聚合物乳液對自密實混凝土性能的影響

鄭永杰 楊魯，2 王浩 譚鹽賓，2 李林香，2 齊婧 岳成軍

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速鐵路軌道系統全國重點實驗室， 北京 100081

我國橋梁結構逐漸向大跨度方向發展，鋼管混凝土拱橋憑借其結構優勢應用越來越廣泛［1-3］。作為混凝土與鋼管的結合體，鋼管混凝土兼有混凝土的高承載力和鋼管的良好彈塑性［4］。大跨度鋼管混凝土拱橋中鋼管混凝土施工一般采用泵送頂升法，對混凝土工作性能要求極高。然而，原材料品質、環境溫度波動、長距離運輸等因素均會導致混凝土工作性能變差，嚴重時會造成鋼管混凝土拱橋拱肋脫空，鋼管的套箍作用得不到充分發揮，嚴重影響鋼管混凝土拱橋的承載能力［5-9］。

按成因鋼管混凝土拱橋拱肋脫空分為兩類［10］，第一類是因混凝土收縮徐變，鋼管與混凝土界面分離減弱了鋼管的套箍作用；第二類是由于混凝土施工性能不佳，泵送不到位造成鋼管混凝土拱橋拱頂充填不飽滿。對于第一類脫空通常采用高分子修補材料注漿處理［11-12］。對于第二類脫空，因范圍較大，采用高分子修補材料成本高，一般采用混凝土或砂漿材料。為了確保修補后鋼管與混凝土協同工作良好，修補此類脫空的混凝土或砂漿不僅要達到較高抗壓強度，還要具備較高的黏結強度，同時還對混凝土或砂漿工作性能、靜態穩定性和體積穩定性要求較高。若以普通混凝土或砂漿作為修補材料，雖然可以達到大流態和高強度標準，但靜態穩定性及體積穩定性差和黏結力不足，很難確保新老混凝土的黏結強度。即使有界面劑的存在，但因界面劑的時效性、局限性［13-14］以及缺陷處空間狹窄不易噴涂也很難保證黏結強度，容易出現因新老混凝土界面黏結不牢固管內混凝土再度損壞等質量問題。因此，本文以聚合物乳液改性自密實混凝土作為鋼管混凝土拱橋拱肋大面積脫空缺陷的修補材料，研究單摻乙烯-醋酸乙烯共聚乳液（Ethylene?vinyl acetate Copolymer Emulsion，EVA）、苯丙乳液（Styrene?acrylic Emulsion，SAE）和丁苯乳液（Styrene?butadiene Rubber Latex，SBR）對自密實混凝土工作性能、靜態穩定性、力學性能和體積穩定性的影響，以期對鋼管混凝土拱橋拱肋脫空缺陷的修補提供一種新的技術措施。

1 原材料及混凝土配合比

1.1 原材料

采用北京金隅集團股份有限公司生產的P·O 42.5水泥；采用山東華能威海發電有限責任公司生產的F類Ⅱ級粉煤灰，細度20.9%，需水量比99%，活性指數82%，燒失量3.5%；細骨料采用細度模數2.6，含泥量1.0%的天然河砂；粗骨料采用5 ～ 20 mm 連續級配碎石；減水劑為河北三楷深發科技股份有限公司生產的聚羧酸減水劑，減水率25%；增黏劑為中國鐵道科學研究院集團有限公司生產的TZ?SA 型增黏劑，黏度比165%，擴展度之差30 mm；聚合物乳液采用EVA乳液、SAE乳液和SBR乳液。聚合物乳液性能指標見表1。

表1 聚合物乳液性能指標

1.2 混凝土配合比

采用C55 自密實混凝土作為鋼管內填充混凝土，研究EVA 乳液、SAE 乳液和SBR 乳液對自密實混凝土性能的影響。混凝土配合比見表2。其中：C?JZ 為自密實混凝土基準組，C?EVA、C?SAE、C?SBR 分別為單摻EVA 乳液、SAE 乳液、SBR 乳液的自密實混凝土對比組。

表2 混凝土配合比kg·m-3

2 試驗方法

混凝土坍落擴展度、擴展時間（T500）、J環障礙高差和含氣量按照Q/CR 596—2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土》測試，貫入度按照美國標準ASTM C1712—2017［15］測試。

混凝土抗壓強度和黏結強度按照GB/ T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測試，混凝土干燥收縮率按照GB/ T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測試。

3 試驗結果分析

3.1 工作性能

T500和J 環障礙高差均是自密實混凝土工作性能的重要指標。T500用于表征自密實混凝土的黏度，T500越長，自密實混凝土黏度越大。J 環障礙高差用于表征自密實混凝土的抗離析性能，J 環障礙高差越小，自密實混凝土抗離析性能越好。

單摻不同聚合物乳液的自密實混凝土T500和J 環障礙高差對比見表3。可知，自密實混凝土坍落擴展度和含氣量相近時，單摻不同聚合物乳液后T500均增大，但J環障礙高差均減小，但三者不管是T500還是J環障礙高差都相差不多。這說明單摻三種聚合物乳液均可提高自密實混凝土的黏度和抗離析性能，但不同聚合物乳液的提升效果差別不大。

