聚合物改性水泥混凝土路用性能研究

张 博

（中交远洲交通科技集团有限公司山西分公司，山西 太原 030006）

0 引言

普通水泥的干缩变形较大，黏结强度较低，抗裂性、抗冻性以及抗渗性等性能均不够理想，因此其使用范围受到了极大限制[1]。将其应用于水泥混凝土路面，容易产生板体开裂、板底脱空等现象，进而导致水毁。同时由于黏结强度低，施工和易性差，进而导致路面结构不密实，不能形成有效的防水层。因此，目前对于不同改性水泥的研究较多，其主要研究是采用不同类型的聚合物组分对水泥颗粒进行改性，借以弥补原材料的部分缺陷，增加其内聚力、抗拉强度和变形能力，同时增加了其黏附性，进而提高了水泥和集料间的黏结[2]。另外，因为聚合物的存在填充了水泥混凝土结构中原本的些许微裂缝，增加了密实程度，提高了水泥混凝土材料的抗腐蚀能力以及抗渗性等性能。

目前的聚合物改性水泥基本上分为三类：聚合物乳液、液体聚合物、可再分散性聚合物和水溶聚合物。本研究采用的改性剂为乳液类聚合物改性剂，其改性机理如下：

聚合物改性水泥混凝土中，骨料被黏结在水泥水化和乳液颗粒聚集形成的完整互相交联的网状结构中，形成复合体。乳液中离散的胶乳微粒随着聚合胶液体系中水分的不断减少而不断相互靠近，并且微粒被限制在毛细管的孔壁内，形成一种连续的胶膜，将水泥水化形成的凝胶和未水化的水泥颗粒进行包裹，同时，胶乳与砂和石砾表面通过化学作用结合，且停滞在裂缝和空隙中，在结构内部产生很大的黏结力。胶乳在裂缝中，阻挡了水、氧气、二氧化碳和氯化物渗透进入混凝土结构，减少结构内部的化学腐蚀。同时，胶乳通过缓解内部微应力，延缓了裂缝的形成和扩张，进一步增强混凝土整体强度[3]。

同时聚合物还具有减水作用，对水泥浆体的流动性进行一定程度的改善，同时乳液的表面活性物质也增加了混凝土的流动性和施工和易性等性能。

1 试验内容

1.1 试验原材料及性能

本试验中，水泥选用普通硅酸盐水泥，型号为P·O42.5R，其各项技术参数完全符合《通用硅酸盐水泥》（GB175—2007）规范规定；粗集料选用具有级配的花岗岩碎石，其最大粒径为31.5 mm，表观密度为3.026 g/cm3；细集料采用河砂，粒径小于5 mm，细度模数2.74，属于中砂，表观密度1.692 g/cm3；试验所用聚合物为浙江安邦新材料发展有限公司生产的水性环氧树脂乳液（固含量是50%），相应的固化剂也产自浙江安邦新材料发展有限公司；消泡剂选用广州市中万新材料有限公司制备的混凝土专用消泡剂；减水剂则为山东高强建材有限公司生产的聚羧酸高效减水剂；试验所用水为自来水。

1.2 试验试件制备方法

分别按照同掺法和后掺法制备聚合物改性水泥混凝土试件[4]，进行试验并对比其改性效果，基于两者改性效果，本研究最终选择后掺法制备试件，具体制备步骤如下：

a）将水泥、粗集料及细集料三者放入混凝土搅拌机内搅拌均匀。

b）计算并称量试验所需含水性环氧树脂的乳液（聚合物）、消泡剂及固化剂，然后混合并拌合均匀。

c）先将水泥、集料等的拌合表面润湿，然后加入含水性环氧树脂等成分的溶液进行拌合，成型试验所需试件[5]。

1.3 配合比设计

试验过程中，聚合物改性水泥混凝土配合比的设计步骤如下：

a）计算初步配置强度、水灰比、砂率、单位水泥用量、单位用水量、砂和碎石用量以及所需聚合物用量等相关参数，计算初步配合比[6]。

b）按照确定的初步配合比对原材料进行试验验证其相关性能，然后称量、试拌，进行坍落度试验，观察黏聚性、保水性、和易性等相关性能，调整用水量和砂率等参数，其中以坍落度为15±3 cm作为确定混凝土拌合所需的用水量及减水剂用量的控制标准[7]，确定试验的最终配合比。本试验所确定的配合比如表1所示。

表1 聚合物改性水泥混凝土配合比参数表 kg/m3

以强度等级为C40的普通混凝土为基准，在此基础上制作了5组含不同掺量聚合物的聚合物改性水泥混凝土试件，其水性环氧树脂乳液聚合物的含量分别为水泥用量的0%、5%、10%、15%和20%，消泡剂用量则为聚合物掺量的1.0%，在配制各试件时保持水灰比不变。

1.4 试验方法

为了分析聚合物改性水泥混凝土的力学性能和路用性能，本文设计了不同的试验内容并制作了各试验所需相应类型的试件，如表2所示。试件的制作与取样过程完全按照《水泥混凝土试件制作与硬化水泥混凝土现场取样方法》（T 0551—2005）中国家规范的规定进行[8]。

表2 聚合物改性水泥混凝土性能试验内容

各指标测试均按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30—2005）规定进行，而抗滑性能测试过程完全按照沥青路面的抗滑性能测试过程进行。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度与抗弯拉强度

