高分子聚合物摻量對(duì)多孔混凝土性能的影響試驗(yàn)研究

黃遠(yuǎn)亮

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

中共中央國(guó)務(wù)院印發(fā)的《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》中明確指出:“到2035年,國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)實(shí)體線網(wǎng)總規(guī)模合計(jì)70萬(wàn)km左右,其中公路46萬(wàn)km左右”,并強(qiáng)調(diào)促進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的“綠色低碳發(fā)展”[1]。隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的跨越式發(fā)展,由粗骨料、水、水泥、外加劑等原材料組成的多孔混凝土,在保證一定力學(xué)性能的情況下憑借其空隙率大、透水性好等特點(diǎn),被應(yīng)用于生態(tài)護(hù)坡等交通工程建設(shè)中。但隨著多孔混凝土應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)大,多孔混凝土韌性不足、抗變形能力差的缺點(diǎn)逐漸突顯。近年來,學(xué)者們利用高分子聚合物作為改性材料,制備改性多孔混凝土,以期在保證多孔混凝土強(qiáng)度、透水等優(yōu)勢(shì)的情況下研究對(duì)其性能的改善:劉燕等[2]通過疲勞測(cè)試,得到PPC-27.5在各種應(yīng)力及應(yīng)變水平下的疲勞壽命,并通過分析發(fā)現(xiàn)多孔混凝土材料的疲勞性能優(yōu)于常用半剛性基層材料;付濤等[3]通過添加有機(jī)高分子聚合物,制備多孔聚合物水泥混凝土并開展力學(xué)性能試驗(yàn),提出了抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律;宋東方等[4]利用聚合物分別改性水泥砂漿和多孔改性混凝土,在測(cè)試強(qiáng)度和韌性的基礎(chǔ)上,為工程應(yīng)用提供參考。

盡管關(guān)于聚合物改性多孔混凝土已有一定研究,但由于我國(guó)交通建設(shè)受到地域、環(huán)境、施工等各方面因素影響,多孔混凝土在應(yīng)用于不同場(chǎng)景時(shí)性能差異大、病害類型廣,作為交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)試點(diǎn)的廣西地區(qū),亟須開發(fā)一種適應(yīng)于廣西建設(shè)需要的多孔混凝土,使其在兼具多孔混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)保證其在應(yīng)用過程中的韌性和抗沖刷性。所以,本文在充分借鑒前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,從多孔混凝土應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā),以高分子聚合物乳液為改性材料,按照水泥質(zhì)量的不同比例摻入多孔混凝土,制備不同高分子聚合物摻入量的聚合物改性多孔混凝土試件,通過開展聚合物改性多孔混凝土力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)和透水性能試驗(yàn),確定最佳聚合物摻量,以期研發(fā)適應(yīng)于廣西交通建設(shè)需求的多孔混凝土,為后續(xù)工程應(yīng)用提供切實(shí)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

在多孔混凝土中加入不同摻量的高分子聚合物,制備高分子改性多孔混凝土試件,其主要原材料包含高分子聚合物乳液、水泥、粗集料、水、外加劑等。高分子聚合物乳液采用自制聚合物乳液,其主要性能見表1;水泥采用廣西某水泥廠生產(chǎn)的P·O普通硅酸鹽水泥,其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥》(GB175—2007)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);粗集料取自廣西河池地區(qū),粒徑范圍為4.75～13.2 mm,具體性能指標(biāo)如表2所示;試驗(yàn)拌和用水為飲用水,單方用量為100 kg/m3范圍內(nèi);外加劑主要為15%的減水劑。

表1 高分子聚合物乳液技術(shù)指標(biāo)表

表2 粗集料性能指標(biāo)表

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試件制作方法

制作多孔混凝土試件時(shí),按照0、2%、4%、6%、8%的水泥質(zhì)量摻入高分子聚合物乳液,水灰比為0.35,水泥用量為380 kg/m3,設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率為15%,試驗(yàn)方案如表3所示。按照?qǐng)D1所示流程拌和混合料,拌和后按規(guī)范條件和測(cè)試試驗(yàn)要求成型試件并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)。

圖1 混合料攪拌流程圖

表3 高分子聚合物改性多孔混凝土試驗(yàn)方案表

1.2.2 測(cè)試方法

力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn):力學(xué)強(qiáng)度主要保證高分子聚合物多孔混凝土在工況下的力學(xué)性能,包括抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。力學(xué)試驗(yàn)試件采用振動(dòng)成型方式成型,抗壓強(qiáng)度試件的受壓面尺寸為150 mm×150 mm,抗折強(qiáng)度試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm;試驗(yàn)時(shí)利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度,以此表征高分子聚合物改性多孔混凝土的力學(xué)性能。

