新型聚合物改性水泥混凝土路用性能研究

王在杭，陈潇，王稷良

（1.云南云岭高速公路建设集团有限公司，云南昆明 650224；2.武汉理工大学，湖北武汉 430070；3.交通运输部公路科学研究院，北京 100088）

新型聚合物改性水泥混凝土路用性能研究

王在杭1，陈潇2，王稷良3

（1.云南云岭高速公路建设集团有限公司，云南昆明 650224；2.武汉理工大学，湖北武汉 430070；3.交通运输部公路科学研究院，北京 100088）

针对常见路面功能层的病害，结合水泥混凝土及沥青混凝土的优缺点，制备了一种新型骨架密实型聚合物改性水泥混凝土功能层材料。该路面功能层材料在变形能力、弯拉强度、粘结性能、动载力学性能、耐久性、耐化学介质侵蚀等方面性能优异，能有效解决水泥混凝土路面平整度差、耐磨性差、抗冲击性能差等问题，可广泛应用于桥面铺装、隧道路面、公路路面等工程领域。

聚合物改性水泥混凝土；功能层材料；骨架密实型；路用性能

0　前言

目前，我国高速公路路面材料主要有沥青混凝土及水泥混凝土2种，其中沥青混凝土路面所占比例在90%以上，沥青混凝土路面具有平整度高、行车舒适性好、养护维修简便等优点，但也存在耐久性差、施工环境恶劣、阻燃性差、受资源条件约束严重等问题。水泥混凝土路面具有使用寿命长、养护工作量小、能源消耗少、施工简便、对交通等级和环境适应性强等优点[1]。但普通水泥混凝土路面脆性大、行车舒适性差、抗冲击及抗疲劳能力弱、容易脆断、耐磨耗磨光性能差、易过早出现表面结构破坏，这些问题导致普通水泥混凝土路面存在病害严重、使用功能低、抗滑构造及使用寿命衰减迅速等缺陷，从而限制了水泥混凝土路面的推广应用[2]。如何使路面兼具水泥混凝土和沥青混凝土路面的优势，而屏蔽掉二者的局限性成为研究重点。在此基础上，聚合物改性水泥混凝土（简称PCC）复合路面应运而生，PCC路面材料兼具了沥青混凝土与水泥混凝土的优点，具有高韧性、抗冲击、抗裂、耐磨损、抗滑等性能优势[3-4]。PCC复合路面是针对普通水泥混凝土路面的诸多缺陷，在结合路面设计理论与混凝土材料改性研究的基础上，充分利用PCC与普通水泥混凝土的不同特点而修筑的一种新型复合式路面结构形式，即使用普通混凝土或碾压混凝土铺筑复合式路面的下面层，上面层则选用PCC。此新型路面形式可以利用PCC优良的力学性能、耐久性与表面功能性，在路面结构设计合理的情况下大幅提高路面的使用寿命，并提高其高速行车的安全性与舒适性；同时又可以解决由于修筑全厚式PCC路面而带来的造价大幅提高的问题。

1　PCC表面功能层材料设计理念

1.1悬浮密实型塑性PCC

塑性PCC是采用聚合物对普通塑性水泥混凝土进行改性，相比普通水泥混凝土，塑性PCC具有比较明显的路用性能优势，随着聚合物掺量的增加，混凝土逐渐向柔韧性材料转化。塑性PCC内部材料组成结构模型如图1所示，集料颗粒基本悬浮于浆体体系中，混凝土材料内部结构处于悬浮密实型状态。

图1　塑性PCC内部组成结构模型

这种悬浮密实型的塑性PCC的性能主要依靠聚合物改性水泥胶浆自身性能以及胶浆与集料之间的粘结能力，其材料内部结构模型在很大程度上弱化了集料自身高强度、高耐久的性能优势，在经济性能及使用性能方面都不理想。在施工方面，由于聚合物具有很强的表面活性，塑性PCC利用常规的振捣方式时，其施工性能并不好，聚合物引入的气泡难以消除，且混凝土不易振捣密实，这在很大程度上影响了聚合物的改性效果以及PCC的路用性能。

1.2多孔型PCC

多孔型PCC的内部结构为“骨架空隙型”状态（见图2），该结构主要依靠粗骨料之间的堆积嵌锁以及聚合物改性水泥胶浆的接触粘结作用，由于粗骨料之间的接触面积较小，粗骨料彼此之间仅仅是依靠“骨架节点”作用来进行强度支撑，无法得到有效粘结。该结构没有充分发挥聚合物水泥胶浆优异的粘结性能，从而导致混凝土内部骨料粘结作用差，混凝土抵抗疲劳破坏作用差，将其应用于高等级公路路面中容易在重载作用下导致表面集料飞散、剥离。并且在寒冷地区，由于冻融循环等作用，多孔型PCC由于内部连通空隙大，材料内部结构容易在自由水的冻胀作用下发生体积变形，从而导致混凝土内部出现碎裂破坏，严重影响路面的使用功能及耐久性。

