聚合物改性水泥基路面材料的研究概况

2014-04-15陆科奇郝文斌周明凯

建材世界 2014年1期

陆科奇，郝文斌，陈潇，周明凯

（1.中交三公局第一公路工程有限公司，北京 100012；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070）

我国地形复杂，半数以上的国土为山区和丘陵。近年来，随着我国交通建设的迅猛发展，在一些山区丘陵地区的高速公路建设规模越来越大，数量也越来越多，公路隧道建设呈现出规模空前的热潮。与一般公路路段相比，隧道的内部环境具有特殊性［1］：隧道内通风条件较差、CO2和SO2等酸性气体含量高、气候潮湿、温度变化幅度小。这些特殊的使用环境对高等级公路隧道路面材料提出了更高的要求。

目前，公路隧道路面主要有沥青混凝土及水泥混凝土两种材料型式，但普通沥青混凝土隧道路面存在以下问题：阻燃性差；路面耐久性差，高温易形成车辙，低温易产生开裂；施工时，沥青加热后气味非常刺鼻，施工环境恶劣。因此，国内外隧道路面通常都采用水泥混凝土路面型式。水泥混凝土路面相对而言不易发生结构性破坏，施工简单，阻燃作用好，耐久性也相对较好。但其也存在脆性大、弯曲韧性差、抗拉强度低、抗渗性差、动载冲击与疲劳性能差、易开裂等缺点，导致了普通水泥混凝土隧道路面病害严重、使用功能低、抗滑构造及使用寿命衰减迅速等，限制了水泥混凝土在公路隧道路面中的应用。在这一大背景下，高分子聚合物等有机材料对水泥混凝土等无机材料的增强改性已逐渐成为当今研究的热点问题。聚合物改性水泥基材料因其在变形能力、弯拉强度、粘结性能、动载力学性能、防水性能、耐久性等方面的卓越性能被广泛应用在公路隧道路面、桥梁铺装层等各种领域。

1 聚合物改性水泥基材料研究现状

1.1 聚合物改性水泥基材料的组成与性能

国外对聚合物改性水泥基材料的研究起步较早，20世纪20年代就已经开始了相关研究，Creson［2－3］于1923年第一个获得这方面的英国专利，这个专利是关于用作铺路材料的水泥填充天然橡胶胶乳。1932年，英国的Bond［4］申请了用合成橡胶胶乳改性水泥基材料的专利；1939年美国的Rodwell［5］提出了用合成树脂乳液生产聚合物改性水泥基材料的专利。

在聚合物对水泥基材料的性能影响方面，国外学者做了很多相关的研究工作，Allan［6］研究了聚合物乳液改性水泥胶浆的流变性，研究表明聚合物改性水泥胶浆表现出明显的摇溶性与剪切变稀的流变行为；德国的Grosskurch［7］采用SAE乳液改性水泥混凝土，并对其长期强度性能进行了研究，研究结果表明，不同聚灰比的水泥混凝土的抗压强度均低于不掺聚合物的空白样，并且聚合物改性水泥混凝土抗压强度降低趋势随着聚灰比的增大而变得缓慢；日本的Ohama［8］对多种不同聚合物改性水泥基材料进行了系统深入研究，提出了用于计算聚合物乳液改性砂浆和混凝土强度的数学公式，对于聚合物乳液改性水泥砂浆有

对于聚合物乳液改性水泥混凝土有

式中：!m、!c分别为改性水泥砂浆与改性水泥混凝土的抗压强度。

其中，Va、Vw、Vc、Vp分别为单位体积改性砂浆和混凝土中空气、水、水泥及聚合物的体积；A、B、C和a、b为经验常数。

国内对人工合成聚合物改性水泥基材料的研究主要开始于20世纪80年代，目前已取得了一些初步成果。王培铭［9］对掺加不同掺量聚乙酸乙烯酯（PVAC）的聚合物改性水泥混凝土的抗拉强度进行了研究，结果表明，PVAC聚合物改性水泥混凝土的抗拉强度比普通混凝土有较大程度的提高，聚合物的最佳掺量在10%左右；钟世云［10］采用不同聚合物乳液进行共混，研究了不同聚合物组成对聚合物改性砂浆性能的影响，研究结果表明，聚合物改性砂浆的抗压强度随聚合物薄膜的拉伸强度增大而明显提高，而聚合物改性砂浆的抗折强度则没有随聚合物薄膜的拉伸强度增大而出现显著提高。梁乃兴［11］对聚合物改性水泥混凝土的路用性能进行了系统研究，提出了适用于路面的塑性聚合物改性水泥混凝土配合比。

