聚合物改性水泥混凝土性能研究

宁 毅， 李文凯

（1.河南中州路桥建设有限公司，河南周口 466000； 2.河南交院工程技术有限公司，郑州 450000）

随着我国交通事业的快速发展，交通方面的基础建设日益完善，水泥混凝土具有良好的耐久性和经济实用性，常常应用到公路、大型结构的建设当中. 但随着使用年限及交通量的逐年增长，水泥混凝土路面容易出现不同程度的破坏，例如混凝土板块破碎、脱空、露骨、裂缝、板角断裂等病害［1-5］. 此外，外部环境会对大体积混凝土造成严重腐蚀，导致混凝土强度、耐久性降低. 雨水中的氯盐、硫酸盐也会对混凝土结构造成侵蚀，最终导致初期病害进一步的恶化，严重影响建筑物的使用安全性及使用寿命［6-12］. 因此，改善水泥混凝土结构力学性能以及耐腐蚀能力对延长基础设施使用年限有着重大意义. 聚合物改性水泥混凝土，不仅满足常规普通水泥混凝土抗压强度的要求，同时抗拉能力、抗弯能力及抗冲击能力都有明显改善，同时能够改善混凝土构件抗腐蚀能力［13-18］. 李祝龙对聚合物改性水泥混凝土改善公路路用性能方面进行了详细研究［19］.罗立峰将聚合物改性剂添加到钢纤维水泥混凝土中，在桥面铺装工程中取得了很好的效果［20］. 申爱琴对水泥路面的裂缝成因进行了研究，制备出性能较好的聚合物改性水泥路面裂缝修补材料［21］. 本文通过聚合物改性水泥混凝土力学性能、耐久性能研究，分析聚合物改性剂的掺入对水泥混凝性能的影响.

1 水泥混凝土原材料性能及配合比设计

1.1 原材料性能研究

本研究选用42.5#普通硅酸盐水泥，主要技术指标试验结果见表1. 细集料为河沙，起到填充作用；粗集料为石灰岩碎石，起到骨架支撑的作用，粗、细集料筛分结果分别见表2、表3.

表1 42.5#普通硅酸盐水泥相关性能指标及试验结果Tab.1 Related performance indexes and test results of 42.5#Portland cement

表2 粗集料筛分结果Tab.2 Screening result of coarse aggregate

表3 细集料筛分结果Tab.3 Screening results of fine aggregate

由表1、表2、表3可以得出，42.5#普通硅酸盐水泥化学及物理指标试验结果均能够满足相关规范要求；粗、细集料筛分结果均满足相关规范级配要求.

1.2 聚合物改性剂

聚合物改性剂是由AB-EP-4型环氧树脂、AB-HGA 型环氧固化剂按照3∶2的质量比例掺配而成，其主要技术指标分别见表4、表5.

表4 环氧树脂主要技术指标Tab.4 Main technical indexes of epoxy resin

表5 环氧固化剂主要技术指标Tab.5 Main technical indexes of epoxy curing agent

1.3 配合比设计

本研究成型五种不同聚灰比（聚合物与水泥质量之比）混凝土试件，聚灰比依次为0%、3%、6%、9%、12%. 5种混凝土配合比设计结果见表6.

表6 混凝土配合比设计结果Tab.6 Design results of concrete mix ratio

2 混凝土力学性能研究

图1 坍落度与聚灰比关系Fig.1 The relationship between slump and ash ratio

2.1 混凝土和易性试验

为保证改性剂能够均匀掺配到混合料中，搅拌过程中先加入水泥、砂、石以及水，强制拌和均匀，最后加入聚合物改性剂，搅拌均匀后检测混凝土的和易性，不同聚灰比混凝土坍落度试验结果见图1.

由图1 可以得出，随着改性剂掺量的变大，混凝土坍落度逐渐升高，表明改性剂的掺入能够改善混凝土的和易性，且随着掺量的增加，改善效果越显著. 参照相关规范要求，泵送混凝土坍落度为100～150 mm，因此，当聚灰为6%左右时混凝土和易性较好.

2.2 混凝土抗压强度试验

将满足龄期要求的混凝土试件从标养室中取出，表面擦干，调整好试件位置后压力机以0.5～0.8 MPa/s 的速率加载，当试验结束后记录试件破坏时的极限荷载. 不同龄期、不同聚灰比时混凝土试件抗压强度试验结果见图2.

由图2可以得出，同一龄期的混凝土试件随着聚灰比的增加，抗压强度逐渐降低，但降幅较小；同一聚灰比的混凝土试件随着龄期的增加，抗压强度逐渐升高，升高幅度较为明显. 表明龄期与聚灰比都对混凝土强度有影响，其中龄期影响程度较大.

