聚合物機(jī)制砂水泥混凝土力學(xué)性能的研究

鄭腰華

(中鐵二十四局集團(tuán)有限公司 上海 200433)

1 引言

隨著大量工程項(xiàng)目的建設(shè)，天然河砂資源匱乏，且存在地域性，無法滿足多數(shù)工程項(xiàng)目需求。在沒有天然河砂的山區(qū)，機(jī)制砂容易生產(chǎn)，可以就地取材，節(jié)約運(yùn)輸成本，有較好的經(jīng)濟(jì)效益；機(jī)制砂替代天然河砂大量應(yīng)用到工程中，但機(jī)制砂存在顆粒級(jí)配差，粒形棱角多，石粉含量不易控制。由于機(jī)制砂的特性，導(dǎo)致機(jī)制砂水泥混凝土保水性差，易泌水、離析，使混凝土的工作性能和耐磨性能下降，為了彌補(bǔ)機(jī)制砂的這些缺點(diǎn)，通過加入黏稠高韌性的聚合物，可以有效地改善水泥混凝土的工作性能以及路用性能，提高其抗折強(qiáng)度和耐久性。加入聚合物的水泥混凝土具有瀝青混合料的高韌性、高抗裂性和耐磨性等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又有水泥混凝土的高強(qiáng)度[1]。我國聚合物改性水泥混凝土方面的研究較早，但由于摻入聚合物增加了混凝土的成本，使得聚合物改性混凝土的應(yīng)用還不是很廣泛，主要用于公路工程的路面修補(bǔ)，水庫的防護(hù)坡面修補(bǔ)和港口防滲處理等[2]。摻入聚合物對(duì)水泥混凝土力學(xué)性能影響還存在不同的看法，尤其是在機(jī)制砂水泥混凝土中摻聚合物的研究不多。本文主要以云貴川等地的高速公路工程為基礎(chǔ)，從機(jī)制砂的特性出發(fā)，采用單因素法研究機(jī)制砂水泥混凝土的工作性能和力學(xué)性能，為在工程的應(yīng)用中提供依據(jù)。

2 原材料與試驗(yàn)配合比

2.1 原材料

(1)水泥:亞東普通硅酸鹽水泥P.O42.5，主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥主要性能指標(biāo)

(2)細(xì)集料:由機(jī)械破碎加工后的機(jī)制砂，Ⅰ區(qū)粗砂，細(xì)度模數(shù)3.2，石粉含量6.4%，空隙率41.4%，壓碎指標(biāo)15%。

(3)粗集料:采用5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配碎石，含泥量0.5%，空隙率46.3%，壓碎指標(biāo)值16.2%。

(4)外加劑:采用聚羧酸高效減水劑(緩凝型)，摻量為1.0%，減水率實(shí)測(cè)值為30.6%。消泡劑(有機(jī)硅類)，摻量為1.0%。

(5)聚合物:采用市場(chǎng)上購買的聚丙烯酸酯乳液，主要性能指標(biāo)見表2。

表2 聚丙烯酸酯乳液主要性能指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)配合比

混凝土配合比按照C40設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)坍落度180～220 mm，砂率43%。聚丙烯酸酯乳液按照水泥摻量的5%、10%、15%、20%加入混凝土中，為保證相同坍落度，經(jīng)調(diào)試水灰比，確定的配合比見表3。

表3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

聚合物機(jī)制砂水泥混凝土拌合物性能和力學(xué)性能檢測(cè)方法參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30-2005)。

3.1 聚合物對(duì)機(jī)制砂水泥混凝土的和易性的影響

隨著國家加大對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)的投資力度，混凝土及細(xì)集料用量加大。河砂的大量開采已經(jīng)破壞了河床，對(duì)周圍的環(huán)境造成了不良影響，隨著國家對(duì)環(huán)保的重視，目前部分河流已經(jīng)禁止開采河砂。在云貴川等地區(qū)天然河砂資源匱乏，機(jī)制砂在這些區(qū)域的應(yīng)用越來越廣。機(jī)制砂由碎石破碎加工而成，與天然砂相比具有棱角，形狀不規(guī)則，針片狀顆粒含量大，表面較粗糙[3]。級(jí)配不良，2.36 mm以上及0.15 mm以下顆粒較多，而1.18～0.3 mm顆粒較少，且表面吸水率高，增加混凝土的拌和用水量，從而影響到混凝土的工作性能、力學(xué)性能、耐久性和體積穩(wěn)定性。

