SBR乳液對道路水泥混凝土抗凍性影響研究

劉志平

(山西省公路局長治分局，山西長治 046000)

眾所周知，水泥路面和瀝青路面相比，水泥路面的一個重要缺點是其抗凍性能不佳，在我國北方地區修筑的水泥路面在低溫環境下會出現很多裂縫(主要為橫向裂縫)，這些裂縫對路面的使用性能具有極大的不利影響，隨著裂縫的增加，路面會出現一系列病害，服務能力下降加劇，最終不能正常滿足行車需要［1］。水泥路面的這一劣勢極大地限制了其應用范圍，為解決水泥路面抗凍性弱的難題，國內外開展了一系列的研究，本文從改善道路水泥混凝土的抗凍性出發，通過試驗，研究摻加SBR乳液對道路水泥混凝土抗凍性的影響，驗證這一措施是否能夠有效提高道路水泥混凝土的抗凍性能。

1 試驗設計

聚合物自身的一些性能是改善水泥穩定類材料力學性能的關鍵，在水泥材料基體中，這些聚合物起到了增塑、增韌、填孔、成膜及固化等作用，決定了復合材料的整體性能。改性劑的摻加方式有兩種，即外摻法和內摻法。所謂外摻法是水泥用量不變，另外摻加一定質量的改性劑。而內摻法是在總質量不變的前提下，用一定質量的改性劑替代部分水泥用量［2］。采取內摻法可以減少水泥用量節約資源。本文就采用內摻法，用聚灰比(SBR乳液與水泥質量之比，簡寫為P/C)來表示改性劑摻量。選取不同的聚灰比(即 P/C=0，0．05，0．1，0．15，0．2)，通過掃描電鏡試驗從微觀上研究SBR乳液摻量對于骨架孔隙結構水泥穩定碎石的影響，并采用凍融試驗測試水泥混凝土凍融循環后的質量損失和強度變化，進而評價SBR聚合物乳液對道路水泥混凝土抗凍性能的改善情況。

2 試驗結果及分析

2．1 掃描電鏡試驗結果及分析

掃描電子顯微鏡(SEM)是目前國內外常用的一種研究方法，利用它可以觀察到水泥穩定材料的微觀結構，了解聚合物水泥漿體的結構特點，掌握SBR乳液在復合材料中的形態，為研究SBR乳液對材料的改性作用提供了科學依據。分別以P/C=0和P/C=0．20的聚合物改性水泥砂漿為研究對象，利用SEM觀察水泥漿體的微觀結構，將兩種水泥漿體進行比較。SEM掃描標準水泥漿體和聚合物水泥微觀結構分別如圖1所示。

經過攪拌，SBR聚合物顆粒均勻分布在水泥穩定碎石中。隨著水泥的水化，自由水不斷地被水泥水化反應所消耗，乳液中的水分減少，其中的聚合物顆粒不斷融合聯接形成網狀體系，這與水泥漿體的形成同時進行［1］。這樣水泥漿體與網狀體系相互交織，形成了獨特的立體三維網絡，水泥漿體與網狀聚合物體系組成了空間的立體交叉結構，如圖2所示。這種有機、無機兩相間發生一定程度的關聯的結構就是所謂的聚合物水泥體互穿網絡結構［3，4］，從微觀上看，它的空隙率極低，能夠產生增強材料性能的復合效應，使結構具有更優的力學性能。因此，SBR乳液可提高水泥穩定材料的工作性，提高水泥穩定材料的粘結力，進而使水泥穩定材料的抗拉性能和抗裂性能得到大幅提升。

圖1 標準水泥漿體SEM圖（10 000倍）

圖2 聚合物水泥漿體SEM圖

2．2 凍融循環試驗結果及分析

以上是通過SEM電鏡試驗從微觀角度分析了SBR聚合物對水泥穩定材料改性的原理，下面就通過宏觀性能試驗的方法來探討SBR乳液的摻量對水泥穩定碎石材料抗凍性的影響。

以10%水泥用量的普通水泥為基準，再取不同的P/C(0．05，0．1，0．15，0．2)分別成型試件。按照規范［5］規定的方法進行試件養生，齡期為28 d。

2．2．1 質量損失試驗

基準混凝土試件和不同P/C的聚合物改性混凝土試件經過相同的凍融過程，測試凍融前后的質量損失，結果如表1所示。

從表1可以看出，5次凍融循環后，各組水泥穩定碎石試件的質量損失均滿足規范要求。

2．2．2 BDR 試驗

BDR是水泥混凝土試件在凍融前后強度的比值，即BDR=RDC/RC×100，它能夠從強度方面直觀的評價水泥混凝土試件的抗凍性能。摻加以上各組混凝土試件的BDR測試結果如圖3所示。

從圖3中可以得出如下結論:

1)混凝土的抗凍性能隨著SBR乳液摻量的增大而增大，在試驗范圍內，混凝土抗凍性與SBR乳液摻量成正比關系;

2)在本文試驗范圍內，隨著SBR乳液摻量的增大，抗凍性能的增速逐漸減小，抗凍系數增長速度逐漸變緩。

SBR對混凝土抗凍性能的影響機理是:一方面，隨著自由水被水泥水化所消耗，SBR聚合物顆粒填充了水泥穩定碎石的孔隙，這樣可以減少進入孔隙中的水量，減小凍融循環過程中液體的膨脹壓力;另一方面，聚合物水泥體互穿網絡結構的形成可以大大增強材料的抵抗內部液體膨脹壓力的能力，使結構的破壞程度降低。

表1 摻加SBR乳液的試件質量損失測試結果

圖3 BDR與P/C的關系

3 結語

1)SEM分析表明，在骨架孔隙結構水泥穩定碎石混合料中摻加SBR乳液和粉煤灰對于改善排水基層的性能具有重要意義。

2)由于SBR乳液本身具有良好的粘結性能，能夠與水泥漿體形成性能強大的聚合物水泥體互穿網絡結構，使得其水穩材料具有良好的抗凍性能。

3)試驗結果表明，摻加SBR乳液可以有效增強水泥混凝土的抗凍性能，增加道路水泥混凝土抵抗凍融循環的能力，能夠延長路面使用壽命。

［1］李祝龍，梁乃興．聚合物水泥混凝土斷裂的分形特征［J］．西安公路交通大學學報，2000，20(1):8-9．

［2］王新友，吳科如．聚合物水泥砂漿與混凝土粘結界面的斷裂性能研究［J］．混凝土與水泥制品，1995(1):3-5．

［3］玄東興，水中和，邱懷中，等．酸性聚合物堿化的砂漿性能和機理研究［J］．武漢理工大學學報，2003，25(12):23-25．

［4］萬惠文，周紹豪，任 峰．羧基丁苯對含橡膠粒的輕骨料混凝土改性研究［J］．武漢理工大學學報，2008，30(6):33-38．

［5］JTG E51-2009，公路工程無機結合料穩定材料試驗規程［S］．