高分子聚合物掺量对多孔混凝土性能的影响试验研究

黄远亮

(广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530200)

0 引言

中共中央国务院印发的《国家综合立体交通网规划纲要》中明确指出:“到2035年,国家综合立体交通网实体线网总规模合计70万km左右,其中公路46万km左右”,并强调促进交通基础设施建设的“绿色低碳发展”[1]。随着我国交通基础设施建设的跨越式发展,由粗骨料、水、水泥、外加剂等原材料组成的多孔混凝土,在保证一定力学性能的情况下凭借其空隙率大、透水性好等特点,被应用于生态护坡等交通工程建设中。但随着多孔混凝土应用场景的扩大,多孔混凝土韧性不足、抗变形能力差的缺点逐渐突显。近年来,学者们利用高分子聚合物作为改性材料,制备改性多孔混凝土,以期在保证多孔混凝土强度、透水等优势的情况下研究对其性能的改善:刘燕等[2]通过疲劳测试,得到PPC-27.5在各种应力及应变水平下的疲劳寿命,并通过分析发现多孔混凝土材料的疲劳性能优于常用半刚性基层材料;付涛等[3]通过添加有机高分子聚合物,制备多孔聚合物水泥混凝土并开展力学性能试验,提出了抗压强度的变化规律;宋东方等[4]利用聚合物分别改性水泥砂浆和多孔改性混凝土,在测试强度和韧性的基础上,为工程应用提供参考。

尽管关于聚合物改性多孔混凝土已有一定研究,但由于我国交通建设受到地域、环境、施工等各方面因素影响,多孔混凝土在应用于不同场景时性能差异大、病害类型广,作为交通强国建设试点的广西地区,亟须开发一种适应于广西建设需要的多孔混凝土,使其在兼具多孔混凝土结构强度的同时保证其在应用过程中的韧性和抗冲刷性。所以,本文在充分借鉴前人经验的基础上,从多孔混凝土应用场景出发,以高分子聚合物乳液为改性材料,按照水泥质量的不同比例掺入多孔混凝土,制备不同高分子聚合物掺入量的聚合物改性多孔混凝土试件,通过开展聚合物改性多孔混凝土力学强度试验和透水性能试验,确定最佳聚合物掺量,以期研发适应于广西交通建设需求的多孔混凝土,为后续工程应用提供切实依据。

1 试验

1.1 试验材料

在多孔混凝土中加入不同掺量的高分子聚合物,制备高分子改性多孔混凝土试件,其主要原材料包含高分子聚合物乳液、水泥、粗集料、水、外加剂等。高分子聚合物乳液采用自制聚合物乳液,其主要性能见表1;水泥采用广西某水泥厂生产的P·O普通硅酸盐水泥,其各项指标均满足《硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥》(GB175—2007)相关技术标准;粗集料取自广西河池地区,粒径范围为4.75～13.2 mm,具体性能指标如表2所示;试验拌和用水为饮用水,单方用量为100 kg/m3范围内;外加剂主要为15%的减水剂。

表1 高分子聚合物乳液技术指标表

表2 粗集料性能指标表

1.2 试验方法

1.2.1 试件制作方法

制作多孔混凝土试件时,按照0、2%、4%、6%、8%的水泥质量掺入高分子聚合物乳液,水灰比为0.35,水泥用量为380 kg/m3,设计目标空隙率为15%,试验方案如表3所示。按照图1所示流程拌和混合料,拌和后按规范条件和测试试验要求成型试件并在标准条件下养护。

图1 混合料搅拌流程图

表3 高分子聚合物改性多孔混凝土试验方案表

1.2.2 测试方法

力学强度试验:力学强度主要保证高分子聚合物多孔混凝土在工况下的力学性能,包括抗压强度和抗折强度。力学试验试件采用振动成型方式成型,抗压强度试件的受压面尺寸为150 mm×150 mm,抗折强度试件尺寸为150 mm×150 mm×550 mm;试验时利用万能材料试验机测试抗压强度和抗折强度,以此表征高分子聚合物改性多孔混凝土的力学性能。

透水能力试验:高分子聚合物改性多孔混凝土的透水能力由孔隙率和渗透性综合反映。孔隙率是反映多孔混凝土特征的重要指标参数,其指标数值是多孔混凝土抗冲刷和保证透水能力的基础。孔隙率的测试需要测量出试件的体积V,并称量出试件在浸水状态下的质量M1和干状态时的质量M2,按照式(1)可计算得到;试件的渗透性通过计算得到的透水系数表征,透水系数根据经验[5]以式(2)计算取得透水系数K,其中在一段时间T内渗出水量为Q,L和F为试件高度和试件受压面积,H为水位的变化。

(1)

(2)

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

测试高分子聚合物改性多孔混凝土试件抗压强度,可以明确结构物在服役期间是否会受压而导致伤损病害。测试结果如图2所示,高分子聚合物的掺入,不会致使改性多孔混凝土抗压强度的降低;随着高分子聚合物掺量的增加,改性多孔混凝土28 d抗压强度受到影响,抗压强度变化趋势为先升高后降低;当高分子聚合物掺量分别为0、2%、4%、6%、8%时,改性多孔混凝土试件的抗压强度为21.17 MPa、24.72 MPa、24.79 MPa、23.99 MPa、21.21 MPa,增长幅度分别为16.7%、17.1%、13.3%和0.1%,增长幅度峰值出现在高分子聚合物掺量为2%～4%附近,随后随着掺量的增大时间抗压强度逐渐减小。可见,当高分子聚合物掺入量在2%～4%时,改性多孔混凝土的抗压强度提高最为明显。