透水能力試驗(yàn):高分子聚合物改性多孔混凝土的透水能力由孔隙率和滲透性綜合反映?？紫堵适欠从扯嗫谆炷撂卣鞯闹匾笜?biāo)參數(shù),其指標(biāo)數(shù)值是多孔混凝土抗沖刷和保證透水能力的基礎(chǔ)?？紫堵实臏y(cè)試需要測(cè)量出試件的體積V,并稱量出試件在浸水狀態(tài)下的質(zhì)量M1和干狀態(tài)時(shí)的質(zhì)量M2,按照式(1)可計(jì)算得到;試件的滲透性通過計(jì)算得到的透水系數(shù)表征,透水系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[5]以式(2)計(jì)算取得透水系數(shù)K,其中在一段時(shí)間T內(nèi)滲出水量為Q,L和F為試件高度和試件受壓面積,H為水位的變化。

(1)

(2)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

測(cè)試高分子聚合物改性多孔混凝土試件抗壓強(qiáng)度,可以明確結(jié)構(gòu)物在服役期間是否會(huì)受壓而導(dǎo)致傷損病害。測(cè)試結(jié)果如圖2所示,高分子聚合物的摻入,不會(huì)致使改性多孔混凝土抗壓強(qiáng)度的降低;隨著高分子聚合物摻量的增加,改性多孔混凝土28 d抗壓強(qiáng)度受到影響,抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)為先升高后降低;當(dāng)高分子聚合物摻量分別為0、2%、4%、6%、8%時(shí),改性多孔混凝土試件的抗壓強(qiáng)度為21.17 MPa、24.72 MPa、24.79 MPa、23.99 MPa、21.21 MPa,增長(zhǎng)幅度分別為16.7%、17.1%、13.3%和0.1%,增長(zhǎng)幅度峰值出現(xiàn)在高分子聚合物摻量為2%～4%附近,隨后隨著摻量的增大時(shí)間抗壓強(qiáng)度逐漸減小?？梢?當(dāng)高分子聚合物摻入量在2%～4%時(shí),改性多孔混凝土的抗壓強(qiáng)度提高最為明顯。

圖2 改性多孔混凝土28 d抗壓強(qiáng)度變化曲線圖

2.2 抗折強(qiáng)度

多孔混凝土的抗折強(qiáng)度直接關(guān)系到其作為加固、承力結(jié)構(gòu)物時(shí)的韌性,是多孔混凝土應(yīng)用于不同場(chǎng)景時(shí)發(fā)生病害的主要原因之一,高分子聚合物改性改性多孔混凝土抗折強(qiáng)度測(cè)試是高分子聚合物能否彌補(bǔ)對(duì)多孔混凝土劣勢(shì)的關(guān)鍵?？拐蹚?qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖3所示,可以看出,隨著高分子聚合物的摻入,改性多孔混凝土抗折強(qiáng)度會(huì)升高;進(jìn)一步地,隨著高分子聚合物摻量從0增加至8%過程中,改性多孔混凝土28 d抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的總體趨勢(shì),在2%和4%摻量時(shí)試件抗折強(qiáng)度分別為5.20 MPa和5.18 MPa,與抗壓強(qiáng)度的峰值位置相似;隨后隨著高分子聚合物摻量的增大,試件抗折強(qiáng)度逐漸降低,所以高分子聚合物摻入量在2%～4%時(shí),改性多孔混凝土的抗折強(qiáng)度最佳。值得一提的是,8%高分子聚合物摻量下抗折強(qiáng)度與0摻量時(shí)相比,試件的抗壓強(qiáng)度分別為3.75 MPa和3.97 MPa,其抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)了6%,說明高分子聚合物的摻入對(duì)多孔混凝土的抗折強(qiáng)度有不同程度的提升。

圖3 改性多孔混凝土28 d抗折強(qiáng)度變化曲線圖

2.3 孔隙率

孔隙率是決定多孔混凝土在多雨環(huán)境下抗沖刷性的指標(biāo)之一,將試件按照測(cè)試方法依次測(cè)試孔隙率,結(jié)果如圖4所示:高分子聚合物摻入量分別為2%、4%、6%、8%時(shí),改性多孔混凝土試件的孔隙率分別為14.95%、14.75%、14.85%、14.79%、14.80%,相較0摻入量,分別降低了1.34%、0.67%、1.07%和1.00%;可以看出,摻入不同摻量的高分子聚合物,改性多孔混凝土實(shí)測(cè)孔隙率均低于0摻量時(shí)的實(shí)測(cè)孔隙率,但其孔隙率數(shù)值徘徊在其附近,說明高分子聚合物乳液的摻入,對(duì)多孔混凝土孔隙率有一定的不利影響,但影響不顯著。

