王在杭，陳瀟，王稷良

（1.云南云嶺高速公路建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南昆明 650224；2.武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070；3.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088）

新型聚合物改性水泥混凝土路用性能研究

王在杭1，陳瀟2，王稷良3

（1.云南云嶺高速公路建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南昆明 650224；2.武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070；3.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088）

針對常見路面功能層的病害，結(jié)合水泥混凝土及瀝青混凝土的優(yōu)缺點，制備了一種新型骨架密實型聚合物改性水泥混凝土功能層材料。該路面功能層材料在變形能力、彎拉強度、粘結(jié)性能、動載力學(xué)性能、耐久性、耐化學(xué)介質(zhì)侵蝕等方面性能優(yōu)異，能有效解決水泥混凝土路面平整度差、耐磨性差、抗沖擊性能差等問題，可廣泛應(yīng)用于橋面鋪裝、隧道路面、公路路面等工程領(lǐng)域。

聚合物改性水泥混凝土；功能層材料；骨架密實型；路用性能

0　前言

目前，我國高速公路路面材料主要有瀝青混凝土及水泥混凝土2種，其中瀝青混凝土路面所占比例在90%以上，瀝青混凝土路面具有平整度高、行車舒適性好、養(yǎng)護(hù)維修簡便等優(yōu)點，但也存在耐久性差、施工環(huán)境惡劣、阻燃性差、受資源條件約束嚴(yán)重等問題。水泥混凝土路面具有使用壽命長、養(yǎng)護(hù)工作量小、能源消耗少、施工簡便、對交通等級和環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點[1]。但普通水泥混凝土路面脆性大、行車舒適性差、抗沖擊及抗疲勞能力弱、容易脆斷、耐磨耗磨光性能差、易過早出現(xiàn)表面結(jié)構(gòu)破壞，這些問題導(dǎo)致普通水泥混凝土路面存在病害嚴(yán)重、使用功能低、抗滑構(gòu)造及使用壽命衰減迅速等缺陷，從而限制了水泥混凝土路面的推廣應(yīng)用[2]。如何使路面兼具水泥混凝土和瀝青混凝土路面的優(yōu)勢，而屏蔽掉二者的局限性成為研究重點。在此基礎(chǔ)上，聚合物改性水泥混凝土（簡稱PCC）復(fù)合路面應(yīng)運而生，PCC路面材料兼具了瀝青混凝土與水泥混凝土的優(yōu)點，具有高韌性、抗沖擊、抗裂、耐磨損、抗滑等性能優(yōu)勢[3-4]。PCC復(fù)合路面是針對普通水泥混凝土路面的諸多缺陷，在結(jié)合路面設(shè)計理論與混凝土材料改性研究的基礎(chǔ)上，充分利用PCC與普通水泥混凝土的不同特點而修筑的一種新型復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)形式，即使用普通混凝土或碾壓混凝土鋪筑復(fù)合式路面的下面層，上面層則選用PCC。此新型路面形式可以利用PCC優(yōu)良的力學(xué)性能、耐久性與表面功能性，在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的情況下大幅提高路面的使用壽命，并提高其高速行車的安全性與舒適性；同時又可以解決由于修筑全厚式PCC路面而帶來的造價大幅提高的問題。

1　PCC表面功能層材料設(shè)計理念

1.1懸浮密實型塑性PCC

塑性PCC是采用聚合物對普通塑性水泥混凝土進(jìn)行改性，相比普通水泥混凝土，塑性PCC具有比較明顯的路用性能優(yōu)勢，隨著聚合物摻量的增加，混凝土逐漸向柔韌性材料轉(zhuǎn)化。塑性PCC內(nèi)部材料組成結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，集料顆?；緫腋∮跐{體體系中，混凝土材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)處于懸浮密實型狀態(tài)。