图2　多孔型PCC内部组成结构模型

1.3新型骨架密实型PCC

新型PCC表面功能层材料吸收了“悬浮密实型”结构和“骨架空隙型”结构的优点，有效克服了这2种结构的缺陷，形成了一种“骨架密实型”结构（见图3），其结构特点为：粗集料在内部形成坚固嵌挤的骨架，细集料和聚合物改性水泥胶浆有效填充骨架中的空隙，使PCC既密实、空隙率小，使水不容易透入，又具有较高的承受荷载作用及温度梯度的能力，从而大幅度提高材料的路用性能[5-6]。

图3　新型骨架密实型PCC内部组成结构模型

2　PCC表面功能层材料的原材料与组成设计方法

2.1原材料

水泥：P·O42.5水泥，表观密度3.10 g/cm3，细度1.25%，标准稠度27.4%，安定性合格，主要物理性能见表1。

减水剂：FDN-1萘系高效减水剂（粉剂），减水率大于20%。

聚合物乳液：丁苯乳液，固含量51%，pH值7.8～10.0。

纤维：聚酯纤维，长度12 mm，使用时按体积比掺加。

表1　水泥的主要物理性能

集料：辉绿岩，根据粒径不同分为3种，其中1#集料粒径为0～2.36 mm，2#集料粒径为2.36～4.75 mm，3#集料粒径为4.75～9.5 mm。3种集料的筛分结果见表2。

表2　3种集料的筛分结果

2.2组成设计方法

作为新型道路摊铺材料，PCC应达到以下要求：（1）PCC中的集料应达到最紧密堆积状态，集料之间应相互紧密嵌锁在一起；（2）聚合物改性水泥胶浆能够在外力振动作用下较好地填充在集料形成的孔隙中，使PCC基体内部的孔隙尽可能降到最低，从而达到不仅内部密实、抗渗性能好而且又能较好的抵抗外部荷载的效果[7-8]。根据体积分析方法对表面功能材料PCC进行设计，设计过程中引入浆体充盈系数指数Dp（浆体体积与集料空隙体积的比值），如假设Dp=1.0时，即PCC内部集料之间的空隙完全被聚合物改性水泥胶浆浆体所填满。

根据计算出的理论配合比进行试配并以抗压、抗折强度和压折比为主要评价指标，对理论配比进行验证与调整，最终得到PCC的实际配合比及对比的普通混凝土配比见表3。

表3　PCC与对比的普通混凝土配合比

3　PCC表面功能层材料工作性与成型方式

试验探究了PCC稠度-材料性能-成型方式三者之间的关系，优选出合适的PCC稠度状态。为了找出PCC达到最佳材料性能所对应的稠度状态以及适宜的成型方式，采用改变减水剂掺量方式对PCC稠度进行调整，具体的稠度状态主要分为3种：（1）超干硬性[改进VC值为（20±5）s]，编号为A1，其中A1-1组采用平板振动器成型，A1-2组采用振动压实仪成型；（2）干硬性（外加剂掺量为0.8%，改进VC值为0～5 s），编号为A2；（3）低塑性（外加剂掺量为1.2%，坍落度为30 mm），编号为A3。3种不同稠度状态下密实度随成型时间的变化如图4所示。

图4　不同稠度状态下密实度随成型时间的变化

由图4可见，随着成型时间的延长，混凝土的密实度逐渐提高，接近理论值后趋于稳定。其中，A1-1组采用平板振动器成型的初始密实度最低，为71.2%，随着振动压实成型时间的延长，密实度呈现不同程度的提高，而提高幅度逐渐放缓，至成型时间为60 s后，混凝土的密实度稳定在97.2%；采用功率更高的振动压实仪成型的A1-2组则随着振动压实时间的延长，密实度逐渐提高，约在40 s时密实度达到98.5%，之后曲线趋于稳定，与A1-1组相比，达到密实度变化稳定时间有所缩短。可见在改进VC值为20 s时，采用压实功率更大的振动压实仪比小功率的改制平板振动器更合适。对比采用改制平板振动器成型的2组试样，A1比A2密实度稳定时间要长50 s；A3的成型方式相对A1、A2更为简单，采用振动台振动15 s即可达到较高的密实度状态。因此从成型方式的角度来讲，流动性越好，成型效率越高，但为适合复合式路面施工要求，采用A2工作状态更加合适，施工过程中可较为迅速达到密实状态。也可由此确认PCC适合的外加剂掺量为0.8%。

