聚合物乳液对自密实混凝土性能的影响

郑永杰 杨鲁，2 王浩 谭盐宾，2 李林香，2 齐婧 岳成军

1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所， 北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 高速铁路轨道系统全国重点实验室， 北京 100081

我国桥梁结构逐渐向大跨度方向发展，钢管混凝土拱桥凭借其结构优势应用越来越广泛［1-3］。作为混凝土与钢管的结合体，钢管混凝土兼有混凝土的高承载力和钢管的良好弹塑性［4］。大跨度钢管混凝土拱桥中钢管混凝土施工一般采用泵送顶升法，对混凝土工作性能要求极高。然而，原材料品质、环境温度波动、长距离运输等因素均会导致混凝土工作性能变差，严重时会造成钢管混凝土拱桥拱肋脱空，钢管的套箍作用得不到充分发挥，严重影响钢管混凝土拱桥的承载能力［5-9］。

按成因钢管混凝土拱桥拱肋脱空分为两类［10］，第一类是因混凝土收缩徐变，钢管与混凝土界面分离减弱了钢管的套箍作用；第二类是由于混凝土施工性能不佳，泵送不到位造成钢管混凝土拱桥拱顶充填不饱满。对于第一类脱空通常采用高分子修补材料注浆处理［11-12］。对于第二类脱空，因范围较大，采用高分子修补材料成本高，一般采用混凝土或砂浆材料。为了确保修补后钢管与混凝土协同工作良好，修补此类脱空的混凝土或砂浆不仅要达到较高抗压强度，还要具备较高的黏结强度，同时还对混凝土或砂浆工作性能、静态稳定性和体积稳定性要求较高。若以普通混凝土或砂浆作为修补材料，虽然可以达到大流态和高强度标准，但静态稳定性及体积稳定性差和黏结力不足，很难确保新老混凝土的黏结强度。即使有界面剂的存在，但因界面剂的时效性、局限性［13-14］以及缺陷处空间狭窄不易喷涂也很难保证黏结强度，容易出现因新老混凝土界面黏结不牢固管内混凝土再度损坏等质量问题。因此，本文以聚合物乳液改性自密实混凝土作为钢管混凝土拱桥拱肋大面积脱空缺陷的修补材料，研究单掺乙烯-醋酸乙烯共聚乳液（Ethylene‑vinyl acetate Copolymer Emulsion，EVA）、苯丙乳液（Styrene‑acrylic Emulsion，SAE）和丁苯乳液（Styrene‑butadiene Rubber Latex，SBR）对自密实混凝土工作性能、静态稳定性、力学性能和体积稳定性的影响，以期对钢管混凝土拱桥拱肋脱空缺陷的修补提供一种新的技术措施。

1 原材料及混凝土配合比

1.1 原材料

采用北京金隅集团股份有限公司生产的P·O 42.5水泥；采用山东华能威海发电有限责任公司生产的F类Ⅱ级粉煤灰，细度20.9%，需水量比99%，活性指数82%，烧失量3.5%；细骨料采用细度模数2.6，含泥量1.0%的天然河砂；粗骨料采用5 ～ 20 mm 连续级配碎石；减水剂为河北三楷深发科技股份有限公司生产的聚羧酸减水剂，减水率25%；增黏剂为中国铁道科学研究院集团有限公司生产的TZ‑SA 型增黏剂，黏度比165%，扩展度之差30 mm；聚合物乳液采用EVA乳液、SAE乳液和SBR乳液。聚合物乳液性能指标见表1。

表1 聚合物乳液性能指标

1.2 混凝土配合比

采用C55 自密实混凝土作为钢管内填充混凝土，研究EVA 乳液、SAE 乳液和SBR 乳液对自密实混凝土性能的影响。混凝土配合比见表2。其中：C‑JZ 为自密实混凝土基准组，C‑EVA、C‑SAE、C‑SBR 分别为单掺EVA 乳液、SAE 乳液、SBR 乳液的自密实混凝土对比组。

表2 混凝土配合比kg·m-3

2 试验方法

混凝土坍落扩展度、扩展时间（T500）、J环障碍高差和含气量按照Q/CR 596—2017《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土》测试，贯入度按照美国标准ASTM C1712—2017［15］测试。

混凝土抗压强度和黏结强度按照GB/ T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试，混凝土干燥收缩率按照GB/ T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试。

3 试验结果分析

3.1 工作性能

T500和J 环障碍高差均是自密实混凝土工作性能的重要指标。T500用于表征自密实混凝土的黏度，T500越长，自密实混凝土黏度越大。J 环障碍高差用于表征自密实混凝土的抗离析性能，J 环障碍高差越小，自密实混凝土抗离析性能越好。

单掺不同聚合物乳液的自密实混凝土T500和J 环障碍高差对比见表3。可知，自密实混凝土坍落扩展度和含气量相近时，单掺不同聚合物乳液后T500均增大，但J环障碍高差均减小，但三者不管是T500还是J环障碍高差都相差不多。这说明单掺三种聚合物乳液均可提高自密实混凝土的黏度和抗离析性能，但不同聚合物乳液的提升效果差别不大。