圖1　塑性PCC內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)模型

這種懸浮密實型的塑性PCC的性能主要依靠聚合物改性水泥膠漿自身性能以及膠漿與集料之間的粘結(jié)能力，其材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型在很大程度上弱化了集料自身高強度、高耐久的性能優(yōu)勢，在經(jīng)濟性能及使用性能方面都不理想。在施工方面，由于聚合物具有很強的表面活性，塑性PCC利用常規(guī)的振搗方式時，其施工性能并不好，聚合物引入的氣泡難以消除，且混凝土不易振搗密實，這在很大程度上影響了聚合物的改性效果以及PCC的路用性能。

1.2多孔型PCC

多孔型PCC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為“骨架空隙型”狀態(tài)（見圖2），該結(jié)構(gòu)主要依靠粗骨料之間的堆積嵌鎖以及聚合物改性水泥膠漿的接觸粘結(jié)作用，由于粗骨料之間的接觸面積較小，粗骨料彼此之間僅僅是依靠“骨架節(jié)點”作用來進(jìn)行強度支撐，無法得到有效粘結(jié)。該結(jié)構(gòu)沒有充分發(fā)揮聚合物水泥膠漿優(yōu)異的粘結(jié)性能，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部骨料粘結(jié)作用差，混凝土抵抗疲勞破壞作用差，將其應(yīng)用于高等級公路路面中容易在重載作用下導(dǎo)致表面集料飛散、剝離。并且在寒冷地區(qū)，由于凍融循環(huán)等作用，多孔型PCC由于內(nèi)部連通空隙大，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易在自由水的凍脹作用下發(fā)生體積變形，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)碎裂破壞，嚴(yán)重影響路面的使用功能及耐久性。

圖2　多孔型PCC內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)模型

1.3新型骨架密實型PCC

新型PCC表面功能層材料吸收了“懸浮密實型”結(jié)構(gòu)和“骨架空隙型”結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，有效克服了這2種結(jié)構(gòu)的缺陷，形成了一種“骨架密實型”結(jié)構(gòu)（見圖3），其結(jié)構(gòu)特點為：粗集料在內(nèi)部形成堅固嵌擠的骨架，細(xì)集料和聚合物改性水泥膠漿有效填充骨架中的空隙，使PCC既密實、空隙率小，使水不容易透入，又具有較高的承受荷載作用及溫度梯度的能力，從而大幅度提高材料的路用性能[5-6]。

圖3　新型骨架密實型PCC內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)模型

2　PCC表面功能層材料的原材料與組成設(shè)計方法

2.1原材料

水泥：P·O42.5水泥，表觀密度3.10 g/cm3，細(xì)度1.25%，標(biāo)準(zhǔn)稠度27.4%，安定性合格，主要物理性能見表1。

減水劑：FDN-1萘系高效減水劑（粉劑），減水率大于20%。

聚合物乳液：丁苯乳液，固含量51%，pH值7.8～10.0。

纖維：聚酯纖維，長度12 mm，使用時按體積比摻加。

表1　水泥的主要物理性能

集料：輝綠巖，根據(jù)粒徑不同分為3種，其中1#集料粒徑為0～2.36 mm，2#集料粒徑為2.36～4.75 mm，3#集料粒徑為4.75～9.5 mm。3種集料的篩分結(jié)果見表2。

表2　3種集料的篩分結(jié)果

2.2組成設(shè)計方法

作為新型道路攤鋪材料，PCC應(yīng)達(dá)到以下要求：（1）PCC中的集料應(yīng)達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)，集料之間應(yīng)相互緊密嵌鎖在一起；（2）聚合物改性水泥膠漿能夠在外力振動作用下較好地填充在集料形成的孔隙中，使PCC基體內(nèi)部的孔隙盡可能降到最低，從而達(dá)到不僅內(nèi)部密實、抗?jié)B性能好而且又能較好的抵抗外部荷載的效果[7-8]。根據(jù)體積分析方法對表面功能材料PCC進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計過程中引入漿體充盈系數(shù)指數(shù)Dp（漿體體積與集料空隙體積的比值），如假設(shè)Dp=1.0時，即PCC內(nèi)部集料之間的空隙完全被聚合物改性水泥膠漿漿體所填滿。

