高分子聚合物摻量對多孔混凝土性能的影響試驗研究

黃遠亮

(廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

中共中央國務院印發的《國家綜合立體交通網規劃綱要》中明確指出:“到2035年,國家綜合立體交通網實體線網總規模合計70萬km左右,其中公路46萬km左右”,并強調促進交通基礎設施建設的“綠色低碳發展”[1]。隨著我國交通基礎設施建設的跨越式發展,由粗骨料、水、水泥、外加劑等原材料組成的多孔混凝土,在保證一定力學性能的情況下憑借其空隙率大、透水性好等特點,被應用于生態護坡等交通工程建設中。但隨著多孔混凝土應用場景的擴大,多孔混凝土韌性不足、抗變形能力差的缺點逐漸突顯。近年來,學者們利用高分子聚合物作為改性材料,制備改性多孔混凝土,以期在保證多孔混凝土強度、透水等優勢的情況下研究對其性能的改善:劉燕等[2]通過疲勞測試,得到PPC-27.5在各種應力及應變水平下的疲勞壽命,并通過分析發現多孔混凝土材料的疲勞性能優于常用半剛性基層材料;付濤等[3]通過添加有機高分子聚合物,制備多孔聚合物水泥混凝土并開展力學性能試驗,提出了抗壓強度的變化規律;宋東方等[4]利用聚合物分別改性水泥砂漿和多孔改性混凝土,在測試強度和韌性的基礎上,為工程應用提供參考。

盡管關于聚合物改性多孔混凝土已有一定研究,但由于我國交通建設受到地域、環境、施工等各方面因素影響,多孔混凝土在應用于不同場景時性能差異大、病害類型廣,作為交通強國建設試點的廣西地區,亟須開發一種適應于廣西建設需要的多孔混凝土,使其在兼具多孔混凝土結構強度的同時保證其在應用過程中的韌性和抗沖刷性。所以,本文在充分借鑒前人經驗的基礎上,從多孔混凝土應用場景出發,以高分子聚合物乳液為改性材料,按照水泥質量的不同比例摻入多孔混凝土,制備不同高分子聚合物摻入量的聚合物改性多孔混凝土試件,通過開展聚合物改性多孔混凝土力學強度試驗和透水性能試驗,確定最佳聚合物摻量,以期研發適應于廣西交通建設需求的多孔混凝土,為后續工程應用提供切實依據。

1 試驗

1.1 試驗材料

在多孔混凝土中加入不同摻量的高分子聚合物,制備高分子改性多孔混凝土試件,其主要原材料包含高分子聚合物乳液、水泥、粗集料、水、外加劑等。高分子聚合物乳液采用自制聚合物乳液,其主要性能見表1;水泥采用廣西某水泥廠生產的P·O普通硅酸鹽水泥,其各項指標均滿足《硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥》(GB175—2007)相關技術標準;粗集料取自廣西河池地區,粒徑范圍為4.75～13.2 mm,具體性能指標如表2所示;試驗拌和用水為飲用水,單方用量為100 kg/m3范圍內;外加劑主要為15%的減水劑。

表1 高分子聚合物乳液技術指標表

表2 粗集料性能指標表

1.2 試驗方法

1.2.1 試件制作方法

制作多孔混凝土試件時,按照0、2%、4%、6%、8%的水泥質量摻入高分子聚合物乳液,水灰比為0.35,水泥用量為380 kg/m3,設計目標空隙率為15%,試驗方案如表3所示。按照圖1所示流程拌和混合料,拌和后按規范條件和測試試驗要求成型試件并在標準條件下養護。

圖1 混合料攪拌流程圖

表3 高分子聚合物改性多孔混凝土試驗方案表

1.2.2 測試方法

力學強度試驗:力學強度主要保證高分子聚合物多孔混凝土在工況下的力學性能,包括抗壓強度和抗折強度。力學試驗試件采用振動成型方式成型,抗壓強度試件的受壓面尺寸為150 mm×150 mm,抗折強度試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm;試驗時利用萬能材料試驗機測試抗壓強度和抗折強度,以此表征高分子聚合物改性多孔混凝土的力學性能。

透水能力試驗:高分子聚合物改性多孔混凝土的透水能力由孔隙率和滲透性綜合反映。孔隙率是反映多孔混凝土特征的重要指標參數,其指標數值是多孔混凝土抗沖刷和保證透水能力的基礎。孔隙率的測試需要測量出試件的體積V,并稱量出試件在浸水狀態下的質量M1和干狀態時的質量M2,按照式(1)可計算得到;試件的滲透性通過計算得到的透水系數表征,透水系數根據經驗[5]以式(2)計算取得透水系數K,其中在一段時間T內滲出水量為Q,L和F為試件高度和試件受壓面積,H為水位的變化。

(1)

(2)

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

測試高分子聚合物改性多孔混凝土試件抗壓強度,可以明確結構物在服役期間是否會受壓而導致傷損病害。測試結果如圖2所示,高分子聚合物的摻入,不會致使改性多孔混凝土抗壓強度的降低;隨著高分子聚合物摻量的增加,改性多孔混凝土28 d抗壓強度受到影響,抗壓強度變化趨勢為先升高后降低;當高分子聚合物摻量分別為0、2%、4%、6%、8%時,改性多孔混凝土試件的抗壓強度為21.17 MPa、24.72 MPa、24.79 MPa、23.99 MPa、21.21 MPa,增長幅度分別為16.7%、17.1%、13.3%和0.1%,增長幅度峰值出現在高分子聚合物摻量為2%～4%附近,隨后隨著摻量的增大時間抗壓強度逐漸減小。可見,當高分子聚合物摻入量在2%～4%時,改性多孔混凝土的抗壓強度提高最為明顯。

