有機高分子聚合物對多孔混凝土力學性能影響試驗分析

付 濤，王志軍，荊祿波

（1.山東高速齊魯建設集團有限公司，山東 濟南 250101；2.交通運輸部公路科學研究院 道路結構與材料交通行業重點實驗室，北京 100088；3.北京市交通委員會，北京 100053）

引言

多孔水泥混凝土是以水泥為膠結材料，特殊級配集料和水按照一定比例和施工工藝制備而成的空隙均勻分布的多孔性材料，具有較大的有效空隙，既具備一定的力學強度滿足路用性能，又具有一定的降噪、透水、透氣性，是一種備受關注的新型水泥路面結構，在歐美、日本等國家得到了廣泛的應用[1-3]。 我國對多孔混凝土的應用多集中于輕交通荷載的工程領域，主要是由于多孔混凝土材料采用了孔隙-骨架結構的型式而使其結構強度較低，在車輛荷載的反復沖擊作用下易造成集料的松散剝落和路面損傷，從而影響多孔混凝土的力學性能和使用性能[4-6]。隨著混凝土技術的發展，各種外加劑和增強劑摻入到混凝土中提升了混凝土的強度和使用性能[7-9]。

1 試驗方案

1.1 材料

（1）水泥。采用425#普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標滿足《硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)、《道路硅酸鹽水泥》(GB 13693—2017)和《公路水泥混凝土路面施工技術細則》(JTG/T F30—2014)的相關規定。（2）集料。最大公稱粒徑為4.75，級配類型見表1，其他技術要求滿足《公路水泥混凝土路面施工技術細則》(JTG/T F30—2014)的規定。（3）水。采用純自來水。（4）減水劑。減水率15%～20%，其質量及材料組成符合《混凝土外加劑均質性試驗方法》(GB/T8077—2012)和《混凝土外加劑》(GB8076—2016) 的要求。（5）硅灰。SiO2含量＞90%，比表面積≥15 m2/g。（6）有機高分子聚合物。采用VAE-707（乙酸乙烯脂-乙烯共聚乳液），其性能指標見表2。

表1 多孔混凝土集料級配

表2 VAE-707 乳液主要技術指標

1.2 試驗方案設計

1.2.1 級配方案設計

采用表1 中的集料級配，設計試驗組合見表3。設計目標孔隙率為17%，水灰比為0.37；水泥用量分別采用340 kg/m3、380 kg/m3、420 kg/m3三種類型；減水劑摻量1%，有機高分子聚合物VAE-707 乳液的摻量為水泥質量的0%、2%、6%、10%；膠凝材料為水泥（94%）+硅灰（6%），共計12 組數據。

表3 設計的多孔混凝土配合比

1.2.2 力學性能試驗

試件采用振動成型方式成型，養生結束后測試試件的28 d 抗壓強度與抗折強度，其中抗壓強度試驗采用圓柱體試件、抗折強度試驗采用15 cm×15 cm×55 cm 試件。

1.2.3 飛散試驗

多孔混凝土材料由于集料顆粒間的黏結強度較低而易出現飛散病害，采用多孔水泥混凝土的飛散試驗進行相關測試。試驗是將制備的試件放入洛杉磯磨耗試驗機中進行磨耗，以檢驗多孔水泥混凝土的抗飛散能力。

1.2.4 凍融試驗

采用《水工混凝土試驗規程》（SL352—2006）快速凍融法對多孔混凝土試件進行凍融試驗來驗證其抗凍融能力，試件的聚合物摻量為2%，尺寸為10 cm×10 cm×40 cm。

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能和抗飛散性能

力學性能和飛散試驗結果見表4 和圖1 ～圖4。

圖1 聚合物含量對試件28 d 抗壓強度的影響曲線

圖2 聚合物含量對試件28 d 抗折強度的影響曲線

圖3 聚合物含量對試件飛散損失的影響

圖4 聚合物含量對試件壓折比的影響

表4 力學性能和飛散試驗的試驗結果

由試驗結果可以得出：（1）制備的高分子聚合物多孔水泥混凝土試件的28 d 抗壓強度和抗折強度能達到20 MPa 和2.5 MPa 以上。多孔混凝土摻加高分子聚合物后，其28 d 抗壓強度隨摻量的增加先增大后減小，呈現峰值特性，聚合物的摻量為10%時與不摻加聚合物的抗壓強度差異不明顯；有機高分子聚合物能夠提高多孔水泥混凝土的抗折強度，摻加高分子聚合物后，其28 d 抗折強度出現一定程度的提高，當摻量為2%時，其抗折強度最高。（2）壓折比試驗數據也表明，高分子聚合物摻量在2%時，聚合物混凝土具有較好的韌性。（3）混凝土飛散試驗結果顯示，多孔混凝土中摻加聚合物提高了其飛散能力，當聚合物摻量為2%時其質量損失率最小。綜合以上試驗結果，有機高分子聚合物的最佳摻量可選擇為2%。

2.2 凍融試驗

聚合物多孔混凝土凍融試驗數據結果見表5 和圖5、圖6。

表5 不同凍融次數的聚合物多孔混凝土凍融試驗結果

圖5 多孔混凝土不同凍融次數的相對動彈模量變化

圖6 多孔混凝土不同凍融次數的質量變化率

可以看出，高分子聚合物的摻加提高了多孔混凝土的抗凍融能力。（1）在凍融試驗初始的100 次凍融循環以內，摻加聚合物的混凝土和不摻聚合物混凝土的相對動彈模量和質量變化率指標相差不大；（2）在100 次凍融循環之后，摻加高分子聚合物的多孔混凝土的相對動彈模量相比不摻聚合物的混凝土提高了5.2%（150 次）和7.4%（200 次），質量變化率相對降低了33%（150 次）和28.5%（200 次）。多孔混凝土的抗凍融能力由于其自身多孔的特點，水對其自身的侵蝕和凍脹破壞要遠大于水對普通混凝土的作用。多孔混凝土摻加高分子聚合物后，聚合物填充于多孔混凝土的水泥槳體中水化成膜，增強了多孔混凝土顆粒之間的黏結力，修復了混凝土水化過程中產生的微裂縫，形成的聚合物膜具有較強的抗拉強度，明顯改善了普通多孔混凝土的韌性；同時高分子聚合物自身具有柔性特性，在多孔混凝土顆粒間可減緩其尖端應力從而可阻止裂縫的進一步發展。因此，高分子聚合物的力學性能相較于普通多孔混凝土有較明顯的改善。

3 結語

（1）制備的多孔聚合物水泥混凝土試件的28 d抗壓強度和抗折強度分別在20 MPa 和2.5 MPa 以上；有機高分子聚合物能夠提高多孔水泥混凝土的抗折強度，其抗壓強度隨摻量的增加先增大后減小，呈現峰值特性。（2）有機高分子聚合物在多孔混凝土顆粒間可水化成膜，增加顆粒之間的黏結性，延緩裂縫的發展，提高多孔混凝土的韌度，其最佳摻量為2%。（3）摻加聚合物能夠顯著提高多孔混凝土的抗凍融能力，凍融循環次數越多效果越明顯。