聚合物改性高韧性水泥基复合材料混凝土路面抗老化性能试验研究

朱建华，郭 斐

（金昌水泥（集团）有限公司，甘肃 金昌 737000）

0 引 言

由于公路工程的快速发展，其质量问题越来越受到人们的重视[1]。因长期暴露在自然界中，特别是在北方地区，混凝土材料极容易产生热疲劳、冷收缩等损伤，造成混凝土材料的长期使用效果恶化，对道路使用年限产生重大影响[2]。混凝土路面的耐久性与其抗老化性能之间有着紧密的关系，伴随着化学聚合物的不断发展，各种用途和材质的抗老化剂不断涌现出来，在公路混凝土路面中加入防紫外线的抗老化剂是当前改善公路抗老化性能的重要方法[3]。选用适当的抗老化剂对提高混凝土路面的抗老化性能和服役年限具有重要的功效。

周建伟等人[4]以环氧乳液和乳胶粉为主要原料，制备了聚合物改性水泥基复合材料，在200℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃等不同温度下，对其物理机械性质的变化分析。研究发现，加入高分子后，样品的体积稳定性能得到了提高，且在800 ℃以上的温度下，不会出现破裂现象。在常温冷却下，高分子改性后的材料剩余强度峰值所需的温度从400 ℃下降到200 ℃，而在水冷降温下，其剩余强度则继续下降，800 ℃时，高分子改性后的样品在水冷降温时发生破裂。彭博等人[5]以废旧橡胶粉末改性沥青为原料，通过添加不同量的ZnO、SiO2和TiO2作为复合添加剂，研究其对沥青抗老化性能的作用机制。实验表明，加入无机纳米颗粒后，改性沥青的抗老化性得到了明显的提高，当加入2%的纳米氧化钛时，改性沥青的抗老化性能得到了很大的提高。在经过光氧老化后，残余针入度较改性前提高了13.2%，软化点增量下降了60.7%。通过引入无机纳米颗粒，改善其对紫外线的吸收率，并通过对其内部光谱特征调整，以改善其黏弹性和耐热性，进而改善其抗老化性。基于以上方法，设计混凝土路面抗老化性能试验。

1 实验设计

1.1 实验材料

为了测试混凝土路面的抗老化性能，聚合物改进材料[6]选用南方化工厂生产的醋酸乙烯- 乙烯乳液（VAE），如表1 所示。

表1 聚合物改进材料的性能指标Table 1 The performance indexes of polymer improvement materials

选用南方水泥厂生产的硅酸盐水泥和HY-3硫铝酸盐水泥作为高韧性水泥基材料[7]，水泥性能指标如表2 所示。

表2 水泥性能指标Table 2 The performance indexes of cement

实验过程中使用的水均来自生活用水。

1.2 实验仪器

水泥砂浆搅拌机（UJZ-15），昆山市玉山镇文荣贸易商行；电子天平（FA-HM），常州万泰天平仪器有限公司；抗压强度试验机（SYE-2500），广东中野精科仪器设备有限公司；抗折强度试验机（PWS-50），河北晟兴仪器设备有限公司；三联实验模具（50mm×50mm×150mm），沧州名信试验仪器有限公司；养护箱（SHBY-50B），沧州建盛试验仪器有限公司；剪切流变仪（DSR）天津市港源试验仪器厂。

1.3 制备水泥基复合材料

为了提高水泥基材料的韧性，利用纤维增强聚合物对水泥基材料的改性。由于纤维的分散会影响水泥基材料的性能[8]，所以，在制备时，需要在水泥中加入纤维，经过搅拌之后，加入聚合物和水[9]，水泥基复合材料的制作流程如图1 所示。

图1 水泥基复合材料混凝土试件制作流程Fig. 1 The production process of cement-based composite concrete sample

称取一定量的水泥基复合材料，通过加热熔融[10]，在恒定温度下搅拌。分别将0%、0.3%、0.6%和0.9%的聚合物加入到水泥基复合材料中搅拌半小时[11]。将一定量的水泥基复合材料装入培养皿中[12]，在75℃的恒温干燥箱中放置一段时间[13]，形成混凝土路面试件。将试件放入紫外光老化箱内，在表3 条件下对其进行紫外光辐射[14]。

