聚合物机制砂水泥混凝土路用性能研究

聚合物机制砂水泥混凝土路用性能研究

张凯

张凯

重庆市交通规划勘察设计院重庆市401121

摘要：本章主要通过试验的方法研究不同聚灰比的聚合物机制砂水泥混凝土路用性能，聚合物掺量有0%、1%、3%和5%四种。试样拌和好后立刻进行新拌混凝土工作性试验，养护完成后分别测试硬化水泥混凝土的路用性能。

关键词：聚合物机制砂；水泥混凝土；路用性能

引言

聚合物改性水泥混凝土可作为路面面层材料，环境因素和车辆荷载等长期直接作用在路面上，因此，对于聚合物改性水泥混凝土来说，良好的路用性能必不可少。广西地区的机制砂因含有较高的石粉含量而使所制得的水泥混凝土耐磨性降低，加上水泥混凝土本身刚度过大、脆性大、易开裂、变形性能差，因此考虑加入少量聚合物改善机制砂水泥混凝土的路用性能。

1试件的制作工艺

1.1试件的制作要求

根据《规程》[45]中新拌水泥混凝土工作性试验和硬化水泥混凝土路用性能试验规定，聚合物水泥混凝土试样制作时主要有如下要求：（1）拌合物的总量应比所需量大，以1%的精度称量烘干后的集料，并以0.5%的精度称量除集料外的原材料。（2）倘若外加剂是液体或者水溶性的，在将其加入混合料之前，应当与水先拌合。（3）用来拌制聚合物水泥混凝土的每一种用具都应在使用前先用水润湿。（4）拌合物搅拌机内加入干料的顺序为粗集料、细集料、水泥，水在拌合过程中应当缓缓倒入，整个加料过程应控制在两分钟内完成，待水加入完毕，再拌和大概两分钟的时间后，将拌合料置于铁板上人工拌和约一到两分钟。（5）在试件成型之前，试模需经过检查才能使用，必须注意的是，事先应涂抹一层矿物油于试模内部的表面。（6）聚合物水泥混凝土取样和成型应在拌合后尽量短的时间内完成，进行坍落度试验不宜超过5min，开始成型硬化水泥混凝土性能试验所用试件不宜超过15min。（7）当新拌水泥混凝土的坍落度在25mm~70mm范围内时，应当采用标准振动台成型试件。

1.2试件的制作步骤

拌合聚合物改性水泥混凝土时，根据不同的原材料掺加顺序，得到不同的聚合物水泥混凝土制作方法。为达到良好的工作性和改性效果，通过大量实验，总结出聚合物机制砂水泥混凝土试件制作方法，具体步骤如下：（1）将粗集料、机制砂和水泥加入混凝土搅拌机中搅拌，使其混合均匀制成干料；（2）将称量好的聚合物乳液、消泡剂加入拌合用水中，搅拌均匀制成湿料；（3）将湿料倒入装有干料的搅拌机中拌合均匀；（4）拌和好的混合料应立刻进行工作性试验或装入试模成型试件。

1.3拌合物的工作性

按照本章1.2节所述的拌和方法拌制聚合物机制砂水泥混凝土试样，参照《规程》[45]进行水泥混凝土拌合物坍落度试验。结果显示不加聚合物的机制砂水泥混凝土坍落度为45mm，而添加了聚合物的机制砂水泥混凝土坍落度约为49mm左右，均符合标准要求，说明聚合物在一定程度上增加了机制砂水泥混凝土的流动性。综合聚合物机制砂水泥混凝土的保水性、流动性和粘聚性来评价新拌混凝土的工作性能。在聚合物机制砂水泥混凝土的拌合和工作性试验过程中发现，聚合物不仅能显著增加混凝土的流动性，并且具有良好的粘聚性和保水性，几乎没有泌水和离析现象发生。这可能是因为，聚合物乳液是一种高分子乳液，其颗粒直径小，加入到水泥混凝土中，聚合物乳液颗粒在水泥浆体中能够起到轴承润滑的作用，并且添加聚合物乳液还具有引气效果，经搅拌产生的气泡也如滚珠轴承，从而改善了混凝土的流动性，并杜绝泌水和离析。但气泡并非越多越好，过多气泡的存在会显著降低水泥混凝土的致密性，并且在气泡处易引起应力集中，从而降低水泥混凝土的强度。因此加入适量的消泡剂，使得气泡尽量少、独立、细小、均匀且稳定。因聚合物乳液和消泡剂的存在，水泥混凝土在保证强度的基础上，和易性也得到提高。

