鄭腰華

(中鐵二十四局集團有限公司 上海 200433)

1 引言

隨著大量工程項目的建設，天然河砂資源匱乏，且存在地域性，無法滿足多數(shù)工程項目需求。在沒有天然河砂的山區(qū)，機制砂容易生產(chǎn)，可以就地取材，節(jié)約運輸成本，有較好的經(jīng)濟效益；機制砂替代天然河砂大量應用到工程中，但機制砂存在顆粒級配差，粒形棱角多，石粉含量不易控制。由于機制砂的特性，導致機制砂水泥混凝土保水性差，易泌水、離析，使混凝土的工作性能和耐磨性能下降，為了彌補機制砂的這些缺點，通過加入黏稠高韌性的聚合物，可以有效地改善水泥混凝土的工作性能以及路用性能，提高其抗折強度和耐久性。加入聚合物的水泥混凝土具有瀝青混合料的高韌性、高抗裂性和耐磨性等優(yōu)勢，同時又有水泥混凝土的高強度[1]。我國聚合物改性水泥混凝土方面的研究較早，但由于摻入聚合物增加了混凝土的成本，使得聚合物改性混凝土的應用還不是很廣泛，主要用于公路工程的路面修補，水庫的防護坡面修補和港口防滲處理等[2]。摻入聚合物對水泥混凝土力學性能影響還存在不同的看法，尤其是在機制砂水泥混凝土中摻聚合物的研究不多。本文主要以云貴川等地的高速公路工程為基礎，從機制砂的特性出發(fā)，采用單因素法研究機制砂水泥混凝土的工作性能和力學性能，為在工程的應用中提供依據(jù)。

2 原材料與試驗配合比

2.1 原材料

(1)水泥:亞東普通硅酸鹽水泥P.O42.5，主要性能指標如表1所示。

表1 水泥主要性能指標

(2)細集料:由機械破碎加工后的機制砂，Ⅰ區(qū)粗砂，細度模數(shù)3.2，石粉含量6.4%，空隙率41.4%，壓碎指標15%。

(3)粗集料:采用5～31.5 mm連續(xù)級配碎石，含泥量0.5%，空隙率46.3%，壓碎指標值16.2%。

(4)外加劑:采用聚羧酸高效減水劑(緩凝型)，摻量為1.0%，減水率實測值為30.6%。消泡劑(有機硅類)，摻量為1.0%。

(5)聚合物:采用市場上購買的聚丙烯酸酯乳液，主要性能指標見表2。

表2 聚丙烯酸酯乳液主要性能指標

2.2 試驗配合比

混凝土配合比按照C40設計，設計坍落度180～220 mm，砂率43%。聚丙烯酸酯乳液按照水泥摻量的5%、10%、15%、20%加入混凝土中，為保證相同坍落度，經(jīng)調試水灰比，確定的配合比見表3。

表3 混凝土配合比設計

3 試驗結果與分析

聚合物機制砂水泥混凝土拌合物性能和力學性能檢測方法參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30-2005)。

3.1 聚合物對機制砂水泥混凝土的和易性的影響

隨著國家加大對基礎建設的投資力度，混凝土及細集料用量加大。河砂的大量開采已經(jīng)破壞了河床，對周圍的環(huán)境造成了不良影響，隨著國家對環(huán)保的重視，目前部分河流已經(jīng)禁止開采河砂。在云貴川等地區(qū)天然河砂資源匱乏，機制砂在這些區(qū)域的應用越來越廣。機制砂由碎石破碎加工而成，與天然砂相比具有棱角，形狀不規(guī)則，針片狀顆粒含量大，表面較粗糙[3]。級配不良，2.36 mm以上及0.15 mm以下顆粒較多，而1.18～0.3 mm顆粒較少，且表面吸水率高，增加混凝土的拌和用水量，從而影響到混凝土的工作性能、力學性能、耐久性和體積穩(wěn)定性。

聚合物聚丙烯酸酯乳液的加入，在機制砂混凝土中起到增黏效應和潤滑作用。黏稠的聚丙烯酸酯乳液的加入可以減少混凝土的泌水，顯著提高機制砂水泥混凝土的粘聚性和保水性；同時在同等坍落度和擴展度情況下，聚合物的加入可以有效降低水灰比，減少混凝土的用水量，保證其它材料不變的情況，能有效改善機制砂水泥混凝土的和易性[4]。同時對其他材料起到浸濕和潤滑作用，彌補機制砂多棱角和表面粗糙的缺點，克服機制砂形狀不規(guī)則的不良影響，增加混凝土的流動性。聚丙烯酸酯乳液在攪拌過程中會在混凝土中引入氣泡，含氣量的增加一定程度上也改善了混凝土的流動性。

