聚合物机制砂水泥混凝土力学性能的研究

郑腰华

(中铁二十四局集团有限公司 上海 200433)

1 引言

随着大量工程项目的建设，天然河砂资源匮乏，且存在地域性，无法满足多数工程项目需求。在没有天然河砂的山区，机制砂容易生产，可以就地取材，节约运输成本，有较好的经济效益；机制砂替代天然河砂大量应用到工程中，但机制砂存在颗粒级配差，粒形棱角多，石粉含量不易控制。由于机制砂的特性，导致机制砂水泥混凝土保水性差，易泌水、离析，使混凝土的工作性能和耐磨性能下降，为了弥补机制砂的这些缺点，通过加入黏稠高韧性的聚合物，可以有效地改善水泥混凝土的工作性能以及路用性能，提高其抗折强度和耐久性。加入聚合物的水泥混凝土具有沥青混合料的高韧性、高抗裂性和耐磨性等优势，同时又有水泥混凝土的高强度[1]。我国聚合物改性水泥混凝土方面的研究较早，但由于掺入聚合物增加了混凝土的成本，使得聚合物改性混凝土的应用还不是很广泛，主要用于公路工程的路面修补，水库的防护坡面修补和港口防渗处理等[2]。掺入聚合物对水泥混凝土力学性能影响还存在不同的看法，尤其是在机制砂水泥混凝土中掺聚合物的研究不多。本文主要以云贵川等地的高速公路工程为基础，从机制砂的特性出发，采用单因素法研究机制砂水泥混凝土的工作性能和力学性能，为在工程的应用中提供依据。

2 原材料与试验配合比

2.1 原材料

(1)水泥:亚东普通硅酸盐水泥P.O42.5，主要性能指标如表1所示。

表1 水泥主要性能指标

(2)细集料:由机械破碎加工后的机制砂，Ⅰ区粗砂，细度模数3.2，石粉含量6.4%，空隙率41.4%，压碎指标15%。

(3)粗集料:采用5～31.5 mm连续级配碎石，含泥量0.5%，空隙率46.3%，压碎指标值16.2%。

(4)外加剂:采用聚羧酸高效减水剂(缓凝型)，掺量为1.0%，减水率实测值为30.6%。消泡剂(有机硅类)，掺量为1.0%。

(5)聚合物:采用市场上购买的聚丙烯酸酯乳液，主要性能指标见表2。

表2 聚丙烯酸酯乳液主要性能指标

2.2 试验配合比

混凝土配合比按照C40设计，设计坍落度180～220 mm，砂率43%。聚丙烯酸酯乳液按照水泥掺量的5%、10%、15%、20%加入混凝土中，为保证相同坍落度，经调试水灰比，确定的配合比见表3。

表3 混凝土配合比设计

3 试验结果与分析

聚合物机制砂水泥混凝土拌合物性能和力学性能检测方法参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)。

3.1 聚合物对机制砂水泥混凝土的和易性的影响

随着国家加大对基础建设的投资力度，混凝土及细集料用量加大。河砂的大量开采已经破坏了河床，对周围的环境造成了不良影响，随着国家对环保的重视，目前部分河流已经禁止开采河砂。在云贵川等地区天然河砂资源匮乏，机制砂在这些区域的应用越来越广。机制砂由碎石破碎加工而成，与天然砂相比具有棱角，形状不规则，针片状颗粒含量大，表面较粗糙[3]。级配不良，2.36 mm以上及0.15 mm以下颗粒较多，而1.18～0.3 mm颗粒较少，且表面吸水率高，增加混凝土的拌和用水量，从而影响到混凝土的工作性能、力学性能、耐久性和体积稳定性。

聚合物聚丙烯酸酯乳液的加入，在机制砂混凝土中起到增黏效应和润滑作用。黏稠的聚丙烯酸酯乳液的加入可以减少混凝土的泌水，显著提高机制砂水泥混凝土的粘聚性和保水性；同时在同等坍落度和扩展度情况下，聚合物的加入可以有效降低水灰比，减少混凝土的用水量，保证其它材料不变的情况，能有效改善机制砂水泥混凝土的和易性[4]。同时对其他材料起到浸湿和润滑作用，弥补机制砂多棱角和表面粗糙的缺点，克服机制砂形状不规则的不良影响，增加混凝土的流动性。聚丙烯酸酯乳液在搅拌过程中会在混凝土中引入气泡，含气量的增加一定程度上也改善了混凝土的流动性。