2强度试验

2.1立方体抗压强度试验

聚合物机制砂水泥混凝土的抗压强度试验采用压力试验机，如图8.2所示。由于混凝土的强度等级处于C30与C60之间，因此以0.5MPa~0.8MPa的加荷速度对养护7d和28d的标准试件进行抗压强度试验，用式8.1来计算试件的立方体抗压强度。

（8.1）

抗压强度的计算结果应精确至0.1MPa，强度值的确定按规范要求进行取值。试验测得不同聚灰比的丙乳机制砂水泥混凝土7d、28d龄期的抗压强度结果见表8.2，不同聚灰比的羧基丁苯胶乳机制砂水泥混凝土7d、28d龄期的抗压强度结果见表8.3；丙乳机制砂水泥混凝土不同龄期的抗压强度与聚灰比的关系如图8.3所示，羧基丁苯胶乳机制砂水泥混凝土不同龄期的抗压强度与聚灰比的关系如图8.4所示；两种聚合物水泥混凝土28d抗压强度与聚灰比的关系如图8.5所示。

从图8.3、图8.4可以看出：不论是否添加聚合物、聚合物类型如何，水泥混凝土的抗压强度都会随着龄期的延长而增长。与普通机制砂水泥混凝土相比，聚合物机制砂水泥混凝土初期（＜28d）强度增长率更大，说明聚合物能使混凝土初期（＜28d）的水化硬化速度增加，进而使强度增长速率加快。其原因可能是聚合物中的活性基团与水泥浆体液相中的钙离子发生化学反应，消耗水化反应生成的钙离子，降低其浓度，促使水泥水化反应正向进行，水化硬化速度加快。

由表8.2、表8.3可知，与普通混凝土相比，丙乳机制砂水泥混凝土和羧基丁苯胶乳机制砂水泥混凝土不同龄期的抗压强度情况为：当聚灰比为1%时，7d的抗压强度分别减少了1%、2%，28d的抗压强度分别减少了4%、3%；当聚灰比为3%时，7d的抗压强度分别减少了7%、4%，28d的抗压强度分别减少了14%、12%；当聚灰比为5%时，7d的抗压强度分别减少了10%、4%，28d的抗压强度分别减少了19%、10%。

说明丙乳的存在会显著降低机制砂水泥混凝土的抗压强度，聚灰比愈大，抗压强度愈小；聚灰比在0%~3%范围内，抗压强度的减小速率最大；当丙乳掺量为5%时，28d抗压强度在低掺量范围内为最低值40.3MPa，相对于普通水泥混凝土下降了19%。羧基丁苯胶乳的加入使水泥混凝土的抗压强度有所降低，降低幅度不大，7d龄期的抗压强度相差无几，到28d龄期后差别明显；当聚灰比为3%时，强度下降幅度大，当聚灰比为5%时抗压强度不再减小；羧基丁苯胶乳掺量为3%时，28d抗压强度在低掺量范围为最小值43.8MPa，相对于普通水泥混凝土下降了12%。

聚合物使机制砂混凝土抗压强度降低的原因可能是当水化反应进行到后期，尤其是7d龄期以后，聚合物吸附在没有水化的水泥颗粒表面，并逐渐沉积成为紧密的薄层，之后渐渐聚结为聚合物膜，在一定程度上会抑制水泥水化反应，阻碍构成混凝土强度的水化产物生成。也可能因为集料和水化产物相互之间的挤压和摩阻力是决定水泥混凝土抗压强度的主要因素，集料间原本仅仅只有刚度大的水化产物，聚合物加入后，柔韧性好、刚度不足的聚合物膜代替部分水化产物填充在集料之间，减小了集料和水化产物之间的摩阻力和嵌锁力，因此抗压强度降低。

