桥面铺装用掺有减缩剂的乳胶改性混凝土性能

2023-11-22王碧锋

广东公路交通 2023年5期

王碧锋

(广东交科检测有限公司,广东广州 510550)

0 引言

近年来,国内外对大型桥梁的桥面铺装进行了全面的研究,迫切需要一种可保护桥面不受冲击、防止雨水和氯化物腐蚀的桥面铺装材料。聚合物改性混凝土具有较高的抗折强度、黏结强度且具有优越的抗渗透性能、抗冰冻性能和耐腐蚀性能,其耐久性较好。同时,聚合物改性混凝土抗冲击韧性高,是一种廉价且可广泛应用于路面工程的聚合物混凝土,因而应用广泛[1-3]。

美国针对聚合物在路面修补、桥面铺装等应用制定了规范,并提出了评价体系。欧洲也相继开展了聚合物水泥混凝土的应用研究,主要以应用于公路修补和防水技术研究居多。上世纪 80年代以来,国内开始研究聚合物改性水泥基材料,现已取得较多成果[4-6]。

乳胶改性混凝土(LMC)桥面铺装方法源于美国。LMC将一定数量的苯乙烯单体和丁二烯单体共聚产生的聚合物均匀分布在普通混凝土中,与普通混凝土相比,LMC的耐久性显著提高且不易开裂,与桥面协调变形能力较强[7-8]。LMC中的乳胶填充微孔并形成膜层,可以阻止水分或氯化物从外部渗透,提高混凝土的耐久性[9-10]。当前应用中的主要技术难题在于桥面铺装时容易发生较大的水分蒸发,LMC的裂缝难以控制,因此常出现塑性收缩裂缝和干缩裂缝。

减少混凝土因各种因素而产生裂缝的技术取得了发展和进步,其中最常用的手段是添加减缩剂,以减少干燥收缩和裂缝。减缩剂可降低混凝土干燥过程中的毛细管张力,从而减少收缩和裂缝。

将减缩剂应用于乳胶改性混凝土中,可保证LMC优良性能的同时减少其裂缝,不失为一种新的思路。该方法可得到耐久性、力学性能、抗开裂性能均优良的混凝土,为大型桥面铺装提供一种新的材料。

基于以上工程背景,本文分析了不同减缩剂掺量下胶乳改性混凝土的力学性能和耐久性能,并对其现场的适用性进行了分析,以评价减缩剂对LMC减少开裂的效果并探讨其用于桥面铺装的可行性。

1 减缩剂原理

减缩剂原理干燥收缩被认为是伴随水分蒸发的一种物理行为,各种理论中对其作用机理最有效的理论是毛细管张力理论。其原理为:水分蒸发时,混凝土中的微孔中形成了凹液面,毛细拉力随着水的表面张力而产生。干燥收缩是基体材料的机械变形引起的一种驱动力,即毛细管张力。当水分因干燥而蒸发时,毛细管张力增大,从而发生收缩。使用减缩剂可降低水的表面张力,从而减少干缩裂缝。减缩剂减少开裂的原理如图1所示。

2 原材料与配合比设计

2.1 原材料

2.1.1 水泥

本文采用普通硅酸盐水泥,密度为3.14 g/cm3、细度为3 200 cm2/g。

2.1.2 乳胶

本文中使用的乳胶是通过将表面活性剂和稳定剂加入到由苯乙烯和丁二烯作为主要单体组成的高分子聚合物制成的乳白色液体材料。乳胶的物理性能见表1。

2.1.3 骨料

考虑到桥面铺装的厚度,本文中的粗集料(碎石)采用最大粒径为13 mm的碎石骨料,密度为2.7g/cm3。细集料采用天然河砂,密度为2.6g/cm3,细骨料的细度模数为2.86。

2.1.4 减缩剂

本文选用的减缩剂性能见表2。

表2 减缩剂性能

2.2 配合比设计

为了评价减缩剂掺量对LMC混凝土性能的影响,参照普通混凝土减缩剂的掺配比,设计了5组不同减缩剂掺量的LMC配合比,减缩剂与水泥的质量比分别为0%、1.0%、2.0%、3.0%、5.0%,编号分别为SRA1、SRA2、SRA3、SRA5。同时设计减缩剂掺量为0的对照试验组,编号为P。

为进行对照试验,评价外加剂材料类型对LMC收缩和开裂性能的影响,分别采用膨胀剂和纤维各设计了一组配合比,编号分别为ED、F。配合比设计见表3,其中混凝土的水灰比为0.35,乳胶与水泥的质量比为15%。

表3 混凝土配合比

3 试验设计

3.1 新拌混凝土性能

为了评价掺有减缩剂的新拌LMC的性能,分别依照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》T 0522-2005、T 0526-2005进行新拌混凝土的坍落度试验和含气量试验。

3.2 强度特性试验

为评价混凝土的强度特性,依照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》T 0553-2005进行混凝土7d和28d的抗压强度试验。采用自行设计的拉拔试验评价混凝土的粘结性能。预先制作300mm×300mm×500mm的混凝土基板,老化28d后在混凝土基板上加铺500mm厚的LMC,养护7d后进行拉拔试验。拉拔试验试件直径为63.5mm,采用取芯机从预先养护好的水泥板中取芯。拉拔试验如图2所示。试件的拉拔强度按式(1)计算。每组试件平行4次试验,4个数据中去除偏离平均值最大的,保留的三个试件取其平均值,按式(2)计算。

