乳化瀝青改性水泥混凝土力學(xué)性能研究

張曉強(qiáng)

(鄭州路橋建設(shè)投資集團(tuán)有限公司 河南鄭州 450016)

0 引 言

水泥混凝土由于具有強(qiáng)度高、承載力強(qiáng)、板體性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于道路及機(jī)場(chǎng)路面中，但其也存在一些不足，如脆性大，重載下易產(chǎn)生開裂等，因此，改善水泥混凝土的柔性成為了許多研究學(xué)者們的重點(diǎn)課題.

近年來，研究學(xué)者致力于聚合物改性水泥混凝土方面的研究取得了一些成果.如熊劍平等[1-3]采用SD622S羧基丁苯乳液聚合物水泥混凝土進(jìn)行改性，研究了聚合物改性水泥混凝土的機(jī)理，并根據(jù)室內(nèi)路用性能和鋪筑試驗(yàn)路對(duì)聚合物改性水泥混凝土的各方面性能進(jìn)行了測(cè)試與驗(yàn)證；帥立輝[4]依托實(shí)體工程對(duì)聚合物改性多孔水泥混凝土的施工工藝和質(zhì)量控制進(jìn)行了分析，并對(duì)所鋪筑道路工程的各方面性能進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)聚合物改性水泥混凝土的各方面性能良好.乳化瀝青作為一種多聚物，與膠凝材料水泥一起用于道路路面材料方面已有較多的研究， 如水泥乳化瀝青混合料與乳化瀝青水泥混凝土兩種非常典型的路面材料[5-6].對(duì)于乳化瀝青摻入水泥混凝土中能否改善水泥混凝土脆性大、易開裂的問題，一直以來都是一個(gè)值得研究的課題.

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料技術(shù)性能

原材料的性能直接決定了混凝土各方面路用性能的好壞，試驗(yàn)用原材料主要由乳化瀝青、水泥及集料組成.

1.1.1乳化瀝青

采用實(shí)驗(yàn)室自制陽(yáng)離子慢裂快凝型乳化瀝青，實(shí)測(cè)各性能指標(biāo)都能滿足文獻(xiàn)[7]要求,見表1.

表1 乳化瀝青技術(shù)性能

1.1.2水泥

試驗(yàn)用水泥選擇某水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其基本技術(shù)參數(shù)見表2.

表2 水泥技術(shù)性能

1.1.3集料

試驗(yàn)用粗集料選用粒徑在3～25 mm的石灰?guī)r碎石，細(xì)集料選用河沙，其粗細(xì)集料技術(shù)性質(zhì)都能滿足文獻(xiàn)[7]要求，具體見表3.

表3 集料的技術(shù)性質(zhì)

1.1.4添加劑

試驗(yàn)用到的添加劑主要是消泡劑和減水劑兩種，其中消泡劑采用淡黃色KR-XP96高性能工業(yè)消泡劑，其作用主要是消除水泥混凝土拌和過程中產(chǎn)生的氣泡，可起到改善混凝土試件成型后的密實(shí)度，減輕混凝土受力時(shí)的應(yīng)力集中，以及提高混凝土的強(qiáng)度的作用，具體性能指標(biāo)見表4；減水劑選用摻量在0.1%～0.3%范圍內(nèi)的液態(tài)高效減水劑，主要性能指標(biāo)見表5.

表4 KR-XP96高性能工業(yè)消泡劑性能指標(biāo)

表5 高效減水劑性能指標(biāo)

1.2 室內(nèi)試驗(yàn)方法

1.2.1實(shí)驗(yàn)室用配合比

參考水泥混凝土的級(jí)配設(shè)計(jì)擬定了試驗(yàn)用配合比，見表6.

表6 集料合成級(jí)配

本試驗(yàn)中水泥混凝土的各用料，質(zhì)量比為水泥∶砂∶石子=388.9∶622.4∶1 263.7，水灰比為0.45，砂率為33%，乳化瀝青的摻加方式是以乳化瀝青有效成分占水泥質(zhì)量的0%,5%,10%,15%試驗(yàn)時(shí)保持水灰比不變，總的用水量為外摻用水量和乳化瀝青中所占水量之和.