2.3 混凝土抗拉强度试验

将标准养护28、60 d 龄期的混凝土试件从标养室中取出，表面擦干，调整试件位置，垫条与试件上、下表面中轴线对齐，然后压力机以0.05～0.08 MPa/s 的速率行加载，当试验结束后记录试件破坏时的极限荷载，不同龄期、不同聚灰比时混凝土试件抗拉强度试验结果见图3.

由图3 可以得出，随着聚灰比的增加，28、60 d龄期混凝土试件抗拉强度试验结果均呈现先升高后降低的趋势，且都在聚灰比为6%时达到最大，较未掺聚合物改性剂的混凝土试件分别提高29.5%、14.0%；当聚灰比相同时，随着龄期的增大，混凝土试件抗拉强度也会增强.

图2 抗压强度与聚灰比及养护龄期关系Fig.2 Relationship between compressive strength and ash accumulation ratio and curing age

图3 抗拉强度与聚灰比及养护龄期关系Fig.3 Relationship between tensile strength，ash accumulation ratio and curing age

2.4 混凝土抗折强度试验

将标准养护28 d龄期的混凝土试件从标养室中取出，表面擦干，放置于试验机上，然后采用四点法以0.05～0.08 MPa/s的加载速率试验，不同聚灰比时混凝土抗折强度试验结果见图4.

由图4 可以得出，随着聚灰比的变大，混凝土试件抗折强度呈现先增大后减小的趋势，当掺量为6%时，抗折强度试验结果达到峰值，较未掺改性剂的混凝土提高22.0%.

图4 抗折强度与聚灰比关系Fig.4 Relationship between flexural strength and ash ratio

3 混凝土耐久性能研究

3.1 混凝土动弹性模量试验

聚合物改性剂的掺入能够改善混凝土抗冻性，试验过程中不同聚灰比混凝土试件分别经过80、105、135、155、185次冻融循环作用后发生破碎［22-23］. 不同冻融循环周期后混凝土试件动弹性模量试验结果见图5.

由图5 可以得出，随着冻融循环次数的增大，混凝土试件动弹性模量逐渐降低；当聚合物改性剂掺量不大于6%时，混凝土试件在冻融循环未超过140 次时发生破坏，当掺量分别为9%、12%时，混凝土试件在冻融循环未超过190次时发生破坏；当聚合物改性剂掺量为12%时，混凝土试件动弹性模量随冻融循环次数的增大降幅较其他掺量时缓慢，表明其抗冻性能最好.

3.2 混凝土质量损失试验

混凝土试件在经过多次冻融循环作用后，表层会出现裂缝、细集料剥落等病害，引起混凝土试件质量损失［24］. 不同冻融循环周期后混凝土试件质量损失率试验结果见图6.

由图6 可以得出，聚合物掺量相同时，随着冻融循环次数的增大，试件质量损失率逐渐增加，同时掺入聚合物改性剂混凝土质量损失率的变化曲线较未掺改性剂的缓慢得多. 表明聚合物改性剂的掺入能够改善骨料之间的黏结能力，增强混凝土的抗冻性，当聚合物掺量为9%～12%时，混凝土抗冻性能较好.

图5 动弹性模量与冻融循环次数关系Fig.5 Relationship between dynamic elastic modulus and number of freezing thawing cycles

图6 质量损失率与冻融循环次数关系Fig.6 Relationship between mass loss rate and number of freeze-thaw cycles

4 结论

本文通过对聚合物改性水泥混凝土力学及耐久性能研究得出以下结论：

1）随着聚合物掺量的增加，混凝土坍落度逐渐变大，考虑泵送混凝土坍落度应满足100～150 mm范围的要求，选择聚灰比为6%能够保障混凝土具有较好的泵送效果.

2）随着聚灰比的增大，混凝土试件抗拉强度、抗折强度试验结果均呈现先增大后减小的趋势，且都在掺量为6%时达到峰值. 因此，当聚合物改性剂掺量为6%时，混凝土力学性能改善效果最优.

3）随着冻融循环次数的增大，混凝土试件动弹性模量逐渐降低，当聚合物改性剂掺量为12%时，混凝土抗冻性能最好；聚合物掺量相同时，随着冻融循环次数的增大，试件质量损失率逐渐增加，同时掺入聚合物改性剂混凝土质量损失率的变化曲线较未掺改性剂的缓慢得多，从质量损失率角度考虑，当聚合物掺量为9%～12%时，混凝土抗冻性能较好.