聚合物聚丙烯酸酯乳液的加入，在機(jī)制砂混凝土中起到增黏效應(yīng)和潤滑作用。黏稠的聚丙烯酸酯乳液的加入可以減少混凝土的泌水，顯著提高機(jī)制砂水泥混凝土的粘聚性和保水性；同時(shí)在同等坍落度和擴(kuò)展度情況下，聚合物的加入可以有效降低水灰比，減少混凝土的用水量，保證其它材料不變的情況，能有效改善機(jī)制砂水泥混凝土的和易性[4]。同時(shí)對(duì)其他材料起到浸濕和潤滑作用，彌補(bǔ)機(jī)制砂多棱角和表面粗糙的缺點(diǎn)，克服機(jī)制砂形狀不規(guī)則的不良影響，增加混凝土的流動(dòng)性。聚丙烯酸酯乳液在攪拌過程中會(huì)在混凝土中引入氣泡，含氣量的增加一定程度上也改善了混凝土的流動(dòng)性。

3.2 聚合物對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

按照表3混凝土配合比設(shè)計(jì)，采用不同聚灰比(0、0.05、0.10、0.15、0.20)拌制的機(jī)制砂水泥混凝土，分別取樣制作了立方體抗壓強(qiáng)度試件15組，抗彎拉強(qiáng)度試件15組。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件(溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度>95%)下，養(yǎng)護(hù)到28 d齡期后進(jìn)行混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)。不同聚灰比混凝土分別制作3組試件，以3組試件平均值為強(qiáng)度結(jié)果代表值。不同聚灰比P/C的混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同聚灰比P/C的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果

由圖1可知，摻入不同量的聚丙烯酸酯乳液，機(jī)制砂水泥混凝土28 d齡期的抗壓強(qiáng)度結(jié)果為:與基準(zhǔn)混凝土相比，當(dāng)聚灰比P/C為0.05時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降低了2.8%；當(dāng)P/C為0.10時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降低了3.4%；當(dāng)P/C為0.15時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降低了8.5%；當(dāng)P/C為0.20時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降低了14.7%。

以上結(jié)果說明在機(jī)制砂混凝土中加入聚合物聚丙烯酸酯乳液會(huì)降低其抗壓強(qiáng)度，降低的程度不一樣，當(dāng)聚灰比P/C小于0.10時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降低較少，減少在3%左右；當(dāng)聚灰比P/C大于0.15時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降低比較明顯，如當(dāng)聚灰比為0.20時(shí)，水泥混凝土抗壓強(qiáng)度僅為42.3 MPa。聚合物的加入造成混凝土抗壓強(qiáng)度降低主要是由于聚合物為黏稠的乳液，加入水泥混凝土中，經(jīng)過攪拌滲入并吸附到各類材料上，形成聚合物膜，一方面會(huì)將沒有水化的水泥顆粒包裹、隔離，減少水泥與水的接觸，水泥的進(jìn)一步水化反應(yīng)受到一定的影響，阻礙部分水泥水化產(chǎn)物水泥石的形成，而這種影響會(huì)隨著聚灰比的增大而增大。另一方面聚合物形成的聚合物膜會(huì)和水泥石形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[5]，但是，在混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，形成的聚合物膜剛度不足，使得混凝土抗壓強(qiáng)度降低[6]。