根據(jù)計算出的理論配合比進(jìn)行試配并以抗壓、抗折強度和壓折比為主要評價指標(biāo)，對理論配比進(jìn)行驗證與調(diào)整，最終得到PCC的實際配合比及對比的普通混凝土配比見表3。

表3　PCC與對比的普通混凝土配合比

3　PCC表面功能層材料工作性與成型方式

試驗探究了PCC稠度-材料性能-成型方式三者之間的關(guān)系，優(yōu)選出合適的PCC稠度狀態(tài)。為了找出PCC達(dá)到最佳材料性能所對應(yīng)的稠度狀態(tài)以及適宜的成型方式，采用改變減水劑摻量方式對PCC稠度進(jìn)行調(diào)整，具體的稠度狀態(tài)主要分為3種：（1）超干硬性[改進(jìn)VC值為（20±5）s]，編號為A1，其中A1-1組采用平板振動器成型，A1-2組采用振動壓實儀成型；（2）干硬性（外加劑摻量為0.8%，改進(jìn)VC值為0～5 s），編號為A2；（3）低塑性（外加劑摻量為1.2%，坍落度為30 mm），編號為A3。3種不同稠度狀態(tài)下密實度隨成型時間的變化如圖4所示。

圖4　不同稠度狀態(tài)下密實度隨成型時間的變化

由圖4可見，隨著成型時間的延長，混凝土的密實度逐漸提高，接近理論值后趨于穩(wěn)定。其中，A1-1組采用平板振動器成型的初始密實度最低，為71.2%，隨著振動壓實成型時間的延長，密實度呈現(xiàn)不同程度的提高，而提高幅度逐漸放緩，至成型時間為60 s后，混凝土的密實度穩(wěn)定在97.2%；采用功率更高的振動壓實儀成型的A1-2組則隨著振動壓實時間的延長，密實度逐漸提高，約在40 s時密實度達(dá)到98.5%，之后曲線趨于穩(wěn)定，與A1-1組相比，達(dá)到密實度變化穩(wěn)定時間有所縮短?？梢娫诟倪M(jìn)VC值為20 s時，采用壓實功率更大的振動壓實儀比小功率的改制平板振動器更合適。對比采用改制平板振動器成型的2組試樣，A1比A2密實度穩(wěn)定時間要長50 s；A3的成型方式相對A1、A2更為簡單，采用振動臺振動15 s即可達(dá)到較高的密實度狀態(tài)。因此從成型方式的角度來講，流動性越好，成型效率越高，但為適合復(fù)合式路面施工要求，采用A2工作狀態(tài)更加合適，施工過程中可較為迅速達(dá)到密實狀態(tài)。也可由此確認(rèn)PCC適合的外加劑摻量為0.8%。

4　PCC表面功能層材料路用性能

4.1優(yōu)良的抗折強度和壓折比

按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試PCC與普通混凝土力學(xué)性能，結(jié)果見表4。

表4　PCC與普通混凝土的力學(xué)性能

由表4可見，與普通水泥混凝土相比，PCC不同齡期的抗壓強度有所下降，但抗折強度均有顯著的提高，而壓折比也出現(xiàn)了較大程度的下降。與普通混凝土相比，PCC的28 d抗折強度提高了37.5%；28 d壓折比降低了53.0%。這說明聚合物乳液的加入使得PCC抵抗彎拉變形的能力顯著增強，并且脆性降低而柔性增大。

