桥面用聚合物混凝土性能研究

李林香，罗志权，陈斌，谭盐宾，李化建，连新奇

(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081; 3.海南高速铁路有限公司，海南海口570100)

桥面用聚合物混凝土性能研究

李林香1，2，罗志权3，陈斌3，谭盐宾1，2，李化建1，2，连新奇3

(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081; 3.海南高速铁路有限公司，海南海口570100)

采用试验研究了不同EVA乳液掺量的桥面用聚合物混凝土的抗压强度、抗折强度和弹性模量，并用折压比和弹性模量表征了聚合物混凝土的抗裂性。试验结果表明:随着聚合物掺量的增大，混凝土的抗压强度减小，抗折强度变化不大，折压比增大，韧性增加，抗裂性提高;随着聚合物掺量的增大，混凝土的弹性模量降低，变形适应性增强，抗裂性提高;聚合物的活性作用、桥键作用和充填作用改善了混凝土的物理结构及内应力，使得聚合物混凝土有较好的韧性及变形适应性。

聚合物混凝土 韧性 变形适应性

近年来混凝土桥面板开裂的现象引起了广泛关注，因为裂缝会导致钢筋锈蚀和混凝土劣化，从而缩短桥面板的使用寿命。而桥面板的破坏会直接导致桥面系的破坏，影响道路畅通［1-3］，并造成经济损失。目前现浇桥面板多采用纤维混凝土来提高抗裂性能，纤维混凝土早期抗裂性显著提高，但在后期桥梁运营中，混凝土在温度应力和荷载等因素作用下容易产生裂缝。而且掺加纤维后，混凝土和易性变差，施工性能变差。聚合物改性水泥基材料因其在变形能力、弯拉强度、防水性能、耐久性等方面的卓越性能已被越来越广泛地应用在公路隧道路面［4-5］。常用的聚合物乳液有丁苯胶乳(SBR)、丙烯酸酯乳液(PAE)、苯丙乳液(SAE)、乙烯—乙酸乙烯共聚物(EVA)等。不同的乳液对混凝土的改性效果不同，即使同一种乳液，由于共聚物中结构单体含量不同，对混凝土的改性效果也有差异。其中EVA乳液与水泥的适应性好，而且成本较低，因此应用较广。本文以EVA乳液为研究对象，研究了不同聚合物掺量时聚合物混凝土的抗压强度、抗折强度和弹性模量。

1 试验

1.1 原材料及配合比

水泥为金隅水泥厂生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥;粉煤灰为元宝山电厂Ⅰ级粉煤灰;聚合物乳液为EVA乳液，牌号为707，固含量为54%;减水剂为天津雍阳UNF-5AST聚羧酸系高效减水剂，减水率为25%;引气剂为江苏苏博特有机硅类引气剂;砂子为天然河砂，细度模数为2.6，含泥量为1.0%;石子为5～20 mm连续级配碎石，含泥量为0.2%。该试验混凝土配合比如表1所示。聚合物掺量分别为0，2.5%，5.0%，7.5%和10.0%，聚合物乳液中的水折算到拌合水中，每种配合比保持相同的水胶比0.31。

表1 混凝土配合比kg/m3

1.2 试验方法

按照《普通混凝土力学性能测试方法》(GB 50081—2002)对混凝土试件进行抗压强度、抗折强度和弹性模量的测试。

2 试验结果与讨论

2.1 聚合物掺量对混凝土抗压强度的影响

聚合物掺量对混凝土抗压强度的影响如图1所示。从图1可以看出，随着聚合物掺量的增加，混凝土抗压强度逐渐降低。28 d龄期，聚合物掺量分别为2.5%，5.0%，7.5%和10.0%时，混凝土抗压强度分别为基准混凝土的93%，86%，87%和73%。当聚合物掺量为10.0%时，混凝土抗压强度降低比较明显。这是因为当混凝土中掺加聚合物乳液后，柔性的聚合物均匀分布在水泥水化产物中，削弱了水泥石抵抗荷载破坏的能力。因此随着混凝土中聚合物掺量的增加，混凝土的抗压强度逐渐减小。

图1 聚合物掺量对混凝土抗压强度的影响

2.2 聚合物掺量对混凝土抗折强度的影响

聚合物掺量对混凝土抗折强度的影响如图2所示。从图2可以看出，随着混凝土中聚合物掺量的增加，混凝土的抗折强度先降低后增加，但总体变化幅度不大。28 d龄期，聚合物掺量分别为2.5%，5.0%，7.5%和10.0%时，混凝土抗折强度分别为基准混凝土的90%，100%，93%和107%。混凝土抗折强度指的是混凝土在弯曲应力下，单位面积上所能承受的最大荷载。所以抗折强度的大小一方面反映了混凝土抵抗破坏的能力，另一方面反映了混凝土抵抗弯曲变形的能力。混凝土中掺加了聚合物后，虽降低了混凝土抵抗荷载破坏的能力，但另一方面增加了混凝土抵抗弯曲变形的能力。由于两方面的相反作用，致使混凝土抗折强度总体变化不大。