图8.5聚合物机制砂水泥混凝土28d抗压强度

从图8.5同样可以清楚地看出聚合物的加入会降低机制砂水泥混凝土的抗压强度。丙乳机制砂水泥混凝土与羧基丁苯胶乳机制砂水泥混凝土相比，在各种掺量下前者都比后者的28d抗压强度小。羧基丁苯胶乳机制砂水泥混凝土的抗压强度随着聚灰比增加，先减小而后又略微增加，而丙乳加入后，机制砂水泥混凝土的抗压强度呈单调递减的趋势。因此，不同种类的聚合物具有不同的性质，对于水泥混凝土的改性效果也不同，就抗压强度而言，低掺量的羧基丁苯胶乳没有丙乳对机制砂水泥混凝土的影响大。

综合来看，虽然不同掺量的聚合物机制砂水泥混凝土的抗压强度均低于普通机制砂水泥混凝土，但仍满足路面混凝土的要求。

2.2抗弯拉强度试验

论是否添加聚合物、聚合物类型如何，水泥混凝土的抗折强度都会随着龄期的延长而增长。但与普通机制砂水泥混凝土相比，聚合物机制砂水泥混凝土7d~28d之间的抗折强度增长率略大。其原因可能是聚合物成膜主要发生在水化过程的后期，水化产物与聚合物膜形成部分交织的空间网状结构是一个相对缓慢的过程，七天龄期太短，不足以形成这种结构来显著增加机制砂水泥混凝土的抗折强度。

与普通混凝土相比，丙乳机制砂水泥混凝土和羧基丁苯胶乳机制砂水泥混凝土不同龄期的抗折强度情况为：当聚灰比为1%时，前者7d的抗折强度增加了2%，后者7d的抗折强度减少了1%，28d的抗折强度分别增加了7%、4%；当聚灰比为3%时，7d的抗折强度分别增加了9%、8%，28d的抗折强度分别增加了18%、16%；当聚灰比为5%时，7d的抗折强度分别增加了10%、13%，28d的抗折强度分别增加了21%、26%.

说明丙乳的存在可以提高机制砂水泥混凝土的抗折强度，聚灰比愈大，抗折强度愈大；聚灰比在0%~3%范围内，抗折强度的增加速率最大，聚灰比从3%增加到5%时，抗折强度提高幅度很小，几乎不再增加，由此说明聚丙烯掺量达到3%时，混凝土的抗折强度较高，若再增加聚灰比，对抗折强度的改善效果不大；聚灰比为5%时，28d抗折强度在低掺量范围内达到最大值7.55MPa，相对于普通水泥混凝土提高了21%。羧基丁苯胶乳的存在会显著增加机制砂水泥混凝土的抗折强度，聚灰比愈大，抗折强度愈大；聚灰比在1%~5%范围内，抗折强度的增加速率最大；当聚灰比为5%时，28d抗折强度相对于普通混凝土增加了26%，在低掺量范围内28d抗折强度达到最大值7.86MPa。

图8.9聚合物机制砂水泥混凝土28d抗弯拉强度

从图8.9同样可以清楚地看到聚合物的加入会提高机制砂水泥混凝土的抗折强度。丙乳机制砂水泥混凝土与羧基丁苯胶乳机制砂水泥混凝土相比，当聚合物掺量范围为1%~3%时，前者比后者的28d抗折强度大，当聚灰比增加到5%时，后者的强度增加量和强度值更大。两种聚合物加入机制砂水泥混凝土中，抗折强度随聚灰比增加均呈单调递增的趋势，但羧基丁苯胶乳机制砂水泥混凝土的抗折强度增加速率一直较大，而丙乳机制砂水泥混凝土的抗折强度增加速率先增大后减小，聚灰比在3%~5%范围内的抗折强度相差无几。说明聚合物的加入有助于提高水泥混凝土的抗折强度，并且不同的聚合物对于水泥混凝土的改性效果不完全相同。

聚合物使机制砂混凝土抗折强度提高的原因主要有以下四点：

（1）良好的和易性使聚合物机制砂混凝土在拌和后，整体上质地更加均匀，各种原材料充分分散在整个结构中，硬化后薄弱环节更少。

（2）因为机制砂中大量的石粉以及聚合物颗粒的填充作用，使得整个混凝土更加致密，极大地减少了对强度不利的连通孔数量，孔隙率减少，在一定程度上避免了一部分应力集中现象的产生。

