聚合物改性混凝土抗壓強(qiáng)度及抗氯離子滲透性能的試驗(yàn)研究

陳 成 崔建生 南通市建筑科學(xué)研究院有限公司

1 概述

混凝土材料具有制備工藝簡(jiǎn)單，原材料易得，抗壓性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)過(guò)程中扮演了重要角色，但混凝土屬于多孔非勻質(zhì)材料，其耐久性問(wèn)題一直是業(yè)界研究的重點(diǎn)[1]。從20世紀(jì)中葉開(kāi)始，采用高分子聚合物對(duì)混凝土進(jìn)行改性，將無(wú)機(jī)材料與有機(jī)材料結(jié)合使用的解決方案獲得了廣泛關(guān)注，世界各國(guó)對(duì)聚合物在混凝土中的作用機(jī)理也進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，目前廣泛認(rèn)可的Ohama模型[2]、Konietzko模型及Puter?man模型[3]均系統(tǒng)地闡述了聚合物在混凝土中的改性機(jī)理，但三種模型均各自存在不完善之處。國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域研究人員亦進(jìn)行了大量探索研究，熊劍平等[4]通過(guò)試驗(yàn)得出聚合物改性混凝土拌合物在水化過(guò)程中聚合物成分先包裹于粗細(xì)骨料及水泥顆粒表面，后由于自由水大量減少，聚合物移動(dòng)至混凝土內(nèi)部各處孔隙中，并一定程度上填充了這些內(nèi)部孔隙；在水化過(guò)程完成后，聚合物形成的膜狀結(jié)構(gòu)于各處孔隙中的聚合物網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)結(jié)并使混凝土內(nèi)部相對(duì)密實(shí)，從而提高了混凝土強(qiáng)度與抗?jié)B透性能。

用于混凝土中的聚合物性狀上主要分為三類(lèi)：聚合物乳液、水性聚合物和反應(yīng)型聚合物[5]。改性混凝土常用的乳液主要包括苯丙乳液、醋酸乙烯-VAE乳液、水性環(huán)氧、苯乙烯-丁二烯橡膠（SBR）和聚丙烯酸酯（PAE）等[6]，聚合物乳液由于具有成膜的特點(diǎn)，在改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)上具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。改性混凝土常用的水性聚合物主要有聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（PAM）、丙烯酸鹽等[7]，水性聚合物對(duì)混凝土的拌制影響較小，同時(shí)對(duì)拌合物的保水性有增強(qiáng)作用。改性混凝土常用的反應(yīng)型聚合物主要有不飽和聚酯樹(shù)脂及環(huán)氧樹(shù)脂等[8]，反應(yīng)型聚合物的活性組分在混凝土拌合物中與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，或聚合物中的不同組分間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[9]，通過(guò)固化、聚合、界面結(jié)合等作用改善混凝土的各項(xiàng)性能。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)用原材料

本試驗(yàn)所用水泥為中國(guó)聯(lián)合水泥集團(tuán)生產(chǎn)的42.5強(qiáng)度等級(jí)P.I型硅酸鹽水泥，產(chǎn)地為山東；砂為符合GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》中II區(qū)要求的中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，含泥量為0.3%；石子為符合GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》要求的公稱(chēng)粒徑為5mm～20mm的碎石，滿(mǎn)足連續(xù)級(jí)配要求，針片狀物質(zhì)含量不超過(guò)3%，空隙率為37%，含泥量小于0.1%。

改性用聚合物選用上海潤(rùn)碳牌MU-601型水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液，該聚合物乳液為不同分子量的雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂的水分散液，外觀呈乳白色，不含游離表面活性劑，具有良好的耐化學(xué)腐蝕性、附著力及耐候性。固化劑為同品牌的CU-600型水性環(huán)氧樹(shù)脂固化劑，外觀為淡黃色黏稠液體，水稀釋性較好，配比范圍較寬，柔韌性較好。由于環(huán)氧樹(shù)脂乳液中含有表面活性劑，表面活性劑接觸混凝土?xí)r會(huì)產(chǎn)生許多氣泡，拌合時(shí)進(jìn)入混凝土內(nèi)部，形成大量孔洞與不密實(shí)區(qū)，造成混凝土質(zhì)量不良，故采用消泡劑配合環(huán)氧樹(shù)脂乳液使用。消泡劑采用天德牌DJ-499型水泥自流平消泡劑，其特點(diǎn)是不易破乳或漂油，在水泥砂漿體系中分散性好，消泡較為迅速。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)中的基準(zhǔn)混凝土配合比按JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[10]設(shè)計(jì)，配制強(qiáng)度C40，混凝土水灰比為0.40，砂率為40%。設(shè)置五組混凝土試件互為對(duì)照：A組試件為基準(zhǔn)混凝土試件，B組試件聚灰比為5%，C組試件聚灰比為10%，D組試件聚灰比為15%，E組試件聚灰比為20%。其中聚合物改性混凝土配合比參照基準(zhǔn)混凝土，并按聚合物乳液含水量50%考慮其攜帶的水分；按聚合物乳液使用說(shuō)明，固化劑與環(huán)氧樹(shù)脂乳液摻比為0.25，消泡劑與環(huán)氧樹(shù)脂摻比為0.01。基準(zhǔn)及聚合物改性混凝土配合比詳見(jiàn)表1。