1.2 微观结构与改性机理研究

国内外学者就聚合物改性水泥基材料的微观结构也进行了相关研究，Su［12］利用扫描电镜和电子能谱仪研究了聚合物改性水泥胶浆与骨料界面的微观结构，研究结果发现聚合物颗粒在搅拌初期被吸附在水泥颗粒表面的数量与聚合物乳液的种类和掺量有关，水灰比也可能会影响到聚合物颗粒在水泥颗粒表面的吸附，进而影响到聚合物的脱水成膜过程。王茹［13］用X射线衍射及环境扫描电镜等微观测试方法分析了丁苯聚合物乳液与丁苯乳胶粉对72h内水泥水化产物的影响，结果表明，丁苯乳液和乳胶粉在水泥水化早期促进了水泥浆体中AFt的生成，减少了Ca（OH）2的生成，并增加了AFt在水泥浆体基体中的稳定性。

对于聚合物对水泥基材料的改性机理，国内外比较一致的看法是：在混合料搅拌均匀后，聚合物颗粒会较均匀地分散在基体内部，随着水泥的水化，体系中的水份不断被水泥水化所结合，乳液中的聚合物颗粒会相互连接融合在一起，随着基体内部水分的不断减少，聚合物在水泥基材料内部逐渐形成连续的网络结构。目前比较具有权威性的聚合物结构形成模型有Ohama模型与Konietzko模型。两大模型按照水泥水化历程将聚合物结构的形成过程分为几个不同阶段进行解释，两者的区别在于，Ohama［14］模型认为聚合物失水后形成的是空间网络结构，而硬化后的水泥浆体包裹在聚合物空间网络结构中间，互不连接；而Konietzko模型认为聚合物与水泥浆体均形成空间连续网络结构［15］。

2 聚合物改性水泥基材料的应用现状

目前在国外，聚合物改性水泥基材料因其在变形能力、弯拉强度、粘结性能、动载力学性能、防水性能、耐久性、耐化学介质侵蚀等方面的卓越性能被广泛应用在公路隧道路面、桥梁铺装层、水库大坝、港口码头等领域。

美国将聚合物用于路桥工程已非常普遍。ACI协会订立了有关聚合物在路桥修补工程中的技术规范ACI 548.5R［16］，其中对于修补路面、桥面的聚合物改性水泥砂浆及混凝土的相关性能指标做出了具体规定。另外，美国很早就将聚合物改性水泥砂浆及混凝土用于新桥的铺装层，相关资料显示，截止到2000年，美国共有超过8 000座桥梁总计120多万平方米的桥面采用聚合物改性水泥基材料进行铺装或罩面改造，由于其较低的渗透性与较高的粘结强度，聚合物改性水泥混凝土在美国已成为桥面板的标准防护系统［17，18］。

其它发达国家如英国、德国和日本也纷纷开展了此方面的应用，其中用于公路工程构造物修补和防水的相关应用较多，且使用非常普遍。20世纪80年代，日本开始大规模利用聚合物改性水泥砂浆修补破损的路面及桥面，目前该技术已应用得相当普及，并订立了相关的聚合物改性砂浆质量标准（JIS A6203），如表1所示。

表1 日本聚合物改性水泥砂浆相关质量标准（JIS A6203）［19］

德国交通部筑路局也制定了用于桥梁的聚合物改性水泥混凝土技术及检验规范（TP BE－PCC），如表2所示，对用于桥梁的聚合物改性砂浆及混凝土的力学性能做出了具体要求。

表2 德国对用于桥梁的聚合物改性水泥混凝土的规范要求（TP BE－PCC）［20］

前苏联利用聚合物改性水泥混凝土以提高其路用性能也有较长历史，这主要与前苏联有很多水泥混凝土道路冬季受到严重的冻融破坏有关，而喷撒除冰盐更加重了这种耐久性问题，其中用于水泥混凝土改性的聚合物以丁苯乳液居多，这主要是由于丁苯乳液价格较为便宜且产量大［21，22］。