圖4 改性多孔混凝土孔隙率變化曲線圖

2.4 透水系數(shù)

多孔混凝土之所以被應(yīng)用于海綿城市道路路面、邊坡治理等工程中,主要源于其優(yōu)良的透水性。透水系數(shù)作為表征透水性的核心技術(shù)指標(biāo),在摻入高分子聚合物以優(yōu)化多孔混凝土力學(xué)性能的同時(shí)往往需要保證透水系數(shù)滿足要求。通過透水儀測(cè)定與計(jì)算,透水系數(shù)隨高分子聚合物摻量的變化曲線如圖5所示。觀察圖5可知,高分子聚合物改性多孔混凝土試件的透水系數(shù)隨著聚合物摻量的增加而降低,呈現(xiàn)先平穩(wěn)后進(jìn)一步降低的趨勢(shì);在聚合物摻量為0時(shí)透水系數(shù)為1.75 mm/s,隨著聚合物摻量逐步增加,透水系數(shù)降低百分?jǐn)?shù)分別為2.9%、3.5%、6.3%、8.6%;在高分子聚合物摻量為2%～4%之間降低比例相對(duì)平穩(wěn),在摻量為6%以后,降低幅度大幅增加,但整體均保持在10%以內(nèi)?？梢?為保證多孔混凝土的透水性,高分子聚合物乳液的摻入量不宜過大。

圖5 改性多孔混凝土透水系數(shù)變化曲線圖

2.5 機(jī)理分析

深層分析改性多孔混凝土力學(xué)強(qiáng)度和透水性試驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)高分子聚合物乳液的摻入量在2%～4%時(shí),多孔混凝土的力學(xué)強(qiáng)度有一定的改善作用,這是由于高分子聚合物乳液增加了集料和泥漿的粘結(jié)效果,使多孔混凝土力學(xué)強(qiáng)度得到增強(qiáng),但調(diào)節(jié)和優(yōu)化粗骨料表面接觸對(duì)透水率起反作用,設(shè)計(jì)時(shí)不宜摻入過多;起粘結(jié)作用的高分子聚合物乳液的摻入量對(duì)多孔混凝土的孔隙率沒有明顯影響,孔隙率與孔隙的大小和數(shù)量有關(guān),這也證明了其他學(xué)者在多孔混凝土水灰比方面的研究。

3 結(jié)語(yǔ)

為研究高分子聚合物摻量對(duì)多孔混凝土力學(xué)強(qiáng)度和透水性能的影響,本文按照0、2%、4%、6%、8%的水泥質(zhì)量在多孔混凝土中加入高分子聚合物乳液,以15%孔隙率為目標(biāo)孔隙率、0.35為試驗(yàn)水灰比,分別制備改性多孔混凝土試件,將試件按照標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試和透水性測(cè)試,為今后多孔混凝土在廣西多場(chǎng)景的應(yīng)用提供依據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明:

(1)高分子聚合物的摻入對(duì)多孔混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度有不同程度的提升,隨著高分子聚合物摻量的增加,改性多孔混凝土28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),當(dāng)高分子聚合物摻量在2%～4%時(shí),抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度出現(xiàn)峰值,分別為24.79 MPa和5.20 MPa。

(2)高分子聚合物的摻入對(duì)多孔混凝土的透水性不利,但孔隙率變化幅度不大、透水系數(shù)在一定摻入量范圍內(nèi)降低不明顯,隨著高分子聚合物摻量的增加,多孔混凝土的孔隙率降低幅度在1%附近波動(dòng),而當(dāng)高分子聚合物摻量在2%～4%時(shí),透水系數(shù)的降低幅度在10%以內(nèi),因此摻入2%～4%的高分子聚合物為宜。

(3)高分子聚合物乳液增加了集料和泥漿的粘結(jié)效果,使多孔混凝土力學(xué)強(qiáng)度得到增強(qiáng),但調(diào)節(jié)和優(yōu)化粗骨料表面接觸對(duì)透水性起反作用,設(shè)計(jì)時(shí)不宜摻入過多。