寧 毅， 李文凱

（1.河南中州路橋建設(shè)有限公司，河南周口 466000； 2.河南交院工程技術(shù)有限公司，鄭州 450000）

隨著我國(guó)交通事業(yè)的快速發(fā)展，交通方面的基礎(chǔ)建設(shè)日益完善，水泥混凝土具有良好的耐久性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，常常應(yīng)用到公路、大型結(jié)構(gòu)的建設(shè)當(dāng)中. 但隨著使用年限及交通量的逐年增長(zhǎng)，水泥混凝土路面容易出現(xiàn)不同程度的破壞，例如混凝土板塊破碎、脫空、露骨、裂縫、板角斷裂等病害［1-5］. 此外，外部環(huán)境會(huì)對(duì)大體積混凝土造成嚴(yán)重腐蝕，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度、耐久性降低. 雨水中的氯鹽、硫酸鹽也會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成侵蝕，最終導(dǎo)致初期病害進(jìn)一步的惡化，嚴(yán)重影響建筑物的使用安全性及使用壽命［6-12］. 因此，改善水泥混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能以及耐腐蝕能力對(duì)延長(zhǎng)基礎(chǔ)設(shè)施使用年限有著重大意義. 聚合物改性水泥混凝土，不僅滿足常規(guī)普通水泥混凝土抗壓強(qiáng)度的要求，同時(shí)抗拉能力、抗彎能力及抗沖擊能力都有明顯改善，同時(shí)能夠改善混凝土構(gòu)件抗腐蝕能力［13-18］. 李祝龍對(duì)聚合物改性水泥混凝土改善公路路用性能方面進(jìn)行了詳細(xì)研究［19］.羅立峰將聚合物改性劑添加到鋼纖維水泥混凝土中，在橋面鋪裝工程中取得了很好的效果［20］. 申愛(ài)琴對(duì)水泥路面的裂縫成因進(jìn)行了研究，制備出性能較好的聚合物改性水泥路面裂縫修補(bǔ)材料［21］. 本文通過(guò)聚合物改性水泥混凝土力學(xué)性能、耐久性能研究，分析聚合物改性劑的摻入對(duì)水泥混凝性能的影響.

1 水泥混凝土原材料性能及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料性能研究

本研究選用42.5#普通硅酸鹽水泥，主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1. 細(xì)集料為河沙，起到填充作用；粗集料為石灰?guī)r碎石，起到骨架支撐的作用，粗、細(xì)集料篩分結(jié)果分別見(jiàn)表2、表3.

表1 42.5#普通硅酸鹽水泥相關(guān)性能指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Related performance indexes and test results of 42.5#Portland cement

表2 粗集料篩分結(jié)果Tab.2 Screening result of coarse aggregate

表3 細(xì)集料篩分結(jié)果Tab.3 Screening results of fine aggregate

由表1、表2、表3可以得出，42.5#普通硅酸鹽水泥化學(xué)及物理指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果均能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求；粗、細(xì)集料篩分結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范級(jí)配要求.

1.2 聚合物改性劑

聚合物改性劑是由AB-EP-4型環(huán)氧樹脂、AB-HGA 型環(huán)氧固化劑按照3∶2的質(zhì)量比例摻配而成，其主要技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表4、表5.

表4 環(huán)氧樹脂主要技術(shù)指標(biāo)Tab.4 Main technical indexes of epoxy resin

表5 環(huán)氧固化劑主要技術(shù)指標(biāo)Tab.5 Main technical indexes of epoxy curing agent

1.3 配合比設(shè)計(jì)

本研究成型五種不同聚灰比（聚合物與水泥質(zhì)量之比）混凝土試件，聚灰比依次為0%、3%、6%、9%、12%. 5種混凝土配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表6.

表6 混凝土配合比設(shè)計(jì)結(jié)果Tab.6 Design results of concrete mix ratio

2 混凝土力學(xué)性能研究

圖1 坍落度與聚灰比關(guān)系Fig.1 The relationship between slump and ash ratio

2.1 混凝土和易性試驗(yàn)

為保證改性劑能夠均勻摻配到混合料中，攪拌過(guò)程中先加入水泥、砂、石以及水，強(qiáng)制拌和均勻，最后加入聚合物改性劑，攪拌均勻后檢測(cè)混凝土的和易性，不同聚灰比混凝土坍落度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.

由圖1 可以得出，隨著改性劑摻量的變大，混凝土坍落度逐漸升高，表明改性劑的摻入能夠改善混凝土的和易性，且隨著摻量的增加，改善效果越顯著. 參照相關(guān)規(guī)范要求，泵送混凝土坍落度為100～150 mm，因此，當(dāng)聚灰為6%左右時(shí)混凝土和易性較好.

2.2 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

將滿足齡期要求的混凝土試件從標(biāo)養(yǎng)室中取出，表面擦干，調(diào)整好試件位置后壓力機(jī)以0.5～0.8 MPa/s 的速率加載，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后記錄試件破壞時(shí)的極限荷載. 不同齡期、不同聚灰比時(shí)混凝土試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2.

