不同聚合物对透水混凝土流变性能和力学性能的影响

高 新

(广西北部湾投资集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

1 试验

1.1 原材料及配合比

硅酸盐水泥P·Ⅱ52.5作为胶凝材料，其化学组成如表1所示；玄武岩碎石作为粗集料，其粒径介于2.5～4.75 mm，表观密度为2 850 kg/m3；河沙作为细集料，其粒径介于0.12～0.315 mm之间，表观密度为2 650 kg/m3；聚合物分别为苯丙乳液(SAE)、乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液(VAE)和环氧树脂(ER)，其基本性能如表2所示；聚羧酸系高效减水剂作为外加剂，固含量>20%，减水率为30%；拌和水为自来水。

表1 水泥化学组成表(%)

表2 聚合物物理性能指标表

1.2 配合比设计

透水混凝土采用的水胶比为0.25，设计空隙率为17%，集料为粗集料∶细集料=4∶1，每一种聚合物与水泥的质量比分别为0%、3%和6%。如表3所示列出了透水混凝土的配合比。

表3 透水混凝土配合比表(kg/m3)

1.3 试验方法

采用R/SP-SST 软固体流变仪来表征浆体的流变性能；抗压强度试样尺寸为(1 000×100×100)mm3的正方体，加载速率为3～5 kN/s；抗折强度试样尺寸为(40×40×160)mm3的长方体，加载速率为50 N/s；拉伸粘结强度测试的试样尺寸大小为(100×100×20)mm3。

2 结果与分析

2.1 聚合物对新拌浆体流变性能的影响

(a)SAE

如图1所示为SAE、VAE和ER三种聚合物在不同掺量下对透水混凝土新拌浆体流变性能的影响曲线图，并将新拌浆体的物理性能列于表4。结果表明，与对照组C相比，掺加SAE和ER的新拌浆体塑性黏度降低，由2.06 Pa·s分别降低到1.22 Pa·s和1.89 Pa·s。SAE的引入可以提高透水混凝土新拌浆体粘结力，但这会引入大量气泡，气泡起到滚珠效应，进而降低了浆体内部的摩擦力，并降低了浆体的膜厚。然而，与掺加SAE不同，ER导致新拌浆体的流动度出现显著降低，由175 mm降低到135 mm，并且显著降低了新拌浆体的密度。此外，ER-6%样品的浆体膜厚具有最大值，与对照组C相比，振动后的膜厚提高了1.05倍。然而，掺加VAE则导致透水混凝土新拌浆体的塑性黏度增加，并且振动后的膜厚也出现相应的增加。可以发现，新拌浆体的膜厚与相应的黏度拥有很好的正相关性。聚合物可以与水泥水化产物之间交错穿插形成三维的网络结构，提高了新拌浆体之间的粘聚力，同时因增加了塑性黏度导致在粗骨料表面包裹的浆体膜厚增加。

表4 透水混凝土新拌浆体在不同聚合物下的物理性能表

2.2 聚合物对硬化后浆体力学性能的影响

如图2所示为三种不同聚合物在0、3%、6%掺量下对透水混凝土抗压强度、抗折强度与拉伸粘结强度的影响柱形图。可以发现，在聚合物掺量≤6%的情况下，随着聚合物乳液在透水混凝土浆体中掺量的不断增加，浆体硬化后的抗折强度、抗压强度和拉伸粘结强度均随着聚合物乳液掺量的增加呈现先增加后降低的趋势。SAE掺量为3%时，浆体的28 d抗折强度、抗压强度以及拉伸粘结强度相比于对照组C分别提高了11.8%、10.2%和206.1%。VAE掺量为3%时，浆体的28 d抗折强度、抗压强度以及拉伸粘结强度相比于对照组C分别提高了12.5%、13.8%和530.7%。ER掺量为3%时，浆体的28 d抗折强度、抗压强度以及拉伸粘结强度相比于对照组C分别提高了6.9%、4.8%和250.1%。随着三种聚合物乳液掺量的继续增加，透水混凝土浆体的力学性能和拉伸粘结强度开始出现降低。