图2 拉拔试验

(1)

(2)

式中:σm为拉拔强度平均值(MPa);σi为单个试件拉拔强度值(MPa) 。

3.3 耐久性能评价

设计干燥收缩试验、抗碳化性能试验、抗氯离子渗透试验、抗裂性能试验,分析掺有减缩剂的LMC的耐久性。

(1)干燥收缩试验。对混凝土试件进行干燥收缩测量试验。试件尺寸为100mm×100mm×400mm,在棱柱体2个相对面上各贴一片应变片,用以测试收缩变形量。采用数据采集系统采集收缩变形,测试混凝土试件60d内的收缩变形。

(2)抗碳化性能试验。依照《蒸压加气混凝土性能试验方法》(GB/T 11969-2020)进行LMC抗碳化性能试验。

(3)抗氯离子渗透试验。每种配合比的混凝土浇筑 150 mm 立方体试块 3 个,标准养护 28 d 后,依照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)中的电通量法测试各配合比混凝土的抗氯离子渗透性能。分别测定各混凝土试件28d、56d的抗氯离子渗透性能。

(4)抗裂性能试验。依照《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES01-2004)的圆环法,分析减缩剂对水泥水化硬化浆体抗裂性的影响。

4 试验结果与分析

4.1 坍落度与含气量

坍落度试验结果和含气量试验结果分别如图3、图4所示。可见,SRA5混合料的坍落度与其他SRA混合料相比约小10 %,这是由于SRA5混合料含气量增加导致坍落度增大。当使用膨胀剂时,混凝土的含气量显著降低,坍落度略有增加;掺入纤维后混凝土的和易性降低,导致坍落度较其他配合比降低。

图4 含气量试验结果

4.2 抗压强度和粘结强度

抗压强度试验结果如图5所示。7d的抗压强度随着减缩剂混合比的增大而增大,但当混合比为5 %时有所降低。SRA5的28d抗压强度低于SRA3,究其原因,是因为大量的拌合水被减缩剂所取代,使得与水泥发生水化反应所需的拌合水量明显减少。LMC与膨胀剂混合后,其抗压强度与普通混合料相近。掺有纤维的混凝土强度与LMC相比,也没有显著的差异。

图5 抗压强度试验结果

拉拔试验结果如图6所示。由试验结果可知,减缩剂掺量为0的素混凝土、掺有膨胀剂的LMC、掺有纤维的LMC的拉拔强度基本一致。LMC拉拔强度随减缩剂的增加先增大后减小,其原因与抗压强度趋势出现的原因一致。

图6 拉拔试验结果

4.3 耐久性能

4.3.1 干燥收缩试验结果

LMC干燥收缩试验结果如图7所示。未添加减缩剂的素混凝土收缩率最大,添加3 %减缩剂的LMC收缩率最小。添加5%减缩剂的LMC与素混凝土相比,收缩率有所下降,但与SR1、SRA2和SRA3相比,收缩率较大,其原因可能是SRA5混凝土的含气量增加所致。添加膨胀剂的ED混凝土试件早期膨胀、后期收缩。添加纤维的混凝土表现出与素混凝土相似的收缩变化。

图7 干燥收缩试验结果

4.3.2 抗碳化性能

图8为抗碳化性能试验结果。由图8可知,素混凝土和添加纤维的混凝土抗碳化性能一致。添加减缩剂的混凝土碳化系数大于素混凝土,表明添加减缩剂可以提高混凝土的抗碳化性能,其中抗碳化性能最优的是添加3%减缩剂的LMC。

图8 抗碳化性能试验结果

4.3.3 氯离子渗透阻力

28d和56d混凝土试件的抗氯离子渗透试验结果如图9所示。当减缩剂添加量为3%时,LMC的电通量值最小,表现出最优的氯化物渗透性能。当在LMC中添加减缩剂时,混凝土内部变得致密,增加了耐久性。当在LMC中添加膨胀剂时,LMC表现出比素混凝土更优的抗氯离子渗透性能,略低于SRA混凝土的性能。添加纤维的混凝土表现出最差的抗氯离子渗透能力,其原因可能是亲水纤维和纤维-基质界面成为氯离子渗透的路径。然而,纤维对混凝土抗氯离子渗透性能的影响需要在后续进一步研究。

图9 抗氯离子渗透性能试验结果

4.3.4 抗裂性能

水泥圆环试验结果见表4。由表4的试验结果可知,添加减缩剂的LMC混凝土浆体的抗裂性能优异,仅有SRA5出现开裂,其余3组(SRA1、SRA2、SRA3)直至试验结束均未发生开裂现象。

表4 硬化水泥浆体圆环法抗裂试验结果

4.4 现场抗裂性能评价

为验证掺有减缩剂的LMC现场抗裂性能,制备了1.0m×1.0m×0.1m的混凝土板,置于室外环境模拟桥梁现场养生条件。现场试验采用SRA3混合料,因为SRA3混合料在前期试验中性能最优异。如图10所示,通过监测可直观地观察到裂纹的发生,直到养生至56d龄期,LMC板均未发现裂纹,表明掺加减缩剂的LMC优良的抗开裂性能得到证实。后续可进一步在较大尺寸的桥面铺装上进行应用和验证。