有机高分子聚合物对多孔混凝土力学性能影响试验分析

付 涛，王志军，荆禄波

（1.山东高速齐鲁建设集团有限公司，山东 济南 250101；2.交通运输部公路科学研究院 道路结构与材料交通行业重点实验室，北京 100088；3.北京市交通委员会，北京 100053）

引言

多孔水泥混凝土是以水泥为胶结材料，特殊级配集料和水按照一定比例和施工工艺制备而成的空隙均匀分布的多孔性材料，具有较大的有效空隙，既具备一定的力学强度满足路用性能，又具有一定的降噪、透水、透气性，是一种备受关注的新型水泥路面结构，在欧美、日本等国家得到了广泛的应用[1-3]。 我国对多孔混凝土的应用多集中于轻交通荷载的工程领域，主要是由于多孔混凝土材料采用了孔隙-骨架结构的型式而使其结构强度较低，在车辆荷载的反复冲击作用下易造成集料的松散剥落和路面损伤，从而影响多孔混凝土的力学性能和使用性能[4-6]。随着混凝土技术的发展，各种外加剂和增强剂掺入到混凝土中提升了混凝土的强度和使用性能[7-9]。

1 试验方案

1.1 材料

（1）水泥。采用425#普通硅酸盐水泥，其主要性能指标满足《硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥》(GB 175—2007)、《道路硅酸盐水泥》(GB 13693—2017)和《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30—2014)的相关规定。（2）集料。最大公称粒径为4.75，级配类型见表1，其他技术要求满足《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/T F30—2014)的规定。（3）水。采用纯自来水。（4）减水剂。减水率15%～20%，其质量及材料组成符合《混凝土外加剂均质性试验方法》(GB/T8077—2012)和《混凝土外加剂》(GB8076—2016) 的要求。（5）硅灰。SiO2含量＞90%，比表面积≥15 m2/g。（6）有机高分子聚合物。采用VAE-707（乙酸乙烯脂-乙烯共聚乳液），其性能指标见表2。

表1 多孔混凝土集料级配

表2 VAE-707 乳液主要技术指标

1.2 试验方案设计

1.2.1 级配方案设计

采用表1 中的集料级配，设计试验组合见表3。设计目标孔隙率为17%，水灰比为0.37；水泥用量分别采用340 kg/m3、380 kg/m3、420 kg/m3三种类型；减水剂掺量1%，有机高分子聚合物VAE-707 乳液的掺量为水泥质量的0%、2%、6%、10%；胶凝材料为水泥（94%）+硅灰（6%），共计12 组数据。

表3 设计的多孔混凝土配合比

1.2.2 力学性能试验

试件采用振动成型方式成型，养生结束后测试试件的28 d 抗压强度与抗折强度，其中抗压强度试验采用圆柱体试件、抗折强度试验采用15 cm×15 cm×55 cm 试件。

1.2.3 飞散试验

多孔混凝土材料由于集料颗粒间的黏结强度较低而易出现飞散病害，采用多孔水泥混凝土的飞散试验进行相关测试。试验是将制备的试件放入洛杉矶磨耗试验机中进行磨耗，以检验多孔水泥混凝土的抗飞散能力。

1.2.4 冻融试验

采用《水工混凝土试验规程》（SL352—2006）快速冻融法对多孔混凝土试件进行冻融试验来验证其抗冻融能力，试件的聚合物掺量为2%，尺寸为10 cm×10 cm×40 cm。

2 试验结果及分析

2.1 力学性能和抗飞散性能

力学性能和飞散试验结果见表4 和图1 ～图4。

图1 聚合物含量对试件28 d 抗压强度的影响曲线

图2 聚合物含量对试件28 d 抗折强度的影响曲线

图3 聚合物含量对试件飞散损失的影响

图4 聚合物含量对试件压折比的影响

表4 力学性能和飞散试验的试验结果

由试验结果可以得出：（1）制备的高分子聚合物多孔水泥混凝土试件的28 d 抗压强度和抗折强度能达到20 MPa 和2.5 MPa 以上。多孔混凝土掺加高分子聚合物后，其28 d 抗压强度随掺量的增加先增大后减小，呈现峰值特性，聚合物的掺量为10%时与不掺加聚合物的抗压强度差异不明显；有机高分子聚合物能够提高多孔水泥混凝土的抗折强度，掺加高分子聚合物后，其28 d 抗折强度出现一定程度的提高，当掺量为2%时，其抗折强度最高。（2）压折比试验数据也表明，高分子聚合物掺量在2%时，聚合物混凝土具有较好的韧性。（3）混凝土飞散试验结果显示，多孔混凝土中掺加聚合物提高了其飞散能力，当聚合物掺量为2%时其质量损失率最小。综合以上试验结果，有机高分子聚合物的最佳掺量可选择为2%。

2.2 冻融试验

聚合物多孔混凝土冻融试验数据结果见表5 和图5、图6。

表5 不同冻融次数的聚合物多孔混凝土冻融试验结果

图5 多孔混凝土不同冻融次数的相对动弹模量变化

图6 多孔混凝土不同冻融次数的质量变化率

可以看出，高分子聚合物的掺加提高了多孔混凝土的抗冻融能力。（1）在冻融试验初始的100 次冻融循环以内，掺加聚合物的混凝土和不掺聚合物混凝土的相对动弹模量和质量变化率指标相差不大；（2）在100 次冻融循环之后，掺加高分子聚合物的多孔混凝土的相对动弹模量相比不掺聚合物的混凝土提高了5.2%（150 次）和7.4%（200 次），质量变化率相对降低了33%（150 次）和28.5%（200 次）。多孔混凝土的抗冻融能力由于其自身多孔的特点，水对其自身的侵蚀和冻胀破坏要远大于水对普通混凝土的作用。多孔混凝土掺加高分子聚合物后，聚合物填充于多孔混凝土的水泥桨体中水化成膜，增强了多孔混凝土颗粒之间的黏结力，修复了混凝土水化过程中产生的微裂缝，形成的聚合物膜具有较强的抗拉强度，明显改善了普通多孔混凝土的韧性；同时高分子聚合物自身具有柔性特性，在多孔混凝土颗粒间可减缓其尖端应力从而可阻止裂缝的进一步发展。因此，高分子聚合物的力学性能相较于普通多孔混凝土有较明显的改善。

3 结语

（1）制备的多孔聚合物水泥混凝土试件的28 d抗压强度和抗折强度分别在20 MPa 和2.5 MPa 以上；有机高分子聚合物能够提高多孔水泥混凝土的抗折强度，其抗压强度随掺量的增加先增大后减小，呈现峰值特性。（2）有机高分子聚合物在多孔混凝土颗粒间可水化成膜，增加颗粒之间的黏结性，延缓裂缝的发展，提高多孔混凝土的韧度，其最佳掺量为2%。（3）掺加聚合物能够显著提高多孔混凝土的抗冻融能力，冻融循环次数越多效果越明显。