图2 改性多孔混凝土28 d抗压强度变化曲线图

2.2 抗折强度

多孔混凝土的抗折强度直接关系到其作为加固、承力结构物时的韧性,是多孔混凝土应用于不同场景时发生病害的主要原因之一,高分子聚合物改性改性多孔混凝土抗折强度测试是高分子聚合物能否弥补对多孔混凝土劣势的关键。抗折强度测试结果如图3所示,可以看出,随着高分子聚合物的掺入,改性多孔混凝土抗折强度会升高;进一步地,随着高分子聚合物掺量从0增加至8%过程中,改性多孔混凝土28 d抗折强度呈现先升高后降低的总体趋势,在2%和4%掺量时试件抗折强度分别为5.20 MPa和5.18 MPa,与抗压强度的峰值位置相似;随后随着高分子聚合物掺量的增大,试件抗折强度逐渐降低,所以高分子聚合物掺入量在2%～4%时,改性多孔混凝土的抗折强度最佳。值得一提的是,8%高分子聚合物掺量下抗折强度与0掺量时相比,试件的抗压强度分别为3.75 MPa和3.97 MPa,其抗折强度增长了6%,说明高分子聚合物的掺入对多孔混凝土的抗折强度有不同程度的提升。

图3 改性多孔混凝土28 d抗折强度变化曲线图

2.3 孔隙率

孔隙率是决定多孔混凝土在多雨环境下抗冲刷性的指标之一,将试件按照测试方法依次测试孔隙率,结果如图4所示:高分子聚合物掺入量分别为2%、4%、6%、8%时,改性多孔混凝土试件的孔隙率分别为14.95%、14.75%、14.85%、14.79%、14.80%,相较0掺入量,分别降低了1.34%、0.67%、1.07%和1.00%;可以看出,掺入不同掺量的高分子聚合物,改性多孔混凝土实测孔隙率均低于0掺量时的实测孔隙率,但其孔隙率数值徘徊在其附近,说明高分子聚合物乳液的掺入,对多孔混凝土孔隙率有一定的不利影响,但影响不显著。

图4 改性多孔混凝土孔隙率变化曲线图

2.4 透水系数

多孔混凝土之所以被应用于海绵城市道路路面、边坡治理等工程中,主要源于其优良的透水性。透水系数作为表征透水性的核心技术指标,在掺入高分子聚合物以优化多孔混凝土力学性能的同时往往需要保证透水系数满足要求。通过透水仪测定与计算,透水系数随高分子聚合物掺量的变化曲线如图5所示。观察图5可知,高分子聚合物改性多孔混凝土试件的透水系数随着聚合物掺量的增加而降低,呈现先平稳后进一步降低的趋势;在聚合物掺量为0时透水系数为1.75 mm/s,随着聚合物掺量逐步增加,透水系数降低百分数分别为2.9%、3.5%、6.3%、8.6%;在高分子聚合物掺量为2%～4%之间降低比例相对平稳,在掺量为6%以后,降低幅度大幅增加,但整体均保持在10%以内。可见,为保证多孔混凝土的透水性,高分子聚合物乳液的掺入量不宜过大。

图5 改性多孔混凝土透水系数变化曲线图

2.5 机理分析

深层分析改性多孔混凝土力学强度和透水性试验结果可知,当高分子聚合物乳液的掺入量在2%～4%时,多孔混凝土的力学强度有一定的改善作用,这是由于高分子聚合物乳液增加了集料和泥浆的粘结效果,使多孔混凝土力学强度得到增强,但调节和优化粗骨料表面接触对透水率起反作用,设计时不宜掺入过多;起粘结作用的高分子聚合物乳液的掺入量对多孔混凝土的孔隙率没有明显影响,孔隙率与孔隙的大小和数量有关,这也证明了其他学者在多孔混凝土水灰比方面的研究。

3 结语

为研究高分子聚合物掺量对多孔混凝土力学强度和透水性能的影响,本文按照0、2%、4%、6%、8%的水泥质量在多孔混凝土中加入高分子聚合物乳液,以15%孔隙率为目标孔隙率、0.35为试验水灰比,分别制备改性多孔混凝土试件,将试件按照标准流程进行力学强度测试和透水性测试,为今后多孔混凝土在广西多场景的应用提供依据。测试结果表明:

(1)高分子聚合物的掺入对多孔混凝土的抗压强度和抗折强度有不同程度的提升,随着高分子聚合物掺量的增加,改性多孔混凝土28 d抗压强度和抗折强度呈现先升高后降低的趋势,当高分子聚合物掺量在2%～4%时,抗压强度和抗折强度出现峰值,分别为24.79 MPa和5.20 MPa。

(2)高分子聚合物的掺入对多孔混凝土的透水性不利,但孔隙率变化幅度不大、透水系数在一定掺入量范围内降低不明显,随着高分子聚合物掺量的增加,多孔混凝土的孔隙率降低幅度在1%附近波动,而当高分子聚合物掺量在2%～4%时,透水系数的降低幅度在10%以内,因此掺入2%～4%的高分子聚合物为宜。

(3)高分子聚合物乳液增加了集料和泥浆的粘结效果,使多孔混凝土力学强度得到增强,但调节和优化粗骨料表面接触对透水性起反作用,设计时不宜掺入过多。