2.3 聚合物掺量对混凝土弹性模量的影响

聚合物掺量对混凝土弹性模量的影响如图3所示。从图3可以看出，随着聚合物掺量的增加，混凝土的弹性模量逐渐降低。28 d龄期，聚合物掺量分别为2.5%，5.0%，7.5%和10.0%时，聚合物混凝土弹性模量分别为基准混凝土的98%，92%，81%和76%。弹性模量是反映混凝土变形能力的一个量值，随着混凝土中聚合物掺量的增加，混凝土中的柔性组分增加，使得混凝土的刚度降低［6］，变形适应性增强。

图2 聚合物掺量对混凝土抗折强度的影响

图3 聚合物掺量对混凝土弹性模量的影响

图4 不同聚合物掺量时混凝土折压比的变化规律

2.4 聚合物混凝土的抗裂性分析

不同聚合物掺量时混凝土折压比的变化规律如图4所示。从图4可以看出，随着聚合物掺量的增加，混凝土折压比逐渐增大。折压比可反映混凝土的韧性大小［7-8］。韧性指的是材料在变形和断裂过程中吸收能量的能力，也可以表示当材料承受应力时对折断的抵抗能力。可以看出，随着聚合物掺量的增加，混凝土的韧性逐渐提高，抵抗折断的能力增强，从而提高了抗裂性。

从2.3节分析得知，随着聚合物掺量的增加，混凝土的弹性模量逐渐降低，表明混凝土有更好的变形适应性，在桥面板承受温度应力和荷载作用时，有更好的变形协调性，因此有更好的抗裂性。

2.5 聚合物对混凝土改性的原因分析

聚合物对混凝土改性的主要原因是产生了以下3种作用［9-10］:①活性作用。聚合物乳液中有表面活性剂，从而改善了混凝土的和易性，减少了水泥的毛细孔等有害孔，提高了材料的密实性和抗渗透能力。②桥键作用。聚合物分子中的活性基因与水泥水化中游离的离子进行交换，形成特殊的桥键，降低了材料整体的弹性模量，改善了水泥浆的内部应力状态，使得承受变形的能力增强。③充填作用。聚合物乳液迅速凝结，形成坚韧致密的薄膜，填充于水泥颗粒之间，隔断了与外界联系的通道。因此，聚合物的活性作用、桥键作用和充填作用，改善了硬化水泥浆体的物理结构及内应力，降低了混凝土整体的弹性模量，从而提高了水泥基材料的抗裂性能。

3 结论

1)随着EVA乳液掺量的增大，聚合物混凝土的折压比提高，韧性增强，抵抗折断的能力增强，抗裂性提高。

2)随着EVA乳液掺量的增大，聚合物混凝土的弹性模量降低，变形适应性增强，抗裂性提高。

3)鉴于聚合物混凝土的抗压强度有所降低，建议在设计聚合物混凝土配合比时要考虑满足强度要求。

［1］陈春生，魏希忠.桥面板砼结构开裂原因及预防措施［J］.中国西部科技，2006(17):18-19.

［2］韩学义.关于混凝土桥面板裂缝［J］.东北公路，2001，24 (1):4-5.

［3］林国兴.浅谈现浇混凝土桥面板施工技术［J］.广东科技，2007(8):107-108.

［4］马钢，王波，杨福林.聚合物改性水泥混凝土路面在忻阜高速公路中的应用［J］.公路交通科技，2011(7):4-6.

［5］余曼丽，马保国，杨雷.聚合物改性水泥混凝土用于武汉长江隧道工程研究［J］.中国水运，2007(8):55-57.

［6］涂云霞.水泥基聚合物混凝土抗裂性能的试验研究［D］.扬州:扬州大学，2007.

［7］黄利频，罗素蓉.高等级公路混凝土实现高折压比的配合比设计［J］.武汉理工大学学报，2008，30(12):37-41.

［8］龙广成，李哲，丁晨.改性组分对水泥基材料韧性的影响［J］.东南大学学报(自然科学版)，2010，40(11):107-112.

［9］钟世云，袁华.聚合物在混凝土中的应用［M］.北京:化学工业出版社，2003.

［10］刘大智，沈化荣，储洪强，等.聚合物水泥砂浆的力学性能与微观机理研究［J］.南京航空航天大学学报，2012，42 (6):802-805.

Study on performance of polymer concrete used in bridge deck

LI Linxiang1，2，LUO Zhiquan3，CHEN Bin3，TAN Yanbin1，2，LI Huajian1，2，LIAN Xinqi3
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China; 3.Hainan High-speed Railway Co.，Ltd.，Haikou Hainan 570100，China)

T he paper looks into the pressure resistance，bending resistance and elastic modulus of deck-used polymer concrete of different EVA-emulsion contents，while incorporates the elastic modulus with the bending resistancepressure resistance ratio in the assessment of cracking resistance performance.T he results indicate that as the polymer content increases，the pressure resistance of the concrete goes down，while the bending resistance performance shows no visible change.In other words，the bending resistance-pressure resistance ratio raises，the toughness is strengthened and the cracking resistance is improved.At the same time，the elastic modulus is lowered，while the adaptability to deformation is enhanced.T he physical structure and internal stress of the concrete samples are altered by the activity of the polymer，as well as the bridge bond effect and the filling effect of the specimen，as a result polymer concrete delivers prominent toughness and adaptability to deformation.

Polymer concrete;T oughness;Adaptability to deformation

TU528.041

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.41

1003-1995(2015)05-0163-03

(责任审编周彦彦)

2014-12-17;

2015-01-29

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2014G004-R)

李林香(1975—)，女，山西繁峙人，助理研究员，博士。