SBR乳液对道路水泥混凝土抗冻性影响研究

刘志平

(山西省公路局长治分局，山西长治 046000)

众所周知，水泥路面和沥青路面相比，水泥路面的一个重要缺点是其抗冻性能不佳，在我国北方地区修筑的水泥路面在低温环境下会出现很多裂缝(主要为横向裂缝)，这些裂缝对路面的使用性能具有极大的不利影响，随着裂缝的增加，路面会出现一系列病害，服务能力下降加剧，最终不能正常满足行车需要［1］。水泥路面的这一劣势极大地限制了其应用范围，为解决水泥路面抗冻性弱的难题，国内外开展了一系列的研究，本文从改善道路水泥混凝土的抗冻性出发，通过试验，研究掺加SBR乳液对道路水泥混凝土抗冻性的影响，验证这一措施是否能够有效提高道路水泥混凝土的抗冻性能。

1 试验设计

聚合物自身的一些性能是改善水泥稳定类材料力学性能的关键，在水泥材料基体中，这些聚合物起到了增塑、增韧、填孔、成膜及固化等作用，决定了复合材料的整体性能。改性剂的掺加方式有两种，即外掺法和内掺法。所谓外掺法是水泥用量不变，另外掺加一定质量的改性剂。而内掺法是在总质量不变的前提下，用一定质量的改性剂替代部分水泥用量［2］。采取内掺法可以减少水泥用量节约资源。本文就采用内掺法，用聚灰比(SBR乳液与水泥质量之比，简写为P/C)来表示改性剂掺量。选取不同的聚灰比(即 P/C=0，0．05，0．1，0．15，0．2)，通过扫描电镜试验从微观上研究SBR乳液掺量对于骨架孔隙结构水泥稳定碎石的影响，并采用冻融试验测试水泥混凝土冻融循环后的质量损失和强度变化，进而评价SBR聚合物乳液对道路水泥混凝土抗冻性能的改善情况。

2 试验结果及分析

2．1 扫描电镜试验结果及分析

扫描电子显微镜(SEM)是目前国内外常用的一种研究方法，利用它可以观察到水泥稳定材料的微观结构，了解聚合物水泥浆体的结构特点，掌握SBR乳液在复合材料中的形态，为研究SBR乳液对材料的改性作用提供了科学依据。分别以P/C=0和P/C=0．20的聚合物改性水泥砂浆为研究对象，利用SEM观察水泥浆体的微观结构，将两种水泥浆体进行比较。SEM扫描标准水泥浆体和聚合物水泥微观结构分别如图1所示。

经过搅拌，SBR聚合物颗粒均匀分布在水泥稳定碎石中。随着水泥的水化，自由水不断地被水泥水化反应所消耗，乳液中的水分减少，其中的聚合物颗粒不断融合联接形成网状体系，这与水泥浆体的形成同时进行［1］。这样水泥浆体与网状体系相互交织，形成了独特的立体三维网络，水泥浆体与网状聚合物体系组成了空间的立体交叉结构，如图2所示。这种有机、无机两相间发生一定程度的关联的结构就是所谓的聚合物水泥体互穿网络结构［3，4］，从微观上看，它的空隙率极低，能够产生增强材料性能的复合效应，使结构具有更优的力学性能。因此，SBR乳液可提高水泥稳定材料的工作性，提高水泥稳定材料的粘结力，进而使水泥稳定材料的抗拉性能和抗裂性能得到大幅提升。

图1 标准水泥浆体SEM图（10 000倍）

图2 聚合物水泥浆体SEM图

2．2 冻融循环试验结果及分析

以上是通过SEM电镜试验从微观角度分析了SBR聚合物对水泥稳定材料改性的原理，下面就通过宏观性能试验的方法来探讨SBR乳液的掺量对水泥稳定碎石材料抗冻性的影响。

以10%水泥用量的普通水泥为基准，再取不同的P/C(0．05，0．1，0．15，0．2)分别成型试件。按照规范［5］规定的方法进行试件养生，龄期为28 d。

2．2．1 质量损失试验

基准混凝土试件和不同P/C的聚合物改性混凝土试件经过相同的冻融过程，测试冻融前后的质量损失，结果如表1所示。

从表1可以看出，5次冻融循环后，各组水泥稳定碎石试件的质量损失均满足规范要求。

2．2．2 BDR 试验

BDR是水泥混凝土试件在冻融前后强度的比值，即BDR=RDC/RC×100，它能够从强度方面直观的评价水泥混凝土试件的抗冻性能。掺加以上各组混凝土试件的BDR测试结果如图3所示。

从图3中可以得出如下结论:

1)混凝土的抗冻性能随着SBR乳液掺量的增大而增大，在试验范围内，混凝土抗冻性与SBR乳液掺量成正比关系;

2)在本文试验范围内，随着SBR乳液掺量的增大，抗冻性能的增速逐渐减小，抗冻系数增长速度逐渐变缓。

SBR对混凝土抗冻性能的影响机理是:一方面，随着自由水被水泥水化所消耗，SBR聚合物颗粒填充了水泥稳定碎石的孔隙，这样可以减少进入孔隙中的水量，减小冻融循环过程中液体的膨胀压力;另一方面，聚合物水泥体互穿网络结构的形成可以大大增强材料的抵抗内部液体膨胀压力的能力，使结构的破坏程度降低。

表1 掺加SBR乳液的试件质量损失测试结果

图3 BDR与P/C的关系

3 结语

1)SEM分析表明，在骨架孔隙结构水泥稳定碎石混合料中掺加SBR乳液和粉煤灰对于改善排水基层的性能具有重要意义。

2)由于SBR乳液本身具有良好的粘结性能，能够与水泥浆体形成性能强大的聚合物水泥体互穿网络结构，使得其水稳材料具有良好的抗冻性能。

3)试验结果表明，掺加SBR乳液可以有效增强水泥混凝土的抗冻性能，增加道路水泥混凝土抵抗冻融循环的能力，能够延长路面使用寿命。

［1］李祝龙，梁乃兴．聚合物水泥混凝土断裂的分形特征［J］．西安公路交通大学学报，2000，20(1):8-9．

［2］王新友，吴科如．聚合物水泥砂浆与混凝土粘结界面的断裂性能研究［J］．混凝土与水泥制品，1995(1):3-5．

［3］玄东兴，水中和，邱怀中，等．酸性聚合物碱化的砂浆性能和机理研究［J］．武汉理工大学学报，2003，25(12):23-25．

［4］万惠文，周绍豪，任 峰．羧基丁苯对含橡胶粒的轻骨料混凝土改性研究［J］．武汉理工大学学报，2008，30(6):33-38．

［5］JTG E51-2009，公路工程无机结合料稳定材料试验规程［S］．