1.2.2試驗(yàn)方法

首先按比例拌制水泥凈漿及摻不同比例的乳化瀝青水泥凈漿，通過凝結(jié)時(shí)間測(cè)定儀分別測(cè)定四種凈漿的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間；然后分別測(cè)試混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和疲勞性能，按照文獻(xiàn)[8]中的方法分別成型抗壓強(qiáng)度100 mm×100 mm×100 mm，抗折強(qiáng)度和疲勞試件100 mm×100 mm×400 mm，在成型試件時(shí)，為防止乳化瀝青盡早破乳，在拌和過程中最后加入乳化瀝青快速拌制后迅速入模，成型時(shí)首先用搗棒振搗，然后在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)成型，成型試件后將試件連同試模放入養(yǎng)生室在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)生，經(jīng)養(yǎng)護(hù)48h后脫模，并將脫模后的試件繼續(xù)在養(yǎng)生室中養(yǎng)護(hù)至28d后進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞性能測(cè)試，并將試驗(yàn)結(jié)果與不摻乳化瀝青的水泥混凝土基準(zhǔn)試件做對(duì)比.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 乳化瀝青水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間的測(cè)定

水泥的凝結(jié)時(shí)間對(duì)水泥混凝土的強(qiáng)度發(fā)展有著重要的影響，在剛性的水泥混凝土中摻入柔性的乳化瀝青后勢(shì)必會(huì)對(duì)水泥混凝土的強(qiáng)度發(fā)展起有一定的影響，因此，本文擬通過研究乳化瀝青對(duì)水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間的影響間接評(píng)價(jià)了乳化瀝青對(duì)水泥混凝土強(qiáng)度的影響.試驗(yàn)結(jié)果見圖1.

圖1 不同乳化瀝青摻量對(duì)水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響規(guī)律

由圖1可知，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均隨著乳化瀝青用量的增加而增加，特別是摻5%的乳化瀝青用量時(shí)增長(zhǎng)幅度最大，再繼續(xù)增加乳化瀝青摻量，增長(zhǎng)幅度趨于平緩，對(duì)凝結(jié)時(shí)間的作用不顯著.與普通水泥凈漿相比較，摻5%乳化瀝青后初凝時(shí)間延遲了85 min，終凝時(shí)間延遲了65 min，當(dāng)乳化瀝青摻量增加至15%時(shí)初凝時(shí)間延遲了109 min，終凝時(shí)間延遲了118 min.主要由于在水泥中摻入乳化瀝青后，水泥的水化促進(jìn)了乳化瀝青的破乳，乳化瀝青的破乳供給了水泥水化反應(yīng)所需的水分，在此過程中破乳后的乳化瀝青吸附或者包裹了水泥顆粒，從而導(dǎo)致了水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間發(fā)生了延遲.

2.2 抗壓與抗折強(qiáng)度

按照文獻(xiàn)[8]中的試驗(yàn)方法分別對(duì)養(yǎng)生28 d的混凝土試件進(jìn)行抗壓和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度測(cè)試采用壓力試驗(yàn)機(jī)(見圖2)，試驗(yàn)機(jī)加載速率為0.5 MPa/s，得到了加載時(shí)的最大荷載值，試驗(yàn)時(shí)并采用千分表記錄試件至破壞時(shí)的撓度值；抗折強(qiáng)度選用MTS萬能試驗(yàn)機(jī)(見圖2)加載速率為50 mm/min，得到了荷載最大值與其對(duì)應(yīng)的最大位移變形值.以研究不同乳化瀝青用量對(duì)其混凝土強(qiáng)度及脆性產(chǎn)生的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖3～4.

圖2 抗壓與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)圖

圖3 不同乳化瀝青摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度及撓度的影響規(guī)律

由圖3可知，隨著乳化瀝青摻量的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸減小，與普通水泥混凝土相比，添加了5%，10%，15%的乳化瀝青時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度分別減小了34.23%，42.82%，52.66%，表明摻量5%時(shí)降低幅度最大，隨后降低幅度有所減小并趨于緩和，混凝土的撓度變形逐漸增加，說明乳化瀝青作為一種柔性材料加入到剛性的水泥混凝土中，削弱了水泥混凝土的剛性，提高了其柔性，降低了脆性.

圖4 不同乳化瀝青摻量對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度及位移的影響規(guī)律

由圖4可知，隨著乳化瀝青摻量的逐漸加入，乳化瀝青改性水泥混凝土的抗折強(qiáng)度大幅度降低，5%，10%和15%乳化瀝青摻量時(shí)的混凝土抗折強(qiáng)度分別比未摻乳化瀝青時(shí)降低了1.57%，6.46%和11.17%，可看出5%摻量時(shí)對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響還不是很明顯，10%摻量時(shí)降低的程度就已經(jīng)很明顯了.另外，隨乳化瀝青摻量增加，試件破壞時(shí)產(chǎn)生的位移變形量逐漸增加，摻量為5%，10%和15%時(shí)的混凝土破壞變形量分別比未摻時(shí)增加了5.77%，13.12%和34.31%，說明乳化瀝青可以改善混凝土的柔性，提高混凝土的破壞變形.