表3 單摻不同聚合物乳液的自密實混凝土T500和J環障礙高差對比

3.2 靜態穩定性

貫入度（d）是評價自密實混凝土靜態穩定性的重要指標之一。d≤10 mm 時自密實混凝土靜態穩定性良好，10 mm ＜d＜ 25 mm 時自密實混凝土靜態穩定性一般，d≥ 25 mm時自密實混凝土靜態穩定性較差［15］。

單摻EVA、SAE、SBR 乳液后自密實混凝土d分別為7、8、7 mm?？芍?，與未摻時（d= 11 mm）相比，摻EVA、SAE、SBR 乳液后，d分別降低36.4%、27.3%和36.4%，但單摻三種聚合物乳液后自密實混凝土d差別不大。這說明單摻聚合物乳液可明顯提升自密實混凝土靜態穩定性。原因可能是，摻入聚合物乳液增加了自密實混凝土漿體的黏度，導致骨料與漿體間摩擦力明顯增大，阻礙了骨料的下沉，提高了自密實混凝土中漿骨分布的均勻性。

3.3 力學性能

1）抗壓強度

單摻不同聚合物乳液的自密實混凝土抗壓強度隨齡期變化曲線見圖1。可知，單摻不同聚合物乳液的自密實混凝土抗壓強度相差較大，其中單摻EVA 乳液雖然會一定程度降低自密實混凝土抗壓強度，但降幅不大。與未摻時（抗壓強度63.4 MPa）相比，56 d 齡期抗壓強度（61.1 MPa）僅降低3.6%，仍能達到C55混凝土強度要求。然而，單摻SAE、SBR乳液均會明顯降低自密實混凝土抗壓強度。單摻SAE、SBR乳液后，自密實混凝土56 d 齡期抗壓強度（53.9、50.9 MPa）比未摻時分別降低15.0%和19.7%，且抗壓強度均不足55 MPa。這是因為混凝土中摻入聚合物乳液后，聚合物顆粒逐漸成膜，并分布于水泥顆粒表面，減緩了水泥水化進程［16］，會一定程度降低混凝土抗壓強度，但由于三種聚合物乳液的分子結構不同，所以單摻三種聚合物乳液后自密實混凝土抗壓強度降低的幅度不同。

圖1 單摻不同聚合物乳液的混凝土抗壓強度隨齡期變化曲線

2）黏結強度

單摻不同聚合物乳液的自密實混凝土黏結強度對比見表4?？芍瑔螕饺N聚合物乳液后自密實混凝土黏結強度均大幅提高。28 d 齡期時，與未摻時相比，單摻EVA、SAE、SBR 乳液后自密實混凝土黏結強度分別增長69.0%、73.8%、69.7%，均滿足Q/CR 659—2018《高速鐵路混凝土結構用修補砂漿》中28 d齡期黏結強度不小于2.0 MPa 的要求。與28 d齡期相比，56 d 齡期四種自密實混凝土黏結強度均略有增長。

表4 單摻不同聚合物乳液的自密實混凝土黏結強度對比

3.4 體積穩定性

干燥收縮率用于表征自密實混凝土的體積穩定性。干燥收縮率越小，自密實混凝土體積穩定性越好。

單摻不同聚合物乳液的自密實混凝土干燥收縮率隨齡期變化曲線見圖2?？芍?，單摻三種聚合物乳液后自密實混凝土干燥收縮率均會降低，尤其是7 d齡期前降幅明顯。7 d 齡期時摻入EVA、SAE、SBR 乳液后，自密實混凝土干燥收縮率分別為2.69 × 10-4、2.63 × 10-4、2.53 × 10-4，比未摻（2.86 × 10-4）時分別降低5.9%、8.0%、11.5%。56 d齡期時摻入EVA、SAE、SBR乳液后，自密實混凝土干燥收縮率分別為3.78 × 10-4、3.72 × 10-4、3.70 × 10-4，比未摻（3.88 × 10-4）時分別降低2.6%、4.1%、4.6%。原因可能是單摻聚合物乳液后，聚合物薄膜不僅減緩了水泥水化進程，而且阻止了自由水的散失，同時聚合物薄膜穿插于水泥顆粒與水化產物之間，與水化產物相互交織，填充了混凝土內一部分大孔和有害孔［17］，抑制了自密實混凝土的干燥收縮。

圖2 單摻不同聚合物乳液的自密實混凝土干燥收縮率隨齡期變化曲線

4 結論

1）單摻三種聚合物乳液后，自密實混凝土T500均增大，J 環障礙高差、貫入度和干燥收縮率均減小，黏結強度明顯提高，但摻入聚合物乳液會降低抗壓強度，其中單摻SAE、SBR乳液后自密實混凝土抗壓強度達不到C55混凝土強度要求。

2）與不摻聚合物乳液時相比，單摻EVA 乳液后自密實混凝土28 d 齡期黏結強度大于2.0 MPa，滿足Q/CR 659—2018 要求，自密實混凝土貫入度降低36.4%，56 d 干燥收縮率降低2.6%，自密實混凝土靜態穩定性和體積穩定性均明顯提高，且其抗壓強度滿足設計要求。因此，單摻EVA 乳液的自密實混凝土可用于鋼管混凝土拱橋拱肋脫空修補。