3.2 聚合物对混凝土抗压强度的影响

按照表3混凝土配合比设计，采用不同聚灰比(0、0.05、0.10、0.15、0.20)拌制的机制砂水泥混凝土，分别取样制作了立方体抗压强度试件15组，抗弯拉强度试件15组。在标准养护条件(温度(20±2)℃，相对湿度>95%)下，养护到28 d龄期后进行混凝土力学性能试验。不同聚灰比混凝土分别制作3组试件，以3组试件平均值为强度结果代表值。不同聚灰比P/C的混凝土抗压强度结果如图1所示。

图1 不同聚灰比P/C的混凝土28 d抗压强度结果

由图1可知，掺入不同量的聚丙烯酸酯乳液，机制砂水泥混凝土28 d龄期的抗压强度结果为:与基准混凝土相比，当聚灰比P/C为0.05时，混凝土抗压强度降低了2.8%；当P/C为0.10时，混凝土抗压强度降低了3.4%；当P/C为0.15时，混凝土抗压强度降低了8.5%；当P/C为0.20时，混凝土抗压强度降低了14.7%。

以上结果说明在机制砂混凝土中加入聚合物聚丙烯酸酯乳液会降低其抗压强度，降低的程度不一样，当聚灰比P/C小于0.10时，混凝土抗压强度降低较少，减少在3%左右；当聚灰比P/C大于0.15时，混凝土抗压强度降低比较明显，如当聚灰比为0.20时，水泥混凝土抗压强度仅为42.3 MPa。聚合物的加入造成混凝土抗压强度降低主要是由于聚合物为黏稠的乳液，加入水泥混凝土中，经过搅拌渗入并吸附到各类材料上，形成聚合物膜，一方面会将没有水化的水泥颗粒包裹、隔离，减少水泥与水的接触，水泥的进一步水化反应受到一定的影响，阻碍部分水泥水化产物水泥石的形成，而这种影响会随着聚灰比的增大而增大。另一方面聚合物形成的聚合物膜会和水泥石形成空间网架结构[5]，但是，在混凝土内部结构中，形成的聚合物膜刚度不足，使得混凝土抗压强度降低[6]。

3.3 聚合物对水泥混凝土抗折强度的影响

水泥混凝土弯拉抗折强度是混凝土的一项重要控制指标，在公路路面、结构物梁体以及水库大坝都有较高要求，其大小是否满足设计要求，将直接影响到混凝土的整体质量及使用寿命。进行混凝土抗折试验，主要采用万能试验机和配套的辅助试验装置，在净跨450 mm、三分点处双支点荷载作用下的弯拉破坏得到抗折强度。

试件养护28 d龄期取出后保持混凝土的干湿状态，测量尺寸，以速度为0.05～0.08 MPa/s连续匀速加荷，直至破坏，记录并计算得出混凝土抗折强度，聚合物机制砂水泥混凝土抗折强度结果如图2所示。

图2 不同聚灰比P/C的混凝土28 d抗折强度结果

由图2可知，与普通机制砂混凝土相比，掺入聚合物聚丙烯酸酯乳液的混凝土抗折强度情况为:当聚灰比P/C为0.05时，混凝土抗折强度提高了3.9%；当P/C为0.10时，混凝土抗折强度提高了16.5%；当P/C为0.15时，混凝土抗折强度提高了21.5%；当P/C为0.20时，混凝土抗折强度提高了24.1%。

以上结果说明水泥混凝土加入聚合物后，其抗折强度明显提高，且聚灰比P/C越大，抗折强度越高，结果显示聚灰比与抗折强度没有明显的呈线性关系。在聚灰比为0.05时，混凝土抗折强度提高不明显；但当聚灰比为0.10时，抗折强度有明显地提高，提高了16.5%。一方面，聚合物乳液的加入填充了混凝土内部的一些间隙，使得混凝土更加密实，改善了混凝土的强度。另一方面，抗折强度的增加与聚丙烯酸酯乳液形成的聚合物膜具有高韧性有关，在集料和水泥石以及集料与集料之间形成的聚合物膜在收到弯拉荷载时起到回弹缓冲作用，减少应力集中，缓冲了集中弯拉应力对混凝土结构的破坏，使得混凝土抗折强度增加。