3.2 聚合物對混凝土抗壓強度的影響

按照表3混凝土配合比設計，采用不同聚灰比(0、0.05、0.10、0.15、0.20)拌制的機制砂水泥混凝土，分別取樣制作了立方體抗壓強度試件15組，抗彎拉強度試件15組。在標準養(yǎng)護條件(溫度(20±2)℃，相對濕度>95%)下，養(yǎng)護到28 d齡期后進行混凝土力學性能試驗。不同聚灰比混凝土分別制作3組試件，以3組試件平均值為強度結果代表值。不同聚灰比P/C的混凝土抗壓強度結果如圖1所示。

圖1 不同聚灰比P/C的混凝土28 d抗壓強度結果

由圖1可知，摻入不同量的聚丙烯酸酯乳液，機制砂水泥混凝土28 d齡期的抗壓強度結果為:與基準混凝土相比，當聚灰比P/C為0.05時，混凝土抗壓強度降低了2.8%；當P/C為0.10時，混凝土抗壓強度降低了3.4%；當P/C為0.15時，混凝土抗壓強度降低了8.5%；當P/C為0.20時，混凝土抗壓強度降低了14.7%。

以上結果說明在機制砂混凝土中加入聚合物聚丙烯酸酯乳液會降低其抗壓強度，降低的程度不一樣，當聚灰比P/C小于0.10時，混凝土抗壓強度降低較少，減少在3%左右；當聚灰比P/C大于0.15時，混凝土抗壓強度降低比較明顯，如當聚灰比為0.20時，水泥混凝土抗壓強度僅為42.3 MPa。聚合物的加入造成混凝土抗壓強度降低主要是由于聚合物為黏稠的乳液，加入水泥混凝土中，經(jīng)過攪拌滲入并吸附到各類材料上，形成聚合物膜，一方面會將沒有水化的水泥顆粒包裹、隔離，減少水泥與水的接觸，水泥的進一步水化反應受到一定的影響，阻礙部分水泥水化產(chǎn)物水泥石的形成，而這種影響會隨著聚灰比的增大而增大。另一方面聚合物形成的聚合物膜會和水泥石形成空間網(wǎng)架結構[5]，但是，在混凝土內部結構中，形成的聚合物膜剛度不足，使得混凝土抗壓強度降低[6]。

3.3 聚合物對水泥混凝土抗折強度的影響

水泥混凝土彎拉抗折強度是混凝土的一項重要控制指標，在公路路面、結構物梁體以及水庫大壩都有較高要求，其大小是否滿足設計要求，將直接影響到混凝土的整體質量及使用壽命。進行混凝土抗折試驗，主要采用萬能試驗機和配套的輔助試驗裝置，在凈跨450 mm、三分點處雙支點荷載作用下的彎拉破壞得到抗折強度。

試件養(yǎng)護28 d齡期取出后保持混凝土的干濕狀態(tài)，測量尺寸，以速度為0.05～0.08 MPa/s連續(xù)勻速加荷，直至破壞，記錄并計算得出混凝土抗折強度，聚合物機制砂水泥混凝土抗折強度結果如圖2所示。

圖2 不同聚灰比P/C的混凝土28 d抗折強度結果

由圖2可知，與普通機制砂混凝土相比，摻入聚合物聚丙烯酸酯乳液的混凝土抗折強度情況為:當聚灰比P/C為0.05時，混凝土抗折強度提高了3.9%；當P/C為0.10時，混凝土抗折強度提高了16.5%；當P/C為0.15時，混凝土抗折強度提高了21.5%；當P/C為0.20時，混凝土抗折強度提高了24.1%。

以上結果說明水泥混凝土加入聚合物后，其抗折強度明顯提高，且聚灰比P/C越大，抗折強度越高，結果顯示聚灰比與抗折強度沒有明顯的呈線性關系。在聚灰比為0.05時，混凝土抗折強度提高不明顯；但當聚灰比為0.10時，抗折強度有明顯地提高，提高了16.5%。一方面，聚合物乳液的加入填充了混凝土內部的一些間隙，使得混凝土更加密實，改善了混凝土的強度。另一方面，抗折強度的增加與聚丙烯酸酯乳液形成的聚合物膜具有高韌性有關，在集料和水泥石以及集料與集料之間形成的聚合物膜在收到彎拉荷載時起到回彈緩沖作用，減少應力集中，緩沖了集中彎拉應力對混凝土結構的破壞，使得混凝土抗折強度增加。

