聚合物改性混凝土抗压强度及抗氯离子渗透性能的试验研究

2021-08-12崔建生南通市建筑科学研究院有限公司

门窗 2021年2期

陈成崔建生南通市建筑科学研究院有限公司

1 概述

混凝土材料具有制备工艺简单，原材料易得，抗压性能优良等特点，在我国城镇化建设过程中扮演了重要角色，但混凝土属于多孔非匀质材料，其耐久性问题一直是业界研究的重点[1]。从20世纪中叶开始，采用高分子聚合物对混凝土进行改性，将无机材料与有机材料结合使用的解决方案获得了广泛关注，世界各国对聚合物在混凝土中的作用机理也进行了长期研究，目前广泛认可的Ohama模型[2]、Konietzko模型及Puter⁃man模型[3]均系统地阐述了聚合物在混凝土中的改性机理，但三种模型均各自存在不完善之处。国内相关领域研究人员亦进行了大量探索研究，熊剑平等[4]通过试验得出聚合物改性混凝土拌合物在水化过程中聚合物成分先包裹于粗细骨料及水泥颗粒表面，后由于自由水大量减少，聚合物移动至混凝土内部各处孔隙中，并一定程度上填充了这些内部孔隙；在水化过程完成后，聚合物形成的膜状结构于各处孔隙中的聚合物网络相互联结并使混凝土内部相对密实，从而提高了混凝土强度与抗渗透性能。

用于混凝土中的聚合物性状上主要分为三类：聚合物乳液、水性聚合物和反应型聚合物[5]。改性混凝土常用的乳液主要包括苯丙乳液、醋酸乙烯-VAE乳液、水性环氧、苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）和聚丙烯酸酯（PAE）等[6]，聚合物乳液由于具有成膜的特点，在改善混凝土内部孔隙结构上具有不可替代的优势。改性混凝土常用的水性聚合物主要有聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（PAM）、丙烯酸盐等[7]，水性聚合物对混凝土的拌制影响较小，同时对拌合物的保水性有增强作用。改性混凝土常用的反应型聚合物主要有不饱和聚酯树脂及环氧树脂等[8]，反应型聚合物的活性组分在混凝土拌合物中与水泥水化产物发生化学反应，或聚合物中的不同组分间发生化学反应[9]，通过固化、聚合、界面结合等作用改善混凝土的各项性能。

2 试验设计

2.1 试验用原材料

本试验所用水泥为中国联合水泥集团生产的42.5强度等级P.I型硅酸盐水泥，产地为山东；砂为符合GB/T 14684—2011《建设用砂》中II区要求的中砂，细度模数为2.7，含泥量为0.3%；石子为符合GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》要求的公称粒径为5mm～20mm的碎石，满足连续级配要求，针片状物质含量不超过3%，空隙率为37%，含泥量小于0.1%。

改性用聚合物选用上海润碳牌MU-601型水性环氧树脂乳液，该聚合物乳液为不同分子量的双酚A型环氧树脂的水分散液，外观呈乳白色，不含游离表面活性剂，具有良好的耐化学腐蚀性、附着力及耐候性。固化剂为同品牌的CU-600型水性环氧树脂固化剂，外观为淡黄色黏稠液体，水稀释性较好，配比范围较宽，柔韧性较好。由于环氧树脂乳液中含有表面活性剂，表面活性剂接触混凝土时会产生许多气泡，拌合时进入混凝土内部，形成大量孔洞与不密实区，造成混凝土质量不良，故采用消泡剂配合环氧树脂乳液使用。消泡剂采用天德牌DJ-499型水泥自流平消泡剂，其特点是不易破乳或漂油，在水泥砂浆体系中分散性好，消泡较为迅速。

2.2 配合比设计

本试验中的基准混凝土配合比按JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[10]设计，配制强度C40，混凝土水灰比为0.40，砂率为40%。设置五组混凝土试件互为对照：A组试件为基准混凝土试件，B组试件聚灰比为5%，C组试件聚灰比为10%，D组试件聚灰比为15%，E组试件聚灰比为20%。其中聚合物改性混凝土配合比参照基准混凝土，并按聚合物乳液含水量50%考虑其携带的水分；按聚合物乳液使用说明，固化剂与环氧树脂乳液掺比为0.25，消泡剂与环氧树脂掺比为0.01。基准及聚合物改性混凝土配合比详见表1。

表1 基准试件及对比试件配合比

2.3 性能试验

电通量试件制作时采用直径（100±1）mm，高度（50±2）mm的圆柱体试模。电通量试验程序按GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[11]进行。立方体抗压强度试验采用150mm×150mm标准试件，每组三块。抗压强度试验程序按GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[12]中的规定，加荷速度约0.6MPa/s。

3 试验结果

3.1 混凝土抗氯离子渗透性能试验结果

为探索同类试件不同龄期下抗氯离子渗透性能的发展规律，本试验增加一批56d龄期试件进行电通量试验，试验结果如表2所示。

表2 五组试件在28d和56d龄期下电通量试验结果

从电通量试验结果及电通量与聚灰比关系曲线（图1）可以看出，同龄期的混凝土试件电通量随聚灰比增大而减小，且聚灰比较小时，增加聚合物掺量会明显改善试件的抗氯离子渗透性能，相比于未掺聚合物的基准混凝土试件，掺入少量聚合物即可在较大程度上改善混凝土试件的抗氯离子渗透性能。对于龄期较长的试件，其在各掺量上的电通量均低于龄期较短的试件，从图2可以看出，56d龄期的试件所对应的曲线更加平滑，显示聚合物的掺入对试件抗氯离子渗透性能的影响略小于龄期较短的对比试件，这可能是由于混凝土试件内部的水泥颗粒在水化初期尚未形成致密整体，聚合物的絮结填充效应较为明显，而水化后期由于混凝土内部自由水大量减少，混凝土本身密实度增加，此时聚合物形成的膜状结构填充于各处孔隙并呈网络状相互联结使得混凝土内部更为密实，抗渗透性能改善更为显著。

图1 电通量与聚灰比关系曲线

图2 抗压强度与聚灰比及养护龄期的关系

3.2 立方体抗压强度试验结果

混凝土抗压强度试件分为15组，共45块，抗压强度如表3所示。

表3 立方体试件抗压强度试验结果

从混凝土抗压强度与聚会比及养护龄期的关系（图2）可以看出，相同龄期的试件抗压强度随聚灰比增大而小幅减小，龄期较短的试件曲线走势较缓，表明聚合物掺入比例对于龄期较短的混凝土试件抗压强度影响较小，而龄期较长的试件曲线下降趋势较为明显，表明聚合物掺量较大的混凝土其后期强度受到了相对明显的影响。在本试验条件下，聚灰比为20%的混凝土试件7d强度较基准试件下降10.8%；28d强度较基准试件下降9.7%；56d强度较基准试件下降15.5%。