3.3 聚合物對(duì)水泥混凝土抗折強(qiáng)度的影響

水泥混凝土彎拉抗折強(qiáng)度是混凝土的一項(xiàng)重要控制指標(biāo)，在公路路面、結(jié)構(gòu)物梁體以及水庫大壩都有較高要求，其大小是否滿足設(shè)計(jì)要求，將直接影響到混凝土的整體質(zhì)量及使用壽命。進(jìn)行混凝土抗折試驗(yàn)，主要采用萬能試驗(yàn)機(jī)和配套的輔助試驗(yàn)裝置，在凈跨450 mm、三分點(diǎn)處雙支點(diǎn)荷載作用下的彎拉破壞得到抗折強(qiáng)度。

試件養(yǎng)護(hù)28 d齡期取出后保持混凝土的干濕狀態(tài)，測(cè)量尺寸，以速度為0.05～0.08 MPa/s連續(xù)勻速加荷，直至破壞，記錄并計(jì)算得出混凝土抗折強(qiáng)度，聚合物機(jī)制砂水泥混凝土抗折強(qiáng)度結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同聚灰比P/C的混凝土28 d抗折強(qiáng)度結(jié)果

由圖2可知，與普通機(jī)制砂混凝土相比，摻入聚合物聚丙烯酸酯乳液的混凝土抗折強(qiáng)度情況為:當(dāng)聚灰比P/C為0.05時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度提高了3.9%；當(dāng)P/C為0.10時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度提高了16.5%；當(dāng)P/C為0.15時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度提高了21.5%；當(dāng)P/C為0.20時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度提高了24.1%。

以上結(jié)果說明水泥混凝土加入聚合物后，其抗折強(qiáng)度明顯提高，且聚灰比P/C越大，抗折強(qiáng)度越高，結(jié)果顯示聚灰比與抗折強(qiáng)度沒有明顯的呈線性關(guān)系。在聚灰比為0.05時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度提高不明顯；但當(dāng)聚灰比為0.10時(shí)，抗折強(qiáng)度有明顯地提高，提高了16.5%。一方面，聚合物乳液的加入填充了混凝土內(nèi)部的一些間隙，使得混凝土更加密實(shí)，改善了混凝土的強(qiáng)度。另一方面，抗折強(qiáng)度的增加與聚丙烯酸酯乳液形成的聚合物膜具有高韌性有關(guān)，在集料和水泥石以及集料與集料之間形成的聚合物膜在收到彎拉荷載時(shí)起到回彈緩沖作用，減少應(yīng)力集中，緩沖了集中彎拉應(yīng)力對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，使得混凝土抗折強(qiáng)度增加。

3.4 聚合物機(jī)制砂水泥混凝土的折壓比

一般的鐵路和市政工程項(xiàng)目，主要要求較高的抗壓強(qiáng)度，但是在公路工程路面用混凝土對(duì)其抗折強(qiáng)度要求較高，為保證混凝土路用性能，折壓比是一項(xiàng)重要指標(biāo)。相同養(yǎng)護(hù)條件下，影響水泥混凝土折壓比的因素很多，主要有混凝土用粗集料粒徑、砂率、用水量等[7]。機(jī)制砂還要考慮其壓碎值，與天然河砂水泥混凝土相比，當(dāng)機(jī)制砂的壓碎指標(biāo)值小于17%時(shí)，混凝土折壓比更高，抗彎拉性能更強(qiáng)，具有更好的路用性能[8]。通過計(jì)算，得出不同聚灰比的水泥混凝土的折壓比結(jié)果如圖3所示。

圖3 聚合物機(jī)制砂水泥混凝土的折壓比

由圖3可知，在機(jī)制砂水泥混凝土中加入一定量的聚丙烯酸酯乳液聚合物，其折壓比明顯提高，具體情況為:未摻聚合物的混凝土折壓比為12.0%，當(dāng)聚灰比P/C為0.05時(shí)，折壓比為12.8%，相比提高了6.7%；當(dāng)P/C為0.10時(shí)，折壓比為14.4%，相比提高了20.0%；當(dāng)P/C為0.15時(shí)，折壓比為15.9%，相比提高了32.5%；當(dāng)P/C為0.20時(shí)，折壓比為17.4%，相比提高了45.0%。