3.4 聚合物機制砂水泥混凝土的折壓比

一般的鐵路和市政工程項目，主要要求較高的抗壓強度，但是在公路工程路面用混凝土對其抗折強度要求較高，為保證混凝土路用性能，折壓比是一項重要指標。相同養(yǎng)護條件下，影響水泥混凝土折壓比的因素很多，主要有混凝土用粗集料粒徑、砂率、用水量等[7]。機制砂還要考慮其壓碎值，與天然河砂水泥混凝土相比，當機制砂的壓碎指標值小于17%時，混凝土折壓比更高，抗彎拉性能更強，具有更好的路用性能[8]。通過計算，得出不同聚灰比的水泥混凝土的折壓比結果如圖3所示。

圖3 聚合物機制砂水泥混凝土的折壓比

由圖3可知，在機制砂水泥混凝土中加入一定量的聚丙烯酸酯乳液聚合物，其折壓比明顯提高，具體情況為:未摻聚合物的混凝土折壓比為12.0%，當聚灰比P/C為0.05時，折壓比為12.8%，相比提高了6.7%；當P/C為0.10時，折壓比為14.4%，相比提高了20.0%；當P/C為0.15時，折壓比為15.9%，相比提高了32.5%；當P/C為0.20時，折壓比為17.4%，相比提高了45.0%。

說明了聚合物的加入，機制砂水泥混凝土的折壓比明顯提高，因為聚合物的加入改變了混凝土內部的結構，使混凝土的抗壓強度有所降低，同時明顯地提高了混凝土的抗折強度，使得折壓比提高。

4 機理分析

聚合物乳液本身較為黏稠，具有降低混凝土用水量的效果，并有一定的潤滑作用，改善機制砂混凝土的粘聚性和保水性。聚合物在攪拌過程中會產(chǎn)生氣泡，一定的含氣量可以改善混凝土的流動性，但是會降低混凝土的抗壓強度，所以在摻入聚合物的同時應摻入一定量的消泡劑，通過試驗，消泡劑摻入量為1.0%效果較好。

水泥混凝土是由不同粒徑的各類材料相互填充，機制砂填充到碎石骨架空隙中，而水泥水化產(chǎn)物水泥石又填充到集料間的空隙中，形成一個近似密實結構。而混凝土的強度取決于水泥混凝土中水泥石和各種材料的內聚力、結構致密程度、界面結合力等，當混凝土在受壓的情況下內部的裂隙擴展直致連通，最終導致混凝土結構破壞。通過摻入聚合物，形成的聚合物膜交織在與水泥水化產(chǎn)物和集料中，且聚合物乳液會滲入到水泥石中的微裂隙和混凝土各種材料的間隙中，浸潤和滲透水泥水化產(chǎn)物從而形成了致密的立體網(wǎng)架結構，有效地改善水泥混凝土的力學性能[9-10]，同時黏性高的柔性聚合物膜可以填補混凝土內部各類材料間的裂縫與空洞，并在各種剛性材料間形成彈性緩沖帶，吸收動載能量，緩沖彎拉集中應力對混凝土的破壞，從而改善混凝土抗折強度和折壓比[11-13]。

5 結束語

機制砂和聚合物在水泥混凝土中的特性互補和成本均衡，且聚丙烯酸酯乳液水泥砂漿技術已經(jīng)比較成熟，市場上也有很多成品，所以通過加入聚合物來改善機制砂水泥混凝土有廣泛的應用前景。通過對聚合物機制砂水泥混凝土工作性能和力學性能的研究，主要得到以下結論:

(1)通過加入一定量的聚丙烯酸酯乳液聚合物能夠有效彌補機制砂混凝土泌水、離析、粘聚性較差的缺點，改善混凝土和易性。

(2)聚合物的加入在攪拌過程中會產(chǎn)生氣泡，混凝土的含氣量增加，改善了新拌水泥混凝土流動性的同時會降低混凝土的強度，在加入聚合物時，同時要加入一定量的消泡劑。

(3)通過檢測不同聚灰比下的混凝土抗壓強度和抗折強度，并計算分析折壓比，權衡聚合物對混凝土的抗壓強度和抗折強度的影響，得出在聚灰比為0.10時，混凝土路用性能最佳，推薦聚合物最佳摻量為水泥用量的10%。

(4)由于成本原因，目前聚合物機制砂水泥混凝土的應用還不是太廣，對于抗折強度和折壓比要求高的路面用混凝土，值得推廣使用，尤其是其黏性較強的特性，可以大量用于坡面防水混凝土和路面混凝土的修補。