由圖2可以得出，同一齡期的混凝土試件隨著聚灰比的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，但降幅較??；同一聚灰比的混凝土試件隨著齡期的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸升高，升高幅度較為明顯. 表明齡期與聚灰比都對(duì)混凝土強(qiáng)度有影響，其中齡期影響程度較大.

2.3 混凝土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28、60 d 齡期的混凝土試件從標(biāo)養(yǎng)室中取出，表面擦干，調(diào)整試件位置，墊條與試件上、下表面中軸線對(duì)齊，然后壓力機(jī)以0.05～0.08 MPa/s 的速率行加載，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后記錄試件破壞時(shí)的極限荷載，不同齡期、不同聚灰比時(shí)混凝土試件抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3.

由圖3 可以得出，隨著聚灰比的增加，28、60 d齡期混凝土試件抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且都在聚灰比為6%時(shí)達(dá)到最大，較未摻聚合物改性劑的混凝土試件分別提高29.5%、14.0%；當(dāng)聚灰比相同時(shí)，隨著齡期的增大，混凝土試件抗拉強(qiáng)度也會(huì)增強(qiáng).

圖2 抗壓強(qiáng)度與聚灰比及養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系Fig.2 Relationship between compressive strength and ash accumulation ratio and curing age

圖3 抗拉強(qiáng)度與聚灰比及養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系Fig.3 Relationship between tensile strength，ash accumulation ratio and curing age

2.4 混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d齡期的混凝土試件從標(biāo)養(yǎng)室中取出，表面擦干，放置于試驗(yàn)機(jī)上，然后采用四點(diǎn)法以0.05～0.08 MPa/s的加載速率試驗(yàn)，不同聚灰比時(shí)混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4.

由圖4 可以得出，隨著聚灰比的變大，混凝土試件抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)摻量為6%時(shí)，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到峰值，較未摻改性劑的混凝土提高22.0%.

圖4 抗折強(qiáng)度與聚灰比關(guān)系Fig.4 Relationship between flexural strength and ash ratio

3 混凝土耐久性能研究

3.1 混凝土動(dòng)彈性模量試驗(yàn)

聚合物改性劑的摻入能夠改善混凝土抗凍性，試驗(yàn)過(guò)程中不同聚灰比混凝土試件分別經(jīng)過(guò)80、105、135、155、185次凍融循環(huán)作用后發(fā)生破碎［22-23］. 不同凍融循環(huán)周期后混凝土試件動(dòng)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5.

由圖5 可以得出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，混凝土試件動(dòng)彈性模量逐漸降低；當(dāng)聚合物改性劑摻量不大于6%時(shí)，混凝土試件在凍融循環(huán)未超過(guò)140 次時(shí)發(fā)生破壞，當(dāng)摻量分別為9%、12%時(shí)，混凝土試件在凍融循環(huán)未超過(guò)190次時(shí)發(fā)生破壞；當(dāng)聚合物改性劑摻量為12%時(shí)，混凝土試件動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大降幅較其他摻量時(shí)緩慢，表明其抗凍性能最好.

3.2 混凝土質(zhì)量損失試驗(yàn)

混凝土試件在經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)作用后，表層會(huì)出現(xiàn)裂縫、細(xì)集料剝落等病害，引起混凝土試件質(zhì)量損失［24］. 不同凍融循環(huán)周期后混凝土試件質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6.

由圖6 可以得出，聚合物摻量相同時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，試件質(zhì)量損失率逐漸增加，同時(shí)摻入聚合物改性劑混凝土質(zhì)量損失率的變化曲線較未摻改性劑的緩慢得多. 表明聚合物改性劑的摻入能夠改善骨料之間的黏結(jié)能力，增強(qiáng)混凝土的抗凍性，當(dāng)聚合物摻量為9%～12%時(shí)，混凝土抗凍性能較好.

圖5 動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationship between dynamic elastic modulus and number of freezing thawing cycles

圖6 質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.6 Relationship between mass loss rate and number of freeze-thaw cycles

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)聚合物改性水泥混凝土力學(xué)及耐久性能研究得出以下結(jié)論：

1）隨著聚合物摻量的增加，混凝土坍落度逐漸變大，考慮泵送混凝土坍落度應(yīng)滿足100～150 mm范圍的要求，選擇聚灰比為6%能夠保障混凝土具有較好的泵送效果.

2）隨著聚灰比的增大，混凝土試件抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且都在摻量為6%時(shí)達(dá)到峰值. 因此，當(dāng)聚合物改性劑摻量為6%時(shí)，混凝土力學(xué)性能改善效果最優(yōu).

3）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，混凝土試件動(dòng)彈性模量逐漸降低，當(dāng)聚合物改性劑摻量為12%時(shí)，混凝土抗凍性能最好；聚合物摻量相同時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，試件質(zhì)量損失率逐漸增加，同時(shí)摻入聚合物改性劑混凝土質(zhì)量損失率的變化曲線較未摻改性劑的緩慢得多，從質(zhì)量損失率角度考慮，當(dāng)聚合物摻量為9%～12%時(shí)，混凝土抗凍性能較好.