壓折比也稱脆度系數(shù)，其在一定程度上表征了混凝土的脆性，其值越大，脆性越大[9-10].由表8中壓折比的數(shù)據(jù)可看出，隨著乳化瀝青摻量的增加，水泥混凝土的壓折比逐漸降低，與未摻乳化瀝青的普通水泥混凝土相比，乳化瀝青摻量為5%，10%，15%的混凝土壓折比分別降低了33.17%，38.81%，46.77%.說明一定量的乳化瀝青能夠明顯降低水泥混凝土的脆性，提高混凝土的柔性變形性能.

2.3 疲勞性能

試驗(yàn)采用MTS810萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)養(yǎng)生28 d的乳化瀝青改性水泥混凝土試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞加載試驗(yàn)(見圖5)，試驗(yàn)采用應(yīng)力控制模式，加載頻率采用10 Hz，選用0.60，0.65，0.70，0.75和0.80等五種應(yīng)力比，每組設(shè)置3個(gè)平行試件，算取3組試驗(yàn)的平均值.試驗(yàn)結(jié)果見表7.

圖5 乳化瀝青改性水泥混凝土四點(diǎn)彎曲疲勞加載試驗(yàn)圖

表7 乳化瀝青改性水泥混凝土試件四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由表7的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，按照應(yīng)力控制模式下的疲勞壽命方程(1)對(duì)不同乳化瀝青摻量下的水泥混凝土疲勞壽命進(jìn)行回歸擬合分析[11-12]，獲得了各混凝土的疲勞壽命方程曲線(見圖6)，并通過回歸分析計(jì)算得到了疲勞方程的回歸分析參數(shù)見表8.

lgNf=K+n(σ/S)

(1)

式中：lgNf為疲勞壽命；K為應(yīng)力、疲勞壽命對(duì)數(shù)曲線的截距；n為應(yīng)力、疲勞壽命對(duì)數(shù)曲線的斜率；(σ/s)為應(yīng)力比.

圖6 應(yīng)力控制模式下乳化瀝青改性水泥混凝土疲勞壽命回歸分析

表8 乳化瀝青改性水泥混凝土疲勞方程回歸分析參數(shù)表

由圖6和表8可知，無論是水泥混凝土還是摻了乳化瀝青的改性水泥混凝土，其疲勞壽命方程相關(guān)系數(shù)都在0.95以上，說明此疲勞壽命方程能夠較好的預(yù)測(cè)混凝土在不同應(yīng)力比下的疲勞壽命.在同樣的應(yīng)力比下，與不摻乳化瀝青相比，摻了乳化瀝青后一定程度上提高了混凝土的疲勞壽命，且隨著乳化瀝青摻量的增加，其疲勞壽命也呈整體提升趨勢(shì).也因此說明一定量的乳化瀝青能夠改善水泥混凝土的柔性，提高其可變形能力.

在疲勞壽命方程中，n是應(yīng)力比與疲勞壽命曲線的斜率，其可用于表征應(yīng)力比對(duì)混凝土疲勞壽命的影響，其絕對(duì)值越大說明混凝土疲勞壽命受應(yīng)力比敏感程度愈大 .由表8的疲勞壽命方程回歸參數(shù)表可知，在四種混凝土中，未摻乳化瀝青的水泥混凝土的疲勞方程斜率最大，且隨著乳化瀝青摻量的增加，混凝土的疲勞壽命方程斜率逐漸減小，乳化瀝青摻量為15%時(shí)的混凝土的疲勞壽命方程斜率最小.說明了水泥混凝土由于自身的剛性和脆性使得混凝土的疲勞壽命受到了表現(xiàn)出很強(qiáng)的應(yīng)力比敏感性，而乳化瀝青的摻入改善了混凝土的應(yīng)力比敏感性.

3 結(jié) 論

1) 摻入一定量的乳化瀝青后凈漿的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均有較大幅度的延遲.

2) 摻入乳化瀝青可降低水泥混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度，但能提升混凝土的柔性變形能力.

3) 乳化瀝青能提高水泥混凝土的疲勞壽命，降低混凝土的脆性，改善混凝土的應(yīng)力比敏感性.