SBR乳液對(duì)道路水泥混凝土抗凍性影響研究

劉志平

(山西省公路局長(zhǎng)治分局，山西長(zhǎng)治 046000)

眾所周知，水泥路面和瀝青路面相比，水泥路面的一個(gè)重要缺點(diǎn)是其抗凍性能不佳，在我國(guó)北方地區(qū)修筑的水泥路面在低溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)很多裂縫(主要為橫向裂縫)，這些裂縫對(duì)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(huì)出現(xiàn)一系列病害，服務(wù)能力下降加劇，最終不能正常滿(mǎn)足行車(chē)需要［1］。水泥路面的這一劣勢(shì)極大地限制了其應(yīng)用范圍，為解決水泥路面抗凍性弱的難題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)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(fā)，通過(guò)試驗(yàn)，研究摻加SBR乳液對(duì)道路水泥混凝土抗凍性的影響，驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)

聚合物自身的一些性能是改善水泥穩(wěn)定類(lèi)材料力學(xué)性能的關(guān)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(fù)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(nèi)摻法。所謂外摻法是水泥用量不變，另外摻加一定質(zhì)量的改性劑。而內(nèi)摻法是在總質(zhì)量不變的前提下，用一定質(zhì)量的改性劑替代部分水泥用量［2］。采取內(nèi)摻法可以減少水泥用量節(jié)約資源。本文就采用內(nèi)摻法，用聚灰比(SBR乳液與水泥質(zhì)量之比，簡(jiǎn)寫(xiě)為P/C)來(lái)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(guò)掃描電鏡試驗(yàn)從微觀上研究SBR乳液摻量對(duì)于骨架孔隙結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石的影響，并采用凍融試驗(yàn)測(cè)試水泥混凝土凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失和強(qiáng)度變化，進(jìn)而評(píng)價(jià)SBR聚合物乳液對(duì)道路水泥混凝土抗凍性能的改善情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果及分析

掃描電子顯微鏡(SEM)是目前國(guó)內(nèi)外常用的一種研究方法，利用它可以觀察到水泥穩(wěn)定材料的微觀結(jié)構(gòu)，了解聚合物水泥漿體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，掌握SBR乳液在復(fù)合材料中的形態(tài)，為研究SBR乳液對(duì)材料的改性作用提供了科學(xué)依據(jù)。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(duì)象，利用SEM觀察水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)，將兩種水泥漿體進(jìn)行比較。SEM掃描標(biāo)準(zhǔn)水泥漿體和聚合物水泥微觀結(jié)構(gòu)分別如圖1所示。

經(jīng)過(guò)攪拌，SBR聚合物顆粒均勻分布在水泥穩(wěn)定碎石中。隨著水泥的水化，自由水不斷地被水泥水化反應(yīng)所消耗，乳液中的水分減少，其中的聚合物顆粒不斷融合聯(lián)接形成網(wǎng)狀體系，這與水泥漿體的形成同時(shí)進(jìn)行［1］。這樣水泥漿體與網(wǎng)狀體系相互交織，形成了獨(dú)特的立體三維網(wǎng)絡(luò)，水泥漿體與網(wǎng)狀聚合物體系組成了空間的立體交叉結(jié)構(gòu)，如圖2所示。這種有機(jī)、無(wú)機(jī)兩相間發(fā)生一定程度的關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)就是所謂的聚合物水泥體互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［3，4］，從微觀上看，它的空隙率極低，能夠產(chǎn)生增強(qiáng)材料性能的復(fù)合效應(yīng)，使結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)的力學(xué)性能。因此，SBR乳液可提高水泥穩(wěn)定材料的工作性，提高水泥穩(wěn)定材料的粘結(jié)力，進(jìn)而使水泥穩(wěn)定材料的抗拉性能和抗裂性能得到大幅提升。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)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(huán)試驗(yàn)結(jié)果及分析

以上是通過(guò)SEM電鏡試驗(yàn)從微觀角度分析了SBR聚合物對(duì)水泥穩(wěn)定材料改性的原理，下面就通過(guò)宏觀性能試驗(yàn)的方法來(lái)探討SBR乳液的摻量對(duì)水泥穩(wěn)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(zhǔn)，再取不同的P/C(0．05，0．1，0．15，0．2)分別成型試件。按照規(guī)范［5］規(guī)定的方法進(jìn)行試件養(yǎng)生，齡期為28 d。

2．2．1 質(zhì)量損失試驗(yàn)

基準(zhǔn)混凝土試件和不同P/C的聚合物改性混凝土試件經(jīng)過(guò)相同的凍融過(guò)程，測(cè)試凍融前后的質(zhì)量損失，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，5次凍融循環(huán)后，各組水泥穩(wěn)定碎石試件的質(zhì)量損失均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2．2．2 BDR 試驗(yàn)

BDR是水泥混凝土試件在凍融前后強(qiáng)度的比值，即BDR=RDC/RC×100，它能夠從強(qiáng)度方面直觀的評(píng)價(jià)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(cè)試結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以得出如下結(jié)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(yàn)范圍內(nèi)，混凝土抗凍性與SBR乳液摻量成正比關(guān)系;

2)在本文試驗(yàn)范圍內(nèi)，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(shù)增長(zhǎng)速度逐漸變緩。

SBR對(duì)混凝土抗凍性能的影響機(jī)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(wěn)定碎石的孔隙，這樣可以減少進(jìn)入孔隙中的水量，減小凍融循環(huán)過(guò)程中液體的膨脹壓力;另一方面，聚合物水泥體互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成可以大大增強(qiáng)材料的抵抗內(nèi)部液體膨脹壓力的能力，使結(jié)構(gòu)的破壞程度降低。

表1 摻加SBR乳液的試件質(zhì)量損失測(cè)試結(jié)果

圖3 BDR與P/C的關(guān)系

3 結(jié)語(yǔ)

1)SEM分析表明，在骨架孔隙結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石混合料中摻加SBR乳液和粉煤灰對(duì)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(jié)性能，能夠與水泥漿體形成性能強(qiáng)大的聚合物水泥體互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得其水穩(wěn)材料具有良好的抗凍性能。

3)試驗(yàn)結(jié)果表明，摻加SBR乳液可以有效增強(qiáng)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(huán)的能力，能夠延長(zhǎng)路面使用壽命。

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［4］萬(wàn)惠文，周紹豪，任 峰．羧基丁苯對(duì)含橡膠粒的輕骨料混凝土改性研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(6):33-38．

［5］JTG E51-2009，公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程［S］．