表1 基準(zhǔn)試件及對(duì)比試件配合比

2.3 性能試驗(yàn)

電通量試件制作時(shí)采用直徑（100±1）mm，高度（50±2）mm的圓柱體試模。電通量試驗(yàn)程序按GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]進(jìn)行。立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)試件，每組三塊。抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)程序按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]中的規(guī)定，加荷速度約0.6MPa/s。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)結(jié)果

為探索同類(lèi)試件不同齡期下抗氯離子滲透性能的發(fā)展規(guī)律，本試驗(yàn)增加一批56d齡期試件進(jìn)行電通量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 五組試件在28d和56d齡期下電通量試驗(yàn)結(jié)果

從電通量試驗(yàn)結(jié)果及電通量與聚灰比關(guān)系曲線(xiàn)（圖1）可以看出，同齡期的混凝土試件電通量隨聚灰比增大而減小，且聚灰比較小時(shí)，增加聚合物摻量會(huì)明顯改善試件的抗氯離子滲透性能，相比于未摻聚合物的基準(zhǔn)混凝土試件，摻入少量聚合物即可在較大程度上改善混凝土試件的抗氯離子滲透性能。對(duì)于齡期較長(zhǎng)的試件，其在各摻量上的電通量均低于齡期較短的試件，從圖2可以看出，56d齡期的試件所對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)更加平滑，顯示聚合物的摻入對(duì)試件抗氯離子滲透性能的影響略小于齡期較短的對(duì)比試件，這可能是由于混凝土試件內(nèi)部的水泥顆粒在水化初期尚未形成致密整體，聚合物的絮結(jié)填充效應(yīng)較為明顯，而水化后期由于混凝土內(nèi)部自由水大量減少，混凝土本身密實(shí)度增加，此時(shí)聚合物形成的膜狀結(jié)構(gòu)填充于各處孔隙并呈網(wǎng)絡(luò)狀相互聯(lián)結(jié)使得混凝土內(nèi)部更為密實(shí)，抗?jié)B透性能改善更為顯著。

圖1 電通量與聚灰比關(guān)系曲線(xiàn)

圖2 抗壓強(qiáng)度與聚灰比及養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系

3.2 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

混凝土抗壓強(qiáng)度試件分為15組，共45塊，抗壓強(qiáng)度如表3所示。

表3 立方體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從混凝土抗壓強(qiáng)度與聚會(huì)比及養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系（圖2）可以看出，相同齡期的試件抗壓強(qiáng)度隨聚灰比增大而小幅減小，齡期較短的試件曲線(xiàn)走勢(shì)較緩，表明聚合物摻入比例對(duì)于齡期較短的混凝土試件抗壓強(qiáng)度影響較小，而齡期較長(zhǎng)的試件曲線(xiàn)下降趨勢(shì)較為明顯，表明聚合物摻量較大的混凝土其后期強(qiáng)度受到了相對(duì)明顯的影響。在本試驗(yàn)條件下，聚灰比為20%的混凝土試件7d強(qiáng)度較基準(zhǔn)試件下降10.8%；28d強(qiáng)度較基準(zhǔn)試件下降9.7%；56d強(qiáng)度較基準(zhǔn)試件下降15.5%。

4 結(jié)論

（1）混凝土抗氯離子滲透性能隨聚合物摻量的增加而增強(qiáng)，尤其對(duì)于未摻聚合物的混凝土，摻入少量聚合物即可顯著改善混凝土的抗氯離子滲透性能。

（2）無(wú)論聚合物摻量大小，混凝土抗氯離子滲透性能均隨著齡期的增長(zhǎng)而增強(qiáng)；聚灰比較大的混凝土抗氯離子滲透性能隨齡期增強(qiáng)的幅度較小。

（3）混凝土抗壓強(qiáng)度普遍隨聚合物摻量的增加而小幅降低，此現(xiàn)象在聚合物摻量較大且齡期較長(zhǎng)的混凝土中表現(xiàn)得更為明顯。

（4）當(dāng)采用與本文中試驗(yàn)所用相同原材料與配合比制作聚合物改性混凝土?xí)r，綜合考慮混凝土性能與成本等因素，本文推薦的聚灰比為10%。