表3 紫外光辐射条件设置Table 3 The UV radiation condition settings

1.4 性能测试

在不同的测试频率和温度条件下，对聚合物改性高韧性水泥基复合材料建造的混凝土路面抗老化性能测试。在剪切流变实验过程中，将应变控制条件设置如表4 所示：

表4 应变控制条件Table 4 The strain control conditions

在以上条件下，对混凝土路面测试，记录老化前后的各项性能指标，并按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》标准，设定温度为10~90℃，分析路面的相位角和抗车辙因子。

2 结果分析

2.1 高韧性测试

高韧性是指材料在受到外力作用时，能够在不断变形的过程中仍然保持较高的强度和韧性。为了评估聚合物改性高韧性水泥基复合材料混凝土的高韧性，采用抗拉强度作为测试指标，高韧性测试如图2 所示。

图2 聚合物改性高韧性水泥基复合材料混凝土的高韧性测试Fig. 2 The high toughness test of polymer modified cementbased composite concrete

根据图2 结果可知，随着纤维掺量的增加，水泥的抗拉强度越高和残余抗拉强度不断上涨。当纤维掺量为0.20%时，水泥的抗拉强度达到最大值，为300kPa。然而，当纤维掺量继续增加时，抗拉强度的增长趋势逐渐平缓。综合来看，通过适量的纤维掺量，可以显著提高聚合物改性高韧性水泥基复合材料混凝土的高韧性，其中0.20%的纤维掺量表现出最佳的高韧性。

2.2 聚合物对混凝土路面相位角的影响

相位角是衡量混凝土路面弹塑性的重要指标，相位角越小，混凝土路面的弹性越大，在外力的作用下，不容易发生永久变形[15]，不同聚合物含量和温度对相位角的影响情况如表5 所示。

表5 不同聚合物含量和温度对相位角的影响Table 5 The effects of different polymer contents and temperature on the phase angle

根据表5 可知，在老化前，当聚合物的含量为0.3%时，混凝土路面的相位角最小，当聚合物的含量为0%时，混凝土路面的相位角最大。在不同的聚合物含量下，当温度为70℃时，混凝土路面的相位角最大。对于老化之后的混凝土路面而言，当聚合物的含量为0.6%时，50℃其相位角最大，当90℃、聚合物的含量为0.9%时，相位角最小；随着温度的升高，对于老化之后的混凝土路面而言，其相位角逐渐减小。综合来看，根据表5 的结果，适量的聚合物添加可以提高混凝土路面的弹性，减少永久变形的可能性。在老化前，随着聚合物含量的增加，相位角逐渐减小。在老化后，虽然不同聚合物含量和温度对相位角的影响稍有差异，但总体趋势是在适量聚合物含量下，随着温度的升高相位角逐渐减小。因此，在设计和施工混凝土路面时，应考虑适量的聚合物添加以提高其弹性性能。

2.3 聚合物对混凝土路面抗车辙因子的影响

抗车辙因子是指路面在车轮荷载下产生的沉降与车轮宽度之比，也称为车辙深度系数，其数值越大表示路面在车轮荷载下的变形和沉降越小，具有更好的抗变形能力，该指标用于评估混凝土路面的耐久性和稳定性。在不同含量的聚合物下，混凝土路面的抗车辙因子变化幅度如图3 所示。

图3 混凝土路面的抗车辙因子变化幅度Fig. 3 The change range of anti-rutting factor of concrete pavement

图3 的结果中，对于老化前的混凝土路面，随着聚合物含量的增加，抗车辙因子呈现出增大- 减小的趋势，当聚合物的含量为0.3%时，抗车辙因子最大，对混凝土路面高温性能的改善效果最好，当聚合物的含量为0.6%和0.9%时，混凝土路面的高温性能改善效果次之，当聚合物的含量为0%时，混凝土路面的高温性能改善效果最差。对于聚合物改性后的混凝土而言，随着温度的升高，聚合物对混凝土路面高温性能的改善效果呈现先增加后减小的趋势。当80℃、聚合物的含量为0.9%时，对混凝土路面高温性能的改善效果最好。