4　PCC表面功能层材料路用性能

4.1优良的抗折强度和压折比

按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试PCC与普通混凝土力学性能，结果见表4。

表4　PCC与普通混凝土的力学性能

由表4可见，与普通水泥混凝土相比，PCC不同龄期的抗压强度有所下降，但抗折强度均有显著的提高，而压折比也出现了较大程度的下降。与普通混凝土相比，PCC的28 d抗折强度提高了37.5%；28 d压折比降低了53.0%。这说明聚合物乳液的加入使得PCC抵抗弯拉变形的能力显著增强，并且脆性降低而柔性增大。

4.2突出的弯曲韧性

参照日本土木工程师学会（JCI）的JSCE-SF4《钢纤维混凝土弯曲韧度实验方法》测试PCC的荷载-挠度曲线，结果如图5所示。

图5　PCC的荷载-挠度曲线

由图5可见，相比普通水泥混凝土，PCC的抗弯极限强度提高了42.1%，而弯曲韧性提高了205%。表明PCC吸收破坏能、抵抗变形的能力大幅提高，柔韧性相比普通水泥混凝土有了很大程度的提高。

4.3优异的抗冲击性能

参照ACI 544.2R—89《Measurement of Properties of Fiber Reinforced Concrete》中的“落重法”，对掺加少量聚酯纤维的PCC抗冲击性能进行测试。结果显示：PCC的冲击功为35867 N·m，相比普通水泥混凝土（10035 N·m）提高257.4%。

4.4较好的飞散性能

参照JTJ 052—2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中肯塔堡飞散试验方法进行测试。结果表明，PCC的飞散损失率为9.2%，比普通水泥混凝土和沥青混凝土分别降低37.0%、42.5%，符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》小于20%的要求。

4.5优良的耐磨性能

参照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》耐磨性试验方法进行测试。结果表明，PCC的耐磨性能较普通水泥混凝土有很大提升，单位面积磨损量为2.40 kg/m2，比普通水泥混凝土（5.20 kg/m2）减少了53.8%。

4.6良好的抗裂性能（见图6）

由图6可见，PCC不同龄期的干缩率均明显小于普通水泥混凝土，其中60 d的干缩率为336.4×10-6，比普通水泥混凝土降低了20.3%。

图6　PCC与普通混凝土的干缩性能对比

5　结语

（1）结合多孔型PCC和悬浮密实型塑性PCC的结构特点以及性能优缺点，提出了一种新型骨架密实型聚合物复合改性PCC材料，该新型铺装材料有效综合了“骨架空隙型”和“悬浮密实型”2种结构的优点并具有较好的路用性能。

（2）对PCC表面功能材料的工作性及其评价方法进行了研究，通过研究3种稠度状态下的PCC的力学性能，优选出的PCC的工作性为改进VC值0～5 s。

（3）研究了PCC表面功能材料组成与性能之间的关系，与普通水泥混凝土相比，PCC的28 d抗折强度提高37.5%，28 d压折比降低52.9%，冲击功提高257.4%，弯曲韧性提高205%，单位面积磨损量降低53.8%，60 d干缩率降低20.3%。

[1]胡长顺，王秉纲.复合式路面设计原理与施工技术[M].北京：人民交通出版社，1999.

[2]王秉纲，郑木莲.水泥混凝土路面设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3]梁乃兴，曹源文，姚红云.聚合物改性水泥混凝土路用性能研究[J].公路交通科技，2005（3）：21-23.

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[7]钟士云，向克勤.聚合物和粉煤灰掺合料复合改性砂浆的力学性能[J].新型建筑材料，2007（1）：44-46.

[8]赵帅，曹杨，杨国忠.聚丙烯纤维和聚合物对砂浆抗冲击性能的影响[J].化学建材，2007，23（3）：30-32.

Study on road performance of new polymer modified cement concrete

WANG Zaihang1，CHEN Xiao2，WANG Jiliang3
（1.Yunnan Yunling Expressway Construction Group Co.Ltd.，Kunming 650224，China；2.Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；3.Research Institute of Highway Ministry of Transport，Beijing 100088，China）

In view of the common diseases of pavement functional layer，combined with the advantages and disadvantages of cement concrete and asphalt concrete，a new kind of dense framework structure polymer modified cement concrete functional layer material was prepared.The polymer modified cement concrete pavement functional layer material with excellent deformation capacity，bending strength，adhesive properties，dynamic load mechanical properties，durability，resistance to chemical erosion performance，can effectively improve the smoothness，wear resistance，impact resistance of cement concrete pavement，can be widely used in bridge deck pavement，tunnel pavement，highways pavement，etc.

polymer modified cement concrete，functional layer material，dense framework structure，road performance

TU528.41

A

1001-702X（2016）10-0056-04

交通运输部建设科技项目（2011318223420）

2016-02-15；

2016-03-25

王在杭，男，1974年生，云南盈江人，正高级工程师，主要从事工程施工管理工作。