表3 单掺不同聚合物乳液的自密实混凝土T500和J环障碍高差对比

3.2 静态稳定性

贯入度（d）是评价自密实混凝土静态稳定性的重要指标之一。d≤10 mm 时自密实混凝土静态稳定性良好，10 mm ＜d＜ 25 mm 时自密实混凝土静态稳定性一般，d≥ 25 mm时自密实混凝土静态稳定性较差［15］。

单掺EVA、SAE、SBR 乳液后自密实混凝土d分别为7、8、7 mm。可知，与未掺时（d= 11 mm）相比，掺EVA、SAE、SBR 乳液后，d分别降低36.4%、27.3%和36.4%，但单掺三种聚合物乳液后自密实混凝土d差别不大。这说明单掺聚合物乳液可明显提升自密实混凝土静态稳定性。原因可能是，掺入聚合物乳液增加了自密实混凝土浆体的黏度，导致骨料与浆体间摩擦力明显增大，阻碍了骨料的下沉，提高了自密实混凝土中浆骨分布的均匀性。

3.3 力学性能

1）抗压强度

单掺不同聚合物乳液的自密实混凝土抗压强度随龄期变化曲线见图1。可知，单掺不同聚合物乳液的自密实混凝土抗压强度相差较大，其中单掺EVA 乳液虽然会一定程度降低自密实混凝土抗压强度，但降幅不大。与未掺时（抗压强度63.4 MPa）相比，56 d 龄期抗压强度（61.1 MPa）仅降低3.6%，仍能达到C55混凝土强度要求。然而，单掺SAE、SBR乳液均会明显降低自密实混凝土抗压强度。单掺SAE、SBR乳液后，自密实混凝土56 d 龄期抗压强度（53.9、50.9 MPa）比未掺时分别降低15.0%和19.7%，且抗压强度均不足55 MPa。这是因为混凝土中掺入聚合物乳液后，聚合物颗粒逐渐成膜，并分布于水泥颗粒表面，减缓了水泥水化进程［16］，会一定程度降低混凝土抗压强度，但由于三种聚合物乳液的分子结构不同，所以单掺三种聚合物乳液后自密实混凝土抗压强度降低的幅度不同。

图1 单掺不同聚合物乳液的混凝土抗压强度随龄期变化曲线

2）黏结强度

单掺不同聚合物乳液的自密实混凝土黏结强度对比见表4。可知，单掺三种聚合物乳液后自密实混凝土黏结强度均大幅提高。28 d 龄期时，与未掺时相比，单掺EVA、SAE、SBR 乳液后自密实混凝土黏结强度分别增长69.0%、73.8%、69.7%，均满足Q/CR 659—2018《高速铁路混凝土结构用修补砂浆》中28 d龄期黏结强度不小于2.0 MPa 的要求。与28 d龄期相比，56 d 龄期四种自密实混凝土黏结强度均略有增长。

表4 单掺不同聚合物乳液的自密实混凝土黏结强度对比

3.4 体积稳定性

干燥收缩率用于表征自密实混凝土的体积稳定性。干燥收缩率越小，自密实混凝土体积稳定性越好。

单掺不同聚合物乳液的自密实混凝土干燥收缩率随龄期变化曲线见图2。可知，单掺三种聚合物乳液后自密实混凝土干燥收缩率均会降低，尤其是7 d龄期前降幅明显。7 d 龄期时掺入EVA、SAE、SBR 乳液后，自密实混凝土干燥收缩率分别为2.69 × 10-4、2.63 × 10-4、2.53 × 10-4，比未掺（2.86 × 10-4）时分别降低5.9%、8.0%、11.5%。56 d龄期时掺入EVA、SAE、SBR乳液后，自密实混凝土干燥收缩率分别为3.78 × 10-4、3.72 × 10-4、3.70 × 10-4，比未掺（3.88 × 10-4）时分别降低2.6%、4.1%、4.6%。原因可能是单掺聚合物乳液后，聚合物薄膜不仅减缓了水泥水化进程，而且阻止了自由水的散失，同时聚合物薄膜穿插于水泥颗粒与水化产物之间，与水化产物相互交织，填充了混凝土内一部分大孔和有害孔［17］，抑制了自密实混凝土的干燥收缩。

图2 单掺不同聚合物乳液的自密实混凝土干燥收缩率随龄期变化曲线

4 结论

1）单掺三种聚合物乳液后，自密实混凝土T500均增大，J 环障碍高差、贯入度和干燥收缩率均减小，黏结强度明显提高，但掺入聚合物乳液会降低抗压强度，其中单掺SAE、SBR乳液后自密实混凝土抗压强度达不到C55混凝土强度要求。

2）与不掺聚合物乳液时相比，单掺EVA 乳液后自密实混凝土28 d 龄期黏结强度大于2.0 MPa，满足Q/CR 659—2018 要求，自密实混凝土贯入度降低36.4%，56 d 干燥收缩率降低2.6%，自密实混凝土静态稳定性和体积稳定性均明显提高，且其抗压强度满足设计要求。因此，单掺EVA 乳液的自密实混凝土可用于钢管混凝土拱桥拱肋脱空修补。