2.4 聚合物对混凝土路面复合剪切模量的影响

复合剪切模量是指路面在剪切荷载下的应变与应力之比，其能够描述路面复合剪切性能，根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》判定其性能。混凝土路面复合剪切模量如图4所示。

图4 混凝土路面复合剪切模量Fig. 4 The composite shear modulus of concrete pavement

根据图4 的结果，可以看出对于老化前的混凝土路面，0.6%的含量将对路面复合剪切模量造成影响最大，而聚合物含量为0%时，对混凝土路面复合剪切模量的影响最小。路面老化后，0.6%的含量对路面复合剪切模量造成影响最大，0.9%的含量造成的影响最小。从图中可以看出，当温度不断上涨，路面在老化前后的复合剪切模量也随之降低。由此说明，温度也是影响路面复合剪切模量的重要指标。

2.5 聚合物对混凝土路面疲劳因子的影响

疲劳因子是指路面在往复荷载下的应力幅值与应力循环次数之比，其能够描述路面抗疲劳特性，根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，对其结果判定测试。混凝土路面疲劳因子的变化情况如图5 所示。

图5 混凝土路面疲劳因子的变化情况Fig. 5 The change in fatigue factor of concrete pavement

从图5 的结果可以看出，老化前的混凝土路面随着聚合物含量的增加，混凝土路面的疲劳因子也增大。特别是当聚合物含量达到0.6%和0.9%时，对混凝土路面疲劳性能的影响最为显著。这表明在一定范围内，适当增加聚合物含量可以提高混凝土路面的抗疲劳能力。老化后的混凝土路面在聚合物含量为0.3%时，聚合物对混凝土路面疲劳性能的影响达到最大。这表明适量添加聚合物可以提升老化后混凝土路面的抗疲劳性能。此外，温度对混凝土路面的疲劳性能也产生了影响。在老化前的混凝土路面中，随着温度的上升和聚合物含量的增加，聚合物对疲劳性能的改善效果逐渐降低。然而，在老化后的混凝土路面中，随着温度的升高，聚合物对疲劳性能的改善效果呈现先增加后减小的趋势。因此，温度对于聚合物路面疲劳性能的影响具有一定的复杂性。

2.6 聚合物对混凝土路面延度的影响

延度是指路面在荷载下产生的变形与荷载之比，该指标可以反映路面的变形能力，用于评估路面的稳定性和平整度。在不同含量的聚合物下，混凝土路面在15℃时的延度如图6 所示。

图6 混凝土路面在15℃时的延度Fig. 6 The ductility of concrete pavement at 15℃

图6 的结果显示，随着聚合物含量的增加，无论是老化前还是老化后，混凝土路面的延度都呈逐渐增大的趋势。而且，在老化后的情况下，相同聚合物含量下的延度值通常比老化前高。这是因为添加聚合物可以改善混凝土的柔韧性和变形能力。聚合物在混凝土中会形成柔韧的胶体结构，使得路面在承受荷载时具有更好的变形能力，进而提高了延度。

3 结 论

为了提高混凝土路面的抗老化性能，提出了聚合物改性高韧性水泥基复合材料混凝土路面抗老化性能试验研究，试验结果如下：

（1）随着聚合物含量的增加，老化后混凝土路面相位角逐渐下降，抗车辙因子和复合剪切模量呈现出增大- 减小的趋势，混凝土路面的疲劳强度和延度逐渐下降。

（2）当温度不断上涨，对于老化后的路面，其相位角将不断变小，聚合物对混凝土路面高温性能的改善效果越来越差，导致复合剪切模量也不断降低。

（3）随着温度的升高，聚合物对老化后混凝土路面疲劳性能的提高效果逐渐上升。

本研究虽然取得一定成果，但是由于实验条件有限，还存在很多不足，后续的研究中，将引入其他类型聚合物，对高韧性水泥基复合材料进行改性，从而不断提高混凝土路面的抗老化性能。