聚合物改性水泥混凝土和普通水泥混凝土试件抗压和抗弯拉强度的测试结果如表3、图1所示。

表3 抗压与抗弯拉强度测试结果

图1 抗压强度与抗弯拉强度测试结果

从表3和图1的测试结果可以看出，相比于未添加聚合物成分的普通水泥混凝土而言，经聚合物成分改性剂改性后的水泥混凝土抗压强度会有较小幅度下降，而抗弯拉强度有较大程度增加；但是由于水泥混凝土路面在实际使用中力学性能主要由抗弯拉强度提供，因此抗压强度略微下降并不会导致水泥混凝土路面使用性能下降。同时在试验过程中发现，随龄期增加，普通水泥混凝土和聚合物改性水泥混凝土的抗压强度及抗弯拉强度都呈增加趋势，而聚合物改性水泥混凝土强度随龄期增长的幅度更大。

2.2 抗冲击和抗弯疲劳性能

对聚合物改性水泥混凝土和普通水泥混凝土的动力性能进行测试，其抗冲击性能和抗弯疲劳性能测试结果见表4、图2。

表4 抗冲击与抗弯拉疲劳性能测试结果

图2 抗冲击与抗弯拉疲劳性能测试结果

从表4和图2可以得到：对抗冲击性能而言，聚合物改性水泥混凝土试件不论是出现裂缝还是发生断裂的作用次数都较普通水泥混凝土试件多，且出现裂缝和发生断裂的作用次数都随着聚合物含量增加而增加，说明添加聚合物后，水泥混凝土试件抗冲击性能有显著提升。对抗弯疲劳性能而言，应力水平为0.7和0.8时聚合物改性水泥混凝土的疲劳寿命均有大幅提升，且疲劳寿命随聚合物含量增大而增加，但是应力水平为0.7时疲劳寿命增长幅度没有0.8时大。说明在添加聚合物之后，水泥混凝土路面的抗冲击性能和抗弯疲劳性能有很大提升，且在路面使用周期内能发挥较好作用。

2.3 抗渗、抗冻性和干缩性能

经测试发现随聚合物含量增加，抗渗性以及干缩性能都有一定程度提高，测试结果如表5及图3、图4和图5所示。

表5 抗渗性、抗冻性和干缩特性测试结果

图3 干缩特性测试结果

图4 抗渗性能测试结果

图5 抗冻性能测试结果

根据表5及图3、图4、图5的测试结果，可以得到，对干燥收缩特性来说，7 d、28 d、90 d的收缩率均随聚合物含量增加先减小后增大，但收缩率都比普通混凝土低。由于不同龄期的最小收缩率所对应的聚合物含量不同，因此可得到一个最佳聚合物含量范围，为10%～15%；对于抗冻性来说，加入聚合物改性剂后，水泥混凝土的抗冻性能有了较大提升，且随聚合物含量增加抗冻性提升越明显；对于抗渗性来说，随着聚合物含量增加，抗渗高度逐渐减小，说明抗渗性随聚合物增加而逐渐增强。试验结果表明，在普通水泥混凝土材料中加入聚合物成分改性剂后，水泥混凝土的干燥收缩性能、抗冻性能和抗渗性能均会有较大程度提升。

2.4 抗滑性能和耐磨性能

针对实验组和对照组，即掺加不同聚合物含量的聚合物改性水泥混凝土和普通水泥混凝土试件测试其抗滑性能和耐磨性能，以期建立掺量与性能指标的关系，测试结果如表6、图6和图7所示。

表6 抗滑性能和耐磨性能测试结果

图6 抗滑性能测试结果

图7 耐磨性能测试结果

从表6及图6、图7可以看出，随聚合物改性水泥中聚合物掺量增加，路面的构造深度和BPN值均逐渐增大，而单位面积磨损量逐渐减小，这说明聚合物改性水泥混凝土路面的抗滑性和耐磨性较普通水泥混凝土路面均有所改善，而且随聚合物含量增加，抗滑性能和耐磨性能改善效果越显著。其中，抗滑性能改善的程度有限，但耐磨性提升效果极其显著。

3 结语

本文通过室内试验的方法研究了聚合物改性水泥混凝土的抗压强度和抗弯拉强度、抗冲击性能和抗弯疲劳性能、抗渗性、抗冻性和干缩特性以及耐磨性能和抗滑性能，并且将不同聚合物掺量的这些性能测试值与普通水泥混凝土进行比较，主要结论如下：

a）聚合物改性水泥混凝土的抗压强度随聚合物含量增加呈现先减小后增大的趋势，抗压和抗弯拉强度值均随着聚合物掺量的增加而增加，其中抗弯拉强度较普通水泥混凝土大，而抗压强度在聚合物含量较小时有略微损失。

b）经过掺加聚合物后，水泥混凝土的抗冲击性能和抗弯疲劳性能均有所提升，并且随着聚合物含量的增加，抗冲击性能和抗弯疲劳性能增长幅度增大。

c）聚合物可有效改善水泥混凝土的抗渗性、抗冻性和干燥收缩特性。其中，干燥收缩率随着聚合物含量增加呈现先减小后增大的趋势，从而确定一个最佳聚合物掺量范围，即10%～15%；而对抗渗性和抗冻性而言，随聚合物掺量增加性能逐步提高。

d）与普通水泥混凝土路面相比，聚合物改性水泥混凝土路面的耐磨性能和抗滑性能均有所改善。并且改善程度随聚合物掺量增加而愈加显著。其中，抗滑性能改善作用有限，但是对耐磨性能的改善有明显的效果。