圖2 改性多孔混凝土28 d抗壓強度變化曲線圖

2.2 抗折強度

多孔混凝土的抗折強度直接關系到其作為加固、承力結構物時的韌性,是多孔混凝土應用于不同場景時發生病害的主要原因之一,高分子聚合物改性改性多孔混凝土抗折強度測試是高分子聚合物能否彌補對多孔混凝土劣勢的關鍵。抗折強度測試結果如圖3所示,可以看出,隨著高分子聚合物的摻入,改性多孔混凝土抗折強度會升高;進一步地,隨著高分子聚合物摻量從0增加至8%過程中,改性多孔混凝土28 d抗折強度呈現先升高后降低的總體趨勢,在2%和4%摻量時試件抗折強度分別為5.20 MPa和5.18 MPa,與抗壓強度的峰值位置相似;隨后隨著高分子聚合物摻量的增大,試件抗折強度逐漸降低,所以高分子聚合物摻入量在2%～4%時,改性多孔混凝土的抗折強度最佳。值得一提的是,8%高分子聚合物摻量下抗折強度與0摻量時相比,試件的抗壓強度分別為3.75 MPa和3.97 MPa,其抗折強度增長了6%,說明高分子聚合物的摻入對多孔混凝土的抗折強度有不同程度的提升。

圖3 改性多孔混凝土28 d抗折強度變化曲線圖

2.3 孔隙率

孔隙率是決定多孔混凝土在多雨環境下抗沖刷性的指標之一,將試件按照測試方法依次測試孔隙率,結果如圖4所示:高分子聚合物摻入量分別為2%、4%、6%、8%時,改性多孔混凝土試件的孔隙率分別為14.95%、14.75%、14.85%、14.79%、14.80%,相較0摻入量,分別降低了1.34%、0.67%、1.07%和1.00%;可以看出,摻入不同摻量的高分子聚合物,改性多孔混凝土實測孔隙率均低于0摻量時的實測孔隙率,但其孔隙率數值徘徊在其附近,說明高分子聚合物乳液的摻入,對多孔混凝土孔隙率有一定的不利影響,但影響不顯著。

圖4 改性多孔混凝土孔隙率變化曲線圖

2.4 透水系數

多孔混凝土之所以被應用于海綿城市道路路面、邊坡治理等工程中,主要源于其優良的透水性。透水系數作為表征透水性的核心技術指標,在摻入高分子聚合物以優化多孔混凝土力學性能的同時往往需要保證透水系數滿足要求。通過透水儀測定與計算,透水系數隨高分子聚合物摻量的變化曲線如圖5所示。觀察圖5可知,高分子聚合物改性多孔混凝土試件的透水系數隨著聚合物摻量的增加而降低,呈現先平穩后進一步降低的趨勢;在聚合物摻量為0時透水系數為1.75 mm/s,隨著聚合物摻量逐步增加,透水系數降低百分數分別為2.9%、3.5%、6.3%、8.6%;在高分子聚合物摻量為2%～4%之間降低比例相對平穩,在摻量為6%以后,降低幅度大幅增加,但整體均保持在10%以內。可見,為保證多孔混凝土的透水性,高分子聚合物乳液的摻入量不宜過大。

圖5 改性多孔混凝土透水系數變化曲線圖

2.5 機理分析

深層分析改性多孔混凝土力學強度和透水性試驗結果可知,當高分子聚合物乳液的摻入量在2%～4%時,多孔混凝土的力學強度有一定的改善作用,這是由于高分子聚合物乳液增加了集料和泥漿的粘結效果,使多孔混凝土力學強度得到增強,但調節和優化粗骨料表面接觸對透水率起反作用,設計時不宜摻入過多;起粘結作用的高分子聚合物乳液的摻入量對多孔混凝土的孔隙率沒有明顯影響,孔隙率與孔隙的大小和數量有關,這也證明了其他學者在多孔混凝土水灰比方面的研究。

3 結語

為研究高分子聚合物摻量對多孔混凝土力學強度和透水性能的影響,本文按照0、2%、4%、6%、8%的水泥質量在多孔混凝土中加入高分子聚合物乳液,以15%孔隙率為目標孔隙率、0.35為試驗水灰比,分別制備改性多孔混凝土試件,將試件按照標準流程進行力學強度測試和透水性測試,為今后多孔混凝土在廣西多場景的應用提供依據。測試結果表明:

(1)高分子聚合物的摻入對多孔混凝土的抗壓強度和抗折強度有不同程度的提升,隨著高分子聚合物摻量的增加,改性多孔混凝土28 d抗壓強度和抗折強度呈現先升高后降低的趨勢,當高分子聚合物摻量在2%～4%時,抗壓強度和抗折強度出現峰值,分別為24.79 MPa和5.20 MPa。

(2)高分子聚合物的摻入對多孔混凝土的透水性不利,但孔隙率變化幅度不大、透水系數在一定摻入量范圍內降低不明顯,隨著高分子聚合物摻量的增加,多孔混凝土的孔隙率降低幅度在1%附近波動,而當高分子聚合物摻量在2%～4%時,透水系數的降低幅度在10%以內,因此摻入2%～4%的高分子聚合物為宜。

(3)高分子聚合物乳液增加了集料和泥漿的粘結效果,使多孔混凝土力學強度得到增強,但調節和優化粗骨料表面接觸對透水性起反作用,設計時不宜摻入過多。