3.4 聚合物机制砂水泥混凝土的折压比

一般的铁路和市政工程项目，主要要求较高的抗压强度，但是在公路工程路面用混凝土对其抗折强度要求较高，为保证混凝土路用性能，折压比是一项重要指标。相同养护条件下，影响水泥混凝土折压比的因素很多，主要有混凝土用粗集料粒径、砂率、用水量等[7]。机制砂还要考虑其压碎值，与天然河砂水泥混凝土相比，当机制砂的压碎指标值小于17%时，混凝土折压比更高，抗弯拉性能更强，具有更好的路用性能[8]。通过计算，得出不同聚灰比的水泥混凝土的折压比结果如图3所示。

图3 聚合物机制砂水泥混凝土的折压比

由图3可知，在机制砂水泥混凝土中加入一定量的聚丙烯酸酯乳液聚合物，其折压比明显提高，具体情况为:未掺聚合物的混凝土折压比为12.0%，当聚灰比P/C为0.05时，折压比为12.8%，相比提高了6.7%；当P/C为0.10时，折压比为14.4%，相比提高了20.0%；当P/C为0.15时，折压比为15.9%，相比提高了32.5%；当P/C为0.20时，折压比为17.4%，相比提高了45.0%。

说明了聚合物的加入，机制砂水泥混凝土的折压比明显提高，因为聚合物的加入改变了混凝土内部的结构，使混凝土的抗压强度有所降低，同时明显地提高了混凝土的抗折强度，使得折压比提高。

4 机理分析

聚合物乳液本身较为黏稠，具有降低混凝土用水量的效果，并有一定的润滑作用，改善机制砂混凝土的粘聚性和保水性。聚合物在搅拌过程中会产生气泡，一定的含气量可以改善混凝土的流动性，但是会降低混凝土的抗压强度，所以在掺入聚合物的同时应掺入一定量的消泡剂，通过试验，消泡剂掺入量为1.0%效果较好。

水泥混凝土是由不同粒径的各类材料相互填充，机制砂填充到碎石骨架空隙中，而水泥水化产物水泥石又填充到集料间的空隙中，形成一个近似密实结构。而混凝土的强度取决于水泥混凝土中水泥石和各种材料的内聚力、结构致密程度、界面结合力等，当混凝土在受压的情况下内部的裂隙扩展直致连通，最终导致混凝土结构破坏。通过掺入聚合物，形成的聚合物膜交织在与水泥水化产物和集料中，且聚合物乳液会渗入到水泥石中的微裂隙和混凝土各种材料的间隙中，浸润和渗透水泥水化产物从而形成了致密的立体网架结构，有效地改善水泥混凝土的力学性能[9-10]，同时黏性高的柔性聚合物膜可以填补混凝土内部各类材料间的裂缝与空洞，并在各种刚性材料间形成弹性缓冲带，吸收动载能量，缓冲弯拉集中应力对混凝土的破坏，从而改善混凝土抗折强度和折压比[11-13]。

5 结束语

机制砂和聚合物在水泥混凝土中的特性互补和成本均衡，且聚丙烯酸酯乳液水泥砂浆技术已经比较成熟，市场上也有很多成品，所以通过加入聚合物来改善机制砂水泥混凝土有广泛的应用前景。通过对聚合物机制砂水泥混凝土工作性能和力学性能的研究，主要得到以下结论:

(1)通过加入一定量的聚丙烯酸酯乳液聚合物能够有效弥补机制砂混凝土泌水、离析、粘聚性较差的缺点，改善混凝土和易性。

(2)聚合物的加入在搅拌过程中会产生气泡，混凝土的含气量增加，改善了新拌水泥混凝土流动性的同时会降低混凝土的强度，在加入聚合物时，同时要加入一定量的消泡剂。

(3)通过检测不同聚灰比下的混凝土抗压强度和抗折强度，并计算分析折压比，权衡聚合物对混凝土的抗压强度和抗折强度的影响，得出在聚灰比为0.10时，混凝土路用性能最佳，推荐聚合物最佳掺量为水泥用量的10%。

(4)由于成本原因，目前聚合物机制砂水泥混凝土的应用还不是太广，对于抗折强度和折压比要求高的路面用混凝土，值得推广使用，尤其是其黏性较强的特性，可以大量用于坡面防水混凝土和路面混凝土的修补。