（3）聚合物膜和水化产物胶结成空间网络，加强了基体和集料的粘结。一方面界面结构的改善，减少缺陷产生和裂隙形成；另一方面，当裂隙产生后，跨越裂隙的聚合物起连接作用，而裂隙周围的柔性聚合物可以让裂纹尖端应力松弛，同时抑制和阻止裂缝进一步扩展。

（4）因为聚合物膜自身具有高抗拉强度和柔韧性，这在一定程度上与水泥硬化浆体的脆性相抵消，进而避免裂缝更快更广泛地传播。

2.3折压比

丙乳掺量为1%、3%和5%时，聚合物机制砂水泥混凝土比普通机制砂水泥混凝土的折压比增加11%、37%和48%；羧基丁苯胶乳掺量为1%、3%和5%时，聚合物机制砂水泥混凝土比普通机制砂水泥混凝土的折压比增加7%、31%和40%。聚合物水泥混凝土均比普通混凝土的折压比大，聚灰比越大，水泥混凝土的折压比越大。当聚合物掺量在1%~3%范围内时，折压比增加幅度很大，聚灰比3%和聚灰比5%的混凝土折压比差别较小。

结果表明聚合物可以使机制砂水泥混凝土的柔性增加，脆性下降，抗变形能力和容许应力提高，从一种大刚度材料向柔韧性材料转化。产生这种现象的原因可能是一方面聚合物含有表面活性剂，致使聚合物膜紧紧吸附在集料的表面上，极大地增加了基体和集料之间的粘结性；另一方面聚合物自身成膜，在混凝土内部形成聚合物膜与水化产物胶结缠绕的结构。因为在原本的水化产物和集料中增添聚合物膜构成三相体系，机制砂水泥混凝土整体结构发生改变，再加上聚合物膜具有纤维拉应力的性质，使整个体系的柔韧性和变形能力提高。并且虽然聚合物掺量较小，但与砂浆相比，聚合物的键能更大，所以低掺量的聚合物同样能显著增加水泥混凝土的柔韧性。

3耐磨性试验

3.1试验方法

试件经过28d标养后用磨耗试验机进行试验，聚合物机制砂水泥混凝土耐磨性试验采用型号为TMS-04的混凝土磨耗试验机，如图8.11所示。试件的原始质量为试件经磨耗30r后的质量，试件被磨损后的质量为试件经磨耗60r后剩下的质量。按照式8.3来计算试件单位面积的磨损量，用以表示试件经耐磨性试验后的磨耗量。

图8.12聚合物机制砂水泥混凝土单位面积磨损量

聚合物机制砂水泥混凝土单位面积的磨损量与聚灰比的关系如图8.12所示。

说明丙乳可以使机制砂水泥混凝土的磨损量降低，丙乳的掺量增加到3%的过程中，磨损量减少速率较大；在掺量由3%增加至5%的过程中，磨损量减少的幅度很小，几乎不变，由此说明聚丙烯掺量达到3%时，混凝土单位面积的磨损量较低，若再增加聚灰比，对耐磨性的改善效果不大；当丙乳的掺量为5%时，28d单位面积的磨损量在低掺量范围内达到最小值2.502kg/m2，相对于普通机制砂混凝土减少了24%。羧基丁苯胶乳的存在会显著减少机制砂水泥混凝土的磨损量；羧基丁苯胶乳掺量变化的整个过程中，磨损量一直保持较大的降低速率；当聚灰比为5%时，28d单位面积磨损量相对于普通混凝土减小了45%，在低掺量范围内磨损量达到最小值1.816kg/m2。

结合图8.12可以看出，丙乳机制砂水泥混凝土与羧基丁苯胶乳机制砂水泥混凝土相比，在各种掺量下前者都比后者的单位面积磨损量小，说明小掺量的羧基丁苯胶乳比丙乳对机制砂水泥混凝土的耐磨性有更大的改善作用。聚合物机制砂水泥混凝土单位面积磨损量均比普通机制砂混凝土小，并且单位面积磨损量随聚灰比增加均呈单调递减趋势，说明聚合物的掺入可以提高水泥混凝土的耐磨性。

