聚灰比对聚合物改性水泥混凝土耐久性能研究

李仲玉 李奥然 李 欢

(河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000)

1 引 言

张家口地区冬季较冷，冬季的严寒及降雪对混凝土构件造成了冻融循环破坏.更为严重的是，为了解决路面、桥面的积雪积冰，除冰盐得到广泛使用，这样在很大程度上提高了道路行车的安全性，却增大了对路面、桥身的破坏.混凝土作为当今社会一种主要的建筑材料，被广泛地应用到道路、桥梁中去，但混凝土脆性以及在复杂条件下的抗侵蚀性能并不理想.为了提高混凝土的抗盐冻性能，专家学者做了大量研究，而聚合物改性混凝土就是研究的方向之一.聚合物改性水泥混凝土不仅保留了普通混凝土抗压强度高的特点，还改善了普通混凝土脆性大、抗拉强度低等缺点，是性能优越的新型混凝土材料.另外，其抗渗性、抗弯拉性能、抗冲击性能也有所提高[1].本文对聚合物改性混凝土在不同盐冻循环次数下的抗压强度、电通量变化情况以及冻融后质量损失等进行试验研究，进一步阐述混凝土中的聚合物水性环氧树脂作用机理以及在力学方面及耐久性方面起到的作用及其优点.

2 试验概况

2.1 试样制作

本试验采用材料：水泥为42.5级的普通硅酸盐水泥；水为自来水；细骨料选用天然砂,中砂：细度模数为2.67；粗骨料为最大粒径不超过20 mm的碎石；减水剂为聚羧酸高效减水剂；本试验选用DY-128-50型水性环氧树脂乳液，该环氧树脂为乳白色均匀水性乳液，固含量为50%，具有很好的流动性.涂膜具有很高的硬度，即使经过高速度的搅拌和研磨，环氧树脂乳浆也不会破损，VOC较低，物理机械性能良好，详细指标如表1所示；试验使用DY-157型水性环氧固化剂，固含量为49%-51%，其外观为浅棕色均匀液体，具有一定粘稠度，有刺激气味.该固化剂常温下即可固化，粘聚力优异，有较长的适用期，适用于盐雾环境.与环氧树脂搭配使用效果极佳，其各项性能指标如表2所示.

表1 DY-128-50型水性环氧树脂乳液

表2 DY-157型水性环氧固化剂性能

本试验所用混凝土配合比见表3.

表3 实验所用混凝土试件配合比(kg/m3)

2.2 试验内容

本次试验选用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块进行力学性能实验；直径100 mm，高50 mm圆柱形试块进行电通量试验；根据杨全兵等对氯盐对混凝土破坏机理研究，破坏时浓度主要在2%～6%之间[2]，结合实际工程中除冰盐的环境，选择试件浸泡于3%氯化钠溶液中进行盐冻，冻融循环温度区间为5 ℃到-18 ℃之间，每盐冻50次测量其抗压强度值，并测出盐冻后的电通量及其质量损失.

3 混凝土力学性能及其耐久性能试验研究

3.1 混凝土抗压强度

根据《普通混凝土长期性能和耐久性实验方法标准》GB/T50082-2009规范要求进行实验准备.立方体抗压强度实验结果与计算过程按照下列方法确定：

混凝土立方体抗压强度应按下式计算：

fcc=F/A

(1)

式中：fcc—混凝土立方体试件抗压强度(MPa)；

F—试件破坏荷载(N)；

A—试件承压面积(mm2).

抗压强度计算应精确至0.1 MPa，强度值的确定按规范中规定进行取值.由于本试验试件为非标准试件，在计算其抗压强度时在式(1)的基础上乘以尺寸换算系数0.95.图1为不同盐冻次数下的不同聚灰比的混凝土28 d抗压强度变化图.

图1 不同盐冻次数下聚合物改性混凝土抗压强度变化图

由上述图表可以得出：

①聚合物的掺入并没有明显提高混凝土抗压强度，甚至掺后混凝土抗压强度有所降低.

②盐冻200次过程中，各组混凝土的强度均有所下降，下降幅度最大的是普通混凝土.

③随着聚灰比的提高，混凝土盐冻后强度下降趋势减小，即聚合物掺量越大，混凝土强度下降幅度越小.

④200次盐冻循环结束后，普通混凝土强度下降幅度为36.1%；聚灰比为5%，10%,15%，20%的混凝土强度下降幅度分别为29.8%、22.2%、18.6.0%、11.2%.

3.2 盐冻后的相对动弹模量变化

根据《普通混凝土长期性能和耐久性实验方法标准》GB/T50082-2009规范要求进行相对动弹模量试验，该试验标准试件的尺寸为100 mm×100 mm×400 mm.在准备进行盐冻试验时，由于盐冻25次时相对动弹模量变化不明显，所以采用盐冻50次测定一下试件的相对动弹模量，进行动弹实验的仪器为DT-W18动弹仪.

根据下式计算相对动弹模量：

(2)

式中：Pi——经N次冻融循环后第i个混凝土试件的相对动弹模量(%)，精确至0.1；

fni——N次冻融循环后第i个混凝土试件的横向基频(Hz)；

foi——冻融循环试验前第i个混凝土试件的横向基频(Hz).

每组试块在不同盐冻次数下的动弹模量模量及其变化趋势如图2所示：

由上述图表可以得出以下结论：

①随着盐冻次数增加，混凝土的相对动弹模量逐渐减小，在研究的聚灰比范围内聚合物掺量越大，混凝土的相对动弹模量损失越小.

②盐冻200次结束后，普通混凝土动弹性模量损失较大，而聚灰比为10%、15%、20%的三组混凝土相对动弹模量变化不大，都在90%以上.