在国内，长安大学申爱琴［23］等利用塑性聚合物改性水泥混凝土做路面材料，并在广东惠州进行了试验路的铺筑，使用效果良好。重庆交通大学易志坚［24］等利用聚合物改性多孔水泥混凝土作为道路表面罩面层，研究结果表明其具有抗滑、降噪等表面功能性，显著提高了传统水泥混凝土路面的使用功能，该成果在重庆市政建设及湖北沪蓉西高速公路得到了应用。

3 纤维增强聚合物改性水泥基材料的研究现状

纤维增强聚合物改性水泥基材料是近年来发展起来的一种新型建筑材料，其中纤维主要采用钢纤维与有机纤维两大类。由于纤维的加入，在纤维增强水泥基材料内部，尤其是纤维与水泥石之间的界面过渡区（ITZ）会存在大量孔隙，导致水泥水化物、纤维和骨料界面粘结不够充分，从而严重影响了水泥基材料的耐久性，降低了纤维的增强作用［25，26］，有学者提出利用聚合物对纤维水泥基材料进行改性，由于聚合物极强的粘结性能，能够显著增强纤维与水泥石之间的粘结性能，并且可有效填充基体内部的孔隙，从而显著提高水泥基材料的耐久性［27，28］。

湖北省交通厅与武汉理工大学共同开发了钢纤维增强聚合物混凝土快速修补桥面板技术，该技术显著改善了薄层桥面铺装层的使用性能，具有较大的理论意义及独创性［29］。分析得出钢纤维增强聚合物混凝土比钢纤维水泥混凝土有更优良的抗拉、抗折、抗疲劳强度及抗冲击韧性，并以具体工程为实例，详细介绍了钢纤维增强聚合物混凝土的工程应用及其试验使用情况［28－30］。罗立峰［31］等人研究了钢纤维增强聚合物水泥混凝土桥面铺装层材料（SFRPC）的组成设计与路用性能，研究结果表明SFRPC克服了钢纤维混凝土与聚合物改性混凝土的缺点，吸收了两者的优点，形成包括高强度、高延展性、高抗冲击能力、优良的裂缝控制、高耐久性和低渗透性等优良性能，并且施工相对容易。梅迎军［27，28］等人研究了体积掺量为0～0.3%的聚丙烯纤维，质量掺量为0～12%的丁苯聚合物乳液在单掺、复掺情况下对不同龄期的水泥砂浆力学性能、耐磨损、抗冲击性能等的影响，研究结果表明，聚丙烯纤维的掺入大幅度提高了丁苯乳液改性水泥砂浆的耐磨损和抗冲击性能，其中提高耐磨损性能的最佳纤维体积掺量为0.1%，纤维掺量越大，对提高改性水泥砂浆的抗冲击性能越有利。李国忠［30］等人研究了聚丙烯纤维和聚合物乳液对水泥砂浆抗徐变性能和抗冲击性能的影响，结果表明，掺加适量的聚丙烯纤维和聚合物乳液，可以有效提高水泥砂浆的抗徐变性能和抗冲击性能。

4 问题与展望

由此可见，聚合物改性水泥基材料在公路工程中的研究与应用已得到了相关部门的广泛关注，并逐渐得以推广应用。聚合物改性水泥基材料的优点在早期一些文献里都作过详细的介绍。但其缺点也是明显的，第一个是性价比问题，昂贵的聚合物价格使建筑商望而却步；第二个缺点就是聚合物不耐高温，使很多场合不适宜使用该材料；第三就是有些聚合物具有异味或毒性。在未来的应用中首先就是要从克服这些缺点出发进行研究。具体的讲，以下一些课题有待人们去解决：

1）国家将会针对各类聚合物的使用，出台相应的法规和标准，技术术语将会规范化。

2）对各类聚合物进行系统的研究，针对不同的应用场合，选用性价比更加合理的聚合物体系。

3）作为一种复合材料，其最大的特点是其性能的可设计性。聚合物改性水泥基材料当然不能例外，因此依据聚合物本身的性能和水泥的性能，根据使用现场对材料性能的要求，选用恰当的聚合物、设计合理的聚灰比也将是聚合物改性水泥基材料研究的一个方向，即建立恰当的理论模型，直接设计复合材料的性能，以适应不同的场合，实现优化设计。

4）由于无皂乳液具有不含乳化剂或少含乳化剂、乳液稳定、使用不受环境影响的特点，因而进一步研究、开发无皂乳液作为改性剂，也将成为人们关注的焦点。

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