(duì)照組C分別提高了11.8%、10.2%和206.1%。VAE摻量為3%時(shí)，漿體的28 d抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及拉伸粘結(jié)強(qiáng)度相比于對(duì)照組C分別提高了12.5%、13.8%和530.7%。ER摻量為3%時(shí)，漿體的28 d抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及拉伸粘結(jié)強(qiáng)度相比于對(duì)照組C分別提高了6.9%、4.8%和250.1%。隨著三種聚合物乳液摻量的繼續(xù)增加，透水混凝土漿體的力學(xué)性能和拉伸粘結(jié)強(qiáng)度開始出現(xiàn)降低。

適量聚合物乳液的摻入可以提高漿體間的粘結(jié)力，從而使?jié){體的塑性黏度、漿體膜層厚度、拉伸粘結(jié)強(qiáng)度和力學(xué)性能均得到提高。此外，聚合物乳液與水泥水化產(chǎn)物形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可抑制裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，增強(qiáng)漿體的抗壓強(qiáng)度。然而，聚合物乳液摻量過大時(shí)，一方面使?jié){體內(nèi)產(chǎn)生大量氣泡，其內(nèi)部缺陷增多，孔隙率增大，漿體硬化后密實(shí)度較小，力學(xué)性能降低；另一方面，聚合物乳液摻量越大，水泥顆粒周邊吸附的乳液成分增多，會(huì)隔絕水泥與水的接觸，降低水泥水化放熱速率，水化過程緩慢，水化產(chǎn)物減少，二者共同作用使?jié){體內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷增多，力學(xué)性能降低[12]。水泥的水化過程會(huì)隨著時(shí)間的延續(xù)持續(xù)發(fā)生，以提供更多的水化產(chǎn)物來提高水泥制品的力學(xué)性能。然而，過多的聚合物乳液，在漿體硬化后也發(fā)生失水成膜覆蓋在水泥顆粒的表面，過多的聚合物薄膜嚴(yán)重影響了未水化水泥顆粒的后期水化進(jìn)程，進(jìn)而影響硬化漿體的力學(xué)性能[14]。因此，三種聚合物摻入透水混凝土漿體中的最佳摻量均為3%。然而，使用裹漿法制備透水混凝土?xí)r，必須保證漿體具備一定的流動(dòng)性，使?jié){體與粗集料良好地粘結(jié)在一起，提高透水混凝土的力學(xué)性能。通過對(duì)比流動(dòng)性可以發(fā)現(xiàn)，SAE-3%>VAE-3%>ER-3%，因此不建議使用ER用于制備透水混凝土。

2.3 聚合物對(duì)透水混凝土力學(xué)性能和透水性能的影響

選取SAE-3%和VAE-3%并摻加骨料后制備透水混凝土。如表5所示為SAE-3%和VAE-3%對(duì)透水混凝土孔隙率、透水系數(shù)和力學(xué)性能的影響。可以發(fā)現(xiàn)，SAE-3%和VAE-3%降低了孔隙率和透水系數(shù)，并且孔隙率和透水系數(shù)呈現(xiàn)出良好的正相關(guān)性。此外，SAE-3%和VAE-3%提高了透水混凝土各個(gè)齡期的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。當(dāng)在透水混凝土中摻入3%的SAE時(shí)，其28 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度相比于對(duì)照組C分別提高了17.1%和15.1%，透水系數(shù)和孔隙率僅分別下降2.9%和2.6%；當(dāng)在透水混凝土中摻入3%的VAE時(shí)，其28 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度相比于對(duì)照組C分別提高了11.8%和12.7%，透水系數(shù)和孔隙率僅分別下降5.1%和4.5%。適量的SAE和VAE可以有效改善透水混凝土的性能，這主要取決于聚合物在水泥水化反應(yīng)的過程中，聚合物顆粒之間分布的水分被逐漸轉(zhuǎn)化成水泥水化反應(yīng)中生成的化學(xué)結(jié)合水，最終導(dǎo)致聚合物顆粒凝聚在一起形成連續(xù)的聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在漿體與粗集料之間形成鏈橋，使聚合物改性漿體具有較高的內(nèi)聚力和變形能力，從而有效抑制了微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，并有效改善透水混凝土的性能。

表5 透水混凝土的孔隙率、透水系數(shù)和力學(xué)性能表

(a)

3 結(jié)語

(1)VAE摻加到透水混凝土中均可提高新拌漿體的塑性黏度和硬化后漿體的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度；相反，SAE和ER的引入使新拌漿體的塑性黏度降低，而硬化后漿體的拉伸黏度提高。此外，SAE和VAE對(duì)于新拌漿體的流動(dòng)性影響甚微，而ER顯著降低了新拌漿體的流動(dòng)度。

(2)三種聚合物的引入對(duì)透水性混凝土新拌漿體的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和拉伸粘結(jié)強(qiáng)度均呈現(xiàn)出有益的效果，并在聚合物摻量為3%的情況下，其力學(xué)性能達(dá)到最大；然而，當(dāng)聚合物摻量超過6%時(shí)，抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和拉伸粘結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；此外，透水混凝土新拌漿體中引入SAE相比于VAE和ER具有更優(yōu)異的力學(xué)性能。

(3)引入3%的SAE和VAE均可以提高透水性混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度；盡管引入的SAE和VAE降低了透水混凝土的透水系數(shù)，但影響并不顯著。