說明了聚合物的加入，機(jī)制砂水泥混凝土的折壓比明顯提高，因?yàn)榫酆衔锏募尤敫淖兞嘶炷羶?nèi)部的結(jié)構(gòu)，使混凝土的抗壓強(qiáng)度有所降低，同時(shí)明顯地提高了混凝土的抗折強(qiáng)度，使得折壓比提高。

4 機(jī)理分析

聚合物乳液本身較為黏稠，具有降低混凝土用水量的效果，并有一定的潤滑作用，改善機(jī)制砂混凝土的粘聚性和保水性。聚合物在攪拌過程中會(huì)產(chǎn)生氣泡，一定的含氣量可以改善混凝土的流動(dòng)性，但是會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，所以在摻入聚合物的同時(shí)應(yīng)摻入一定量的消泡劑，通過試驗(yàn)，消泡劑摻入量為1.0%效果較好。

水泥混凝土是由不同粒徑的各類材料相互填充，機(jī)制砂填充到碎石骨架空隙中，而水泥水化產(chǎn)物水泥石又填充到集料間的空隙中，形成一個(gè)近似密實(shí)結(jié)構(gòu)。而混凝土的強(qiáng)度取決于水泥混凝土中水泥石和各種材料的內(nèi)聚力、結(jié)構(gòu)致密程度、界面結(jié)合力等，當(dāng)混凝土在受壓的情況下內(nèi)部的裂隙擴(kuò)展直致連通，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞。通過摻入聚合物，形成的聚合物膜交織在與水泥水化產(chǎn)物和集料中，且聚合物乳液會(huì)滲入到水泥石中的微裂隙和混凝土各種材料的間隙中，浸潤和滲透水泥水化產(chǎn)物從而形成了致密的立體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，有效地改善水泥混凝土的力學(xué)性能[9-10]，同時(shí)黏性高的柔性聚合物膜可以填補(bǔ)混凝土內(nèi)部各類材料間的裂縫與空洞，并在各種剛性材料間形成彈性緩沖帶，吸收動(dòng)載能量，緩沖彎拉集中應(yīng)力對(duì)混凝土的破壞，從而改善混凝土抗折強(qiáng)度和折壓比[11-13]。

5 結(jié)束語

機(jī)制砂和聚合物在水泥混凝土中的特性互補(bǔ)和成本均衡，且聚丙烯酸酯乳液水泥砂漿技術(shù)已經(jīng)比較成熟，市場(chǎng)上也有很多成品，所以通過加入聚合物來改善機(jī)制砂水泥混凝土有廣泛的應(yīng)用前景。通過對(duì)聚合物機(jī)制砂水泥混凝土工作性能和力學(xué)性能的研究，主要得到以下結(jié)論:

(1)通過加入一定量的聚丙烯酸酯乳液聚合物能夠有效彌補(bǔ)機(jī)制砂混凝土泌水、離析、粘聚性較差的缺點(diǎn)，改善混凝土和易性。

(2)聚合物的加入在攪拌過程中會(huì)產(chǎn)生氣泡，混凝土的含氣量增加，改善了新拌水泥混凝土流動(dòng)性的同時(shí)會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度，在加入聚合物時(shí)，同時(shí)要加入一定量的消泡劑。

(3)通過檢測(cè)不同聚灰比下的混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，并計(jì)算分析折壓比，權(quán)衡聚合物對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響，得出在聚灰比為0.10時(shí)，混凝土路用性能最佳，推薦聚合物最佳摻量為水泥用量的10%。

(4)由于成本原因，目前聚合物機(jī)制砂水泥混凝土的應(yīng)用還不是太廣，對(duì)于抗折強(qiáng)度和折壓比要求高的路面用混凝土，值得推廣使用，尤其是其黏性較強(qiáng)的特性，可以大量用于坡面防水混凝土和路面混凝土的修補(bǔ)。