4.2突出的彎曲韌性

參照日本土木工程師學(xué)會（JCI）的JSCE-SF4《鋼纖維混凝土彎曲韌度實驗方法》測試PCC的荷載-撓度曲線，結(jié)果如圖5所示。

圖5　PCC的荷載-撓度曲線

由圖5可見，相比普通水泥混凝土，PCC的抗彎極限強度提高了42.1%，而彎曲韌性提高了205%。表明PCC吸收破壞能、抵抗變形的能力大幅提高，柔韌性相比普通水泥混凝土有了很大程度的提高。

4.3優(yōu)異的抗沖擊性能

參照ACI 544.2R—89《Measurement of Properties of Fiber Reinforced Concrete》中的“落重法”，對摻加少量聚酯纖維的PCC抗沖擊性能進(jìn)行測試。結(jié)果顯示：PCC的沖擊功為35867 N·m，相比普通水泥混凝土（10035 N·m）提高257.4%。

4.4較好的飛散性能

參照J(rèn)TJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中肯塔堡飛散試驗方法進(jìn)行測試。結(jié)果表明，PCC的飛散損失率為9.2%，比普通水泥混凝土和瀝青混凝土分別降低37.0%、42.5%，符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》小于20%的要求。

4.5優(yōu)良的耐磨性能

參照J(rèn)TG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》耐磨性試驗方法進(jìn)行測試。結(jié)果表明，PCC的耐磨性能較普通水泥混凝土有很大提升，單位面積磨損量為2.40 kg/m2，比普通水泥混凝土（5.20 kg/m2）減少了53.8%。

4.6良好的抗裂性能（見圖6）

由圖6可見，PCC不同齡期的干縮率均明顯小于普通水泥混凝土，其中60 d的干縮率為336.4×10-6，比普通水泥混凝土降低了20.3%。

圖6　PCC與普通混凝土的干縮性能對比

5　結(jié)語

（1）結(jié)合多孔型PCC和懸浮密實型塑性PCC的結(jié)構(gòu)特點以及性能優(yōu)缺點，提出了一種新型骨架密實型聚合物復(fù)合改性PCC材料，該新型鋪裝材料有效綜合了“骨架空隙型”和“懸浮密實型”2種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點并具有較好的路用性能。

（2）對PCC表面功能材料的工作性及其評價方法進(jìn)行了研究，通過研究3種稠度狀態(tài)下的PCC的力學(xué)性能，優(yōu)選出的PCC的工作性為改進(jìn)VC值0～5 s。

（3）研究了PCC表面功能材料組成與性能之間的關(guān)系，與普通水泥混凝土相比，PCC的28 d抗折強度提高37.5%，28 d壓折比降低52.9%，沖擊功提高257.4%，彎曲韌性提高205%，單位面積磨損量降低53.8%，60 d干縮率降低20.3%。

[1]胡長順，王秉綱.復(fù)合式路面設(shè)計原理與施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，1999.

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Study on road performance of new polymer modified cement concrete

WANG Zaihang1，CHEN Xiao2，WANG Jiliang3
（1.Yunnan Yunling Expressway Construction Group Co.Ltd.，Kunming 650224，China；2.Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；3.Research Institute of Highway Ministry of Transport，Beijing 100088，China）

In view of the common diseases of pavement functional layer，combined with the advantages and disadvantages of cement concrete and asphalt concrete，a new kind of dense framework structure polymer modified cement concrete functional layer material was prepared.The polymer modified cement concrete pavement functional layer material with excellent deformation capacity，bending strength，adhesive properties，dynamic load mechanical properties，durability，resistance to chemical erosion performance，can effectively improve the smoothness，wear resistance，impact resistance of cement concrete pavement，can be widely used in bridge deck pavement，tunnel pavement，highways pavement，etc.

polymer modified cement concrete，functional layer material，dense framework structure，road performance

TU528.41

A

1001-702X（2016）10-0056-04

交通運輸部建設(shè)科技項目（2011318223420）

2016-02-15；

2016-03-25

王在杭，男，1974年生，云南盈江人，正高級工程師，主要從事工程施工管理工作。