3.3 电通量变化

根据《普通混凝土长期性能和耐久性实验方法标准》GB/T50082-2009规范要求电通量试验准备.试验前，使用真空饱水试验机对试件饱水.将试件放入饱水试验机内，设置好试验机相关参数后新建试验.实验采用试件为圆柱体试件，其直径为100±1 mm，高度为50±2 mm.每组试件在不同盐冻次数下的电通量及其变化趋势如图3所示：

图3 不同盐冻次数下后各组混凝土电通量变化图

由上述图表可以得出以下结论：

①盐冻未开始时，混凝土的电通量随着聚灰比的增大逐渐减小；而电通量是混凝土抗渗性能的重要指标，其值越小，说明抗渗性越好，所以聚合物掺量越大，混凝土的抗渗性能越优异.

②盐冻200次结束后，普通混凝土与聚灰比为5%混凝土的电通量值增长幅度较大，而聚灰比为10%、15%、20%的三组混凝土电通量变化不大.

③在盐冻200次的过程中，普通混凝土电通量随盐冻次数增大而增大，但掺有聚合物的混凝土电通量值随盐冻次数增大呈先减小后增大.

3.4 质量损失变化

该试验标准试件的尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，每盐冻50次测其质量损失.相对盐冻质量损失率表征盐冻后混凝土质量损失.相对盐冻质量损失率为：

(3)

其中，Wi表示i次盐冻循环下质量损失率；

M表示盐冻前混凝土质量；

Mi表示盐冻i次混凝土的质量.

当质量损失为负数或没有质量损失时取0.每组试件在不同盐冻次数下的相对质量损失率图4所示：

图4 不同盐冻次数下后各组混凝土质量损失化图

由上述图表可以得出以下结论：

①盐冻实验中，混凝土的质量损失随着聚灰比的增大逐渐减小，在研究的聚灰比范围内聚合物掺量越大，混凝土的质量损失越小.

②盐冻200次结束后，普通混凝土与聚灰比为5%混凝土的质量损失增长幅度较大，而聚灰比为10%、15%、20%的三组混凝土质量损失变化不大都小于1%.

③在盐冻200次后，普通混凝土的质量损失率约为聚灰比为20%混凝土的4倍.

4 盐冻后混凝土各项指标变化分析

就抗压强度以及相对动弹模量而言，盐冻前100次混凝土的抗压强度下降幅度很大，下降速度很快.氯离子侵蚀作用以及冻融循环作用的耦合使混凝土强度及回弹模量迅速下降，内部结构逐渐毛细化，这进一步加重了氯离子的侵蚀作用，使氯离子的侵蚀由扩散作用逐渐变成了毛细吸收作用，同时盐冻使得毛细孔隙朝着增多、增大、相互扩展的方向发展，混凝土结构逐渐失去了结构承载作用.

总体而言，聚合物改性混凝土抗压强度优于普通混凝土是因为聚合物的加入使得混凝土内部孔隙率变小，密实度提高，形成互传网络结构，进而抵抗了氯离子向混凝土内部的扩散[3].由于水泥浆体中的毛细孔隙尺寸在0.2～2 μm之间，而聚合物颗粒尺寸一般在0.05～0.5 um之间，所以聚合物颗粒主要填充在水泥浆体孔隙中.

从电通量随着盐冻次数的增加先减小后增大的角度也能得到氯离子侵蚀作用以及冻融循环作用的耦合作用机理.首先在盐冻初期，混凝土内部的冻融毛细孔隙很少或者发展不充分，聚合物的存在使得混凝土内部结构发生改变，无法为氯离子的侵蚀形成有效的通道，同时盐冻中使用的盐溶液与电通量实验中使用的盐溶液浓度相同，氯离子的扩散作用就不再增大，所以电通量会逐渐降低；随着冻融次数的逐渐增加，当到达某一次数后，内部冻融毛细孔隙已经得到充分的发展，为氯离子的侵蚀提供了通道[4].并且氯离子侵蚀以及冻融循环的耦合作用是相互促进的，使得后期电通量数值增长迅速.

盐冻后混凝土的表观特征也能从侧面说明盐冻的侵蚀作用.盐冻刚开始时混凝土的质量损失很小，氯离子的侵蚀只是存在于表面，仅仅只是向内部扩散作用；当盐冻达到某一次数后，内部冻融毛细孔隙形成，氯离子的侵蚀由扩散变成毛细吸收，大大加重了对混凝土的侵蚀，使得混凝土的质量损失变大[5].

5 结 论

(1)随着盐冻次数增加，聚合物改性混凝土抗压强度随盐冻次数增大逐渐降低，质量损失也在逐渐增大；电通量先减小后增加.与之相比，未掺有聚合物的普通混凝土在相同的盐冻次数下抗压强度远远小于聚合物混凝土，而质量损失却大于同时期的聚合物混凝土，另外，普通混凝土电通量随着盐冻次数增大而增大.

(2)在研究的聚灰比范围内，随着聚灰比的增加，聚合物混凝土的抗盐冻性能是逐渐变好的.但是考虑到拌合时的混凝土和易性以及经济因素，聚灰比在10%左右聚合物混凝土在各项指标都已达到实验所需的目标，因此，将聚灰比为10%作为混凝土的最佳聚灰比.

(3)对于普通混凝土来说，盐冻环境下的混凝土侵蚀是从内外两个方向同时进行，因此普通混凝土抗压强度随盐冻次数增加下降很快，同时外表面的剥落也在发生.而对于聚合物改性混凝土来说，盐冻主要影响来自于内部，外表面的剥落侵蚀只是次要的.

(4)聚合物的加入使得混凝土内部产生变化，聚合物颗粒填充水泥，密实度得到提高，这也是聚合物混凝土抗盐冻性提高的根本原因.