适量聚合物乳液的掺入可以提高浆体间的粘结力，从而使浆体的塑性黏度、浆体膜层厚度、拉伸粘结强度和力学性能均得到提高。此外，聚合物乳液与水泥水化产物形成的三维网状结构可抑制裂纹的产生和扩展，增强浆体的抗压强度。然而，聚合物乳液掺量过大时，一方面使浆体内产生大量气泡，其内部缺陷增多，孔隙率增大，浆体硬化后密实度较小，力学性能降低；另一方面，聚合物乳液掺量越大，水泥颗粒周边吸附的乳液成分增多，会隔绝水泥与水的接触，降低水泥水化放热速率，水化过程缓慢，水化产物减少，二者共同作用使浆体内部结构缺陷增多，力学性能降低[12]。水泥的水化过程会随着时间的延续持续发生，以提供更多的水化产物来提高水泥制品的力学性能。然而，过多的聚合物乳液，在浆体硬化后也发生失水成膜覆盖在水泥颗粒的表面，过多的聚合物薄膜严重影响了未水化水泥颗粒的后期水化进程，进而影响硬化浆体的力学性能[14]。因此，三种聚合物掺入透水混凝土浆体中的最佳掺量均为3%。然而，使用裹浆法制备透水混凝土时，必须保证浆体具备一定的流动性，使浆体与粗集料良好地粘结在一起，提高透水混凝土的力学性能。通过对比流动性可以发现，SAE-3%>VAE-3%>ER-3%，因此不建议使用ER用于制备透水混凝土。

2.3 聚合物对透水混凝土力学性能和透水性能的影响

选取SAE-3%和VAE-3%并掺加骨料后制备透水混凝土。如表5所示为SAE-3%和VAE-3%对透水混凝土孔隙率、透水系数和力学性能的影响。可以发现，SAE-3%和VAE-3%降低了孔隙率和透水系数，并且孔隙率和透水系数呈现出良好的正相关性。此外，SAE-3%和VAE-3%提高了透水混凝土各个龄期的抗折强度和抗压强度。当在透水混凝土中掺入3%的SAE时，其28 d抗折强度和抗压强度相比于对照组C分别提高了17.1%和15.1%，透水系数和孔隙率仅分别下降2.9%和2.6%；当在透水混凝土中掺入3%的VAE时，其28 d抗折强度和抗压强度相比于对照组C分别提高了11.8%和12.7%，透水系数和孔隙率仅分别下降5.1%和4.5%。适量的SAE和VAE可以有效改善透水混凝土的性能，这主要取决于聚合物在水泥水化反应的过程中，聚合物颗粒之间分布的水分被逐渐转化成水泥水化反应中生成的化学结合水，最终导致聚合物颗粒凝聚在一起形成连续的聚合物网状结构，在浆体与粗集料之间形成链桥，使聚合物改性浆体具有较高的内聚力和变形能力，从而有效抑制了微裂纹的产生和扩展，并有效改善透水混凝土的性能。

表5 透水混凝土的孔隙率、透水系数和力学性能表

(a)

3 结语

(1)VAE掺加到透水混凝土中均可提高新拌浆体的塑性黏度和硬化后浆体的拉伸粘结强度；相反，SAE和ER的引入使新拌浆体的塑性黏度降低，而硬化后浆体的拉伸黏度提高。此外，SAE和VAE对于新拌浆体的流动性影响甚微，而ER显著降低了新拌浆体的流动度。

(2)三种聚合物的引入对透水性混凝土新拌浆体的抗折强度、抗压强度和拉伸粘结强度均呈现出有益的效果，并在聚合物掺量为3%的情况下，其力学性能达到最大；然而，当聚合物掺量超过6%时，抗折强度、抗压强度和拉伸粘结强度呈现降低趋势；此外，透水混凝土新拌浆体中引入SAE相比于VAE和ER具有更优异的力学性能。

(3)引入3%的SAE和VAE均可以提高透水性混凝土的抗折强度和抗压强度；尽管引入的SAE和VAE降低了透水混凝土的透水系数，但影响并不显著。