这一结果与聚合物机制砂水泥混凝土抗折强度、折压比相对应，说明通过降低混凝土的脆性，提高混凝土的柔韧性、变形能力，有助于改善机制砂水泥混凝土的耐磨性能。水泥石结构、水泥强度、集料硬度、集料与基体的粘结性等多种因素都会影响机制砂水泥混凝土的耐磨性。聚合物加入机制砂水泥混凝土后，与水化产物进行化学反应，并发生物理吸附作用、填充作用、成膜作用等，通过各种化学和物理作用共同改善机制砂水泥混凝土的结构及耐磨性能。

结语

路面机制砂水泥混凝土存在脆性大、易开裂、耐磨性下降等问题，因此，本章将聚合物掺入机制砂水泥混凝土中，并通过大量试验，对聚合物机制砂水泥混凝土的制备工艺、新拌水泥混凝土的工作性、硬化水泥混凝土的力学性能和耐磨性进行研究分析，得出以下结论：（1）为达到良好的工作性和改性效果，通过实验总结出聚合物机制砂水泥混凝土的制备方法：首先将粗集料、机制砂和水泥依次加入搅拌机拌成干料；再将聚合物乳液、消泡剂加入拌合用水中搅拌均匀制成湿料；最后将湿料与干料拌合均匀。（2）在测定新拌聚合物机制砂水泥混凝土的工作性试验中发现：聚合物机制砂水泥混凝土的坍落度为49mm左右，与普通机制砂水泥混凝土相比，聚合物在一定程度上增加了混凝土的流动性，并且具有良好的粘聚性和保水性，几乎没有泌水和离析现象发生。（3）聚合物机制砂水泥混凝土的抗压强度均低于普通水泥混凝土，但仍然满足路面混凝土的要求。丙乳的存在会显著降低机制砂水泥混凝土的抗压强度，聚灰比愈大，抗压强度愈小；加入羧基丁苯胶乳后，水泥混凝土抗压强度降低幅度不大，当聚灰比为5%时抗压强度不再减小。（4）聚合物的加入会提高机制砂水泥混凝土的抗折强度。两种聚合物加入机制砂水泥混凝土中，抗折强度随聚灰比增加均呈单调递增的趋势。羧基丁苯胶乳机制砂水泥混凝土的抗折强度增加速率一直较大，而丙乳机制砂水泥混凝土的抗折强度增加速率先增大后减小。（5）聚合物水泥混凝土均比普通混凝土的折压比大，聚灰比越大，水泥混凝土的折压比越大。结果表明聚合物可以使机制砂水泥混凝土的柔性增加，脆性下降，抗变形能力和容许应力提高，从一种刚性材料向柔韧性材料转化。（6）聚合物机制砂水泥混凝土单位面积的磨损量均比普通机制砂水泥混凝土的磨损量小，并且单位面积磨损量随聚灰比增加均呈单调递减的趋势，说明聚合物的掺入可以提高水泥混凝土的耐磨性。这一结果与聚合物机制砂水泥混凝土抗折强度、折压比结果相对应，说明通过降低混凝土的脆性，提高混凝土的柔韧性、变形能力，有助于改善机制砂水泥混凝土的耐磨性能。（7）不同品种和掺量的聚合物对机制砂水泥混凝土的改性效果不完全相同。通过综合分析低掺量聚合物机制砂水泥混凝土路用性能的试验结果发现，在低掺量（≤5%）范围内，聚丙烯酸酯乳液和羧基丁苯胶乳的适宜掺量分别为3%、5%。

参考文献：

[1]孙继成.高性能聚合物改性水泥基胶结材料的研究[J}.武汉：华中科技大学，2016（23）.

[2]徐大祯.高性能机制砂混凝土耐久性的研究[J].成都：西南交通大学，2017（08）.

[3]季韬，李锋，庄一舟，等.机制砂比表面积对混凝土性能的影响[[J].混凝土2017（2）：80-82.

作者简介：

张凯；1979年12月-；河北鹿泉人；工学硕士；主要从事道路勘察设计；重庆市交通规划勘察设计院。