非承载阶段聚合物改性混凝土的抗裂性能试验研究

Tafadzwa Nyereyemhuka，王伯昕，路欣雨，额木格图

（吉林大学 建设工程学院，吉林 长春 130061）

0 引言

普通硅酸盐水泥混凝土（OPCC）具有抗压强度高，易成型，耐火性、耐磨性、耐腐蚀性、稳定性好等特点[1-5]，但在非承载阶段普通混凝土的抗塑性开裂性能较差，且环境条件（如温度、湿度、风速等）对OPCC 的塑性开裂影响很大。为改善上述缺点，在普通硅酸盐水泥混凝土中掺入聚合物形成聚合物改性混凝土（PMC），可有效提高混凝土在非承载阶段的抗裂性能[6-8]。本文分别采用丁苯橡胶胶乳（SBR）和聚丙烯酸酯乳液（PAE）作为聚合物改性材料，通过试验研究了2种聚合物提高混凝土基体抗裂性的效果，并从细观结构角度解释了阻裂机理，给出了2种聚合物的最优掺量，为聚合物改性混凝土的实际使用提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：长春亚泰P·O42.5 水泥，主要技术性能见表1；砂：河砂，中砂，细度模数2.4～3.0，平均粒径0.35～0.50 mm，筛分曲线见图1；石：石灰岩碎石，粒径4.75～16 mm，筛分曲线见图1；水：纯净水；丁苯橡胶乳胶（SBR）、聚丙烯酸酯乳液（PAE）：主要技术性能见表2；消泡剂：Dili-828m，无色。

表1 水泥的主要技术性能

图1 集料的筛分曲线

表2 2种聚合物的主要技术性能

1.2 试件制备

试件采用美国材料试验协会ASTM C1579 推荐的板式试件[9]，尺寸为560 mm×350 mm×100 mm，见图2。由于PMC 的流动性较高，为避免分层现象，振动时间不超过10 s。振动后用刮刀将混凝土表面抹平；随后送到环境箱进行开裂试验。共制作14 个试件，混凝土具体配合比见表3。由于混凝土中加入聚合物会导致气体含量增加[10]，不利于混凝土的抗开裂性能，掺入占聚合物固体质量10%的消泡剂来改善这一情况。

图2 板式试件

表3 聚合物混凝土的配合比

1.3 试验方法

本研究利用环境箱（见图3）进行试验，使试件始终处于ASTM C1579 规定的环境条件[温度（36±3）℃，相对湿度（30±10）%，风速4.5 m/s]。通过放入蒸发盘在环境箱内确保蒸发速率不小于1 kg/（m2·h）（见表4）。然后，将制备完成的试件直接放置环境箱进行开裂试验。由于空间限制，每次只能测试1 个试件，首先将混凝土试件在上述条件下放置6 h，然后关掉风扇和加热器，关闭系统18 h 后进行裂缝测量，总测试时间为24 h。每组取2 个试件测试裂缝条数、长度和宽度（精确到0.01 mm）。

图3 抗裂试验的环境箱

表4 各组试件的实测环境参数

2 试验结果分析

不同聚合物种类和掺量下混凝土试件的裂缝照片如图4所示。

图4 不同聚合物种类和掺量下混凝土试件的裂缝照片

2.1 聚合物对PMC 裂缝宽度的影响（见表5）

表5 聚合物对PMC 裂缝宽度的影响

由表5 可见：随着SBR 掺量从0 增加到15%，PMC的最大裂缝宽度和平均裂缝宽度均先减小后增大，当SBR 掺量为10%时，最大裂缝宽度和平均裂缝宽度最小。随着PAE 掺量从0 增加到15%，PMC的最大裂缝宽度和平均裂缝宽度均逐渐减小。试验表明，当聚合物掺量为5%时，2种聚合物均不能显著减小混凝土试件的最大裂缝宽度和平均裂缝宽度；但随着聚合物掺量增加到10%时，最大裂缝宽度和平均裂缝宽度均显著减小，这说明聚合物掺入混凝土后提高了混凝土基体的抗裂性。且聚合物掺量为5%和10%时，相比于PAE 改性混凝土，SBR 改性混凝土的抗裂性更优；但随着聚合物掺量增加到15%，PAE 改性混凝土的抗裂性优于SBR 改性混凝土。根据Aggarwal 等[5]的研究，聚合物混凝土具有抗裂的潜力。试验表明，虽然SBR 和PAE 对混凝土抗裂性有提升作用，但较低掺量下（0～5%）对抗裂性提升效果有限，对混凝基础设施而言，2 mm 的裂缝宽度仍大于施工要求，因此混凝土中掺入少量的聚合物不会带来显著的抗裂效果。

2.2 聚合物对PMC 减裂比的影响

减裂比（CRR）是评价混凝土抗裂性的参数之一，CRR 越高表明混凝土的抗裂性越强。CRR 按式（1）计算，结果如表6所示。

表6 不同聚合种类和物掺量下混凝土的减裂比CRR

由表6 可知，掺加聚合物可增大混凝土的减裂比，提高PMC 的抗裂性，最佳聚合物掺量为10%～15%。本试验中SBR改性混凝土和PAE 改性混凝土的最大减裂比分别为90%和84%，对试验数据进行拉格朗日差值运算：

经计算得到SBR 的最佳掺量为12.5%，PAE 的最佳掺量为13.25%。

2.3 裂缝条数及裂缝分布（见表7）

表7 不同聚合物种类和掺量下裂缝条数及裂缝分布规律

由表7 和图4 可见，在聚合物掺量较低时，裂缝主要沿着模具下部尖端突起发展，但随着聚合物掺量的增加，裂缝的产生和发展不再遵循这个规律，具体表现为裂缝发展不再集中于尖端突起部分，试件表面裂缝分布范围扩大。SBR 和PAE改性混凝土的抗裂性不服从正态分布，尤其是PAE 改性混凝土的随机性、模糊性很明显。

2.4 聚合物对PMC 微观结构的影响

各组试件的SEM 照片如图5所示。

由图5 可见，聚合物和混凝土相互结合形成一个整体结构，这反映二者的协同作用，使得混凝土基体更加密实。未掺聚合物的OPCC 中存在较宽（最高5 μm 左右）较多的微裂缝；而SBR5 和SBR10 具有更致密的微观结构，表明适当增加SBR掺量能明显提高混凝土的抗裂性；PAE5 与OPCC 的微观结构相似。对比SBR 与PAE 掺量为10%和15%的改性混凝土SEM照片可见，PAE 改性混凝土具有更致密的硬化结晶形貌。

图5 SBR 和PAE 改性混凝土的SEM 照片

3 结论

（1）随着SBR 掺量从0 增加到15%，PMC的最大裂缝宽度和平均裂缝宽度均先减小后增大，当SBR 掺量为10%时，最大裂缝宽度和平均裂缝宽度最小，减裂比最大，为90%。

（2）随着PAE 掺量从0 增加到15%，PMC的最大裂缝宽度和平均裂缝宽度均逐渐减小。当PAE 掺量为15%时，减裂比最大，为84%。

（3）混凝土中掺加适量的SBR 或PAE 均能显著提高基体的抗塑性开裂性，降低基体的开裂几率，可用于混凝土在非承载阶段的裂缝控制。