不同聚合物對透水混凝土流變性能和力學性能的影響

高 新

(廣西北部灣投資集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

1 試驗

1.1 原材料及配合比

硅酸鹽水泥P·Ⅱ52.5作為膠凝材料，其化學組成如表1所示；玄武巖碎石作為粗集料，其粒徑介于2.5～4.75 mm，表觀密度為2 850 kg/m3；河沙作為細集料，其粒徑介于0.12～0.315 mm之間，表觀密度為2 650 kg/m3；聚合物分別為苯丙乳液(SAE)、乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液(VAE)和環氧樹脂(ER)，其基本性能如表2所示；聚羧酸系高效減水劑作為外加劑，固含量>20%，減水率為30%；拌和水為自來水。

表1 水泥化學組成表(%)

表2 聚合物物理性能指標表

1.2 配合比設計

透水混凝土采用的水膠比為0.25，設計空隙率為17%，集料為粗集料∶細集料=4∶1，每一種聚合物與水泥的質量比分別為0%、3%和6%。如表3所示列出了透水混凝土的配合比。

表3 透水混凝土配合比表(kg/m3)

1.3 試驗方法

采用R/SP-SST 軟固體流變儀來表征漿體的流變性能；抗壓強度試樣尺寸為(1 000×100×100)mm3的正方體，加載速率為3～5 kN/s；抗折強度試樣尺寸為(40×40×160)mm3的長方體，加載速率為50 N/s；拉伸粘結強度測試的試樣尺寸大小為(100×100×20)mm3。

2 結果與分析

2.1 聚合物對新拌漿體流變性能的影響

(a)SAE

如圖1所示為SAE、VAE和ER三種聚合物在不同摻量下對透水混凝土新拌漿體流變性能的影響曲線圖，并將新拌漿體的物理性能列于表4。結果表明，與對照組C相比，摻加SAE和ER的新拌漿體塑性黏度降低，由2.06 Pa·s分別降低到1.22 Pa·s和1.89 Pa·s。SAE的引入可以提高透水混凝土新拌漿體粘結力，但這會引入大量氣泡，氣泡起到滾珠效應，進而降低了漿體內部的摩擦力，并降低了漿體的膜厚。然而，與摻加SAE不同，ER導致新拌漿體的流動度出現顯著降低，由175 mm降低到135 mm，并且顯著降低了新拌漿體的密度。此外，ER-6%樣品的漿體膜厚具有最大值，與對照組C相比，振動后的膜厚提高了1.05倍。然而，摻加VAE則導致透水混凝土新拌漿體的塑性黏度增加，并且振動后的膜厚也出現相應的增加。可以發現，新拌漿體的膜厚與相應的黏度擁有很好的正相關性。聚合物可以與水泥水化產物之間交錯穿插形成三維的網絡結構，提高了新拌漿體之間的粘聚力，同時因增加了塑性黏度導致在粗骨料表面包裹的漿體膜厚增加。

表4 透水混凝土新拌漿體在不同聚合物下的物理性能表

2.2 聚合物對硬化后漿體力學性能的影響

如圖2所示為三種不同聚合物在0、3%、6%摻量下對透水混凝土抗壓強度、抗折強度與拉伸粘結強度的影響柱形圖。可以發現，在聚合物摻量≤6%的情況下，隨著聚合物乳液在透水混凝土漿體中摻量的不斷增加，漿體硬化后的抗折強度、抗壓強度和拉伸粘結強度均隨著聚合物乳液摻量的增加呈現先增加后降低的趨勢。SAE摻量為3%時，漿體的28 d抗折強度、抗壓強度以及拉伸粘結強度相比于對照組C分別提高了11.8%、10.2%和206.1%。VAE摻量為3%時，漿體的28 d抗折強度、抗壓強度以及拉伸粘結強度相比于對照組C分別提高了12.5%、13.8%和530.7%。ER摻量為3%時，漿體的28 d抗折強度、抗壓強度以及拉伸粘結強度相比于對照組C分別提高了6.9%、4.8%和250.1%。隨著三種聚合物乳液摻量的繼續增加，透水混凝土漿體的力學性能和拉伸粘結強度開始出現降低。

適量聚合物乳液的摻入可以提高漿體間的粘結力，從而使漿體的塑性黏度、漿體膜層厚度、拉伸粘結強度和力學性能均得到提高。此外，聚合物乳液與水泥水化產物形成的三維網狀結構可抑制裂紋的產生和擴展，增強漿體的抗壓強度。然而，聚合物乳液摻量過大時，一方面使漿體內產生大量氣泡，其內部缺陷增多，孔隙率增大，漿體硬化后密實度較小，力學性能降低；另一方面，聚合物乳液摻量越大，水泥顆粒周邊吸附的乳液成分增多，會隔絕水泥與水的接觸，降低水泥水化放熱速率，水化過程緩慢，水化產物減少，二者共同作用使漿體內部結構缺陷增多，力學性能降低[12]。水泥的水化過程會隨著時間的延續持續發生，以提供更多的水化產物來提高水泥制品的力學性能。然而，過多的聚合物乳液，在漿體硬化后也發生失水成膜覆蓋在水泥顆粒的表面，過多的聚合物薄膜嚴重影響了未水化水泥顆粒的后期水化進程，進而影響硬化漿體的力學性能[14]。因此，三種聚合物摻入透水混凝土漿體中的最佳摻量均為3%。然而，使用裹漿法制備透水混凝土時，必須保證漿體具備一定的流動性，使漿體與粗集料良好地粘結在一起，提高透水混凝土的力學性能。通過對比流動性可以發現，SAE-3%>VAE-3%>ER-3%，因此不建議使用ER用于制備透水混凝土。

2.3 聚合物對透水混凝土力學性能和透水性能的影響

選取SAE-3%和VAE-3%并摻加骨料后制備透水混凝土。如表5所示為SAE-3%和VAE-3%對透水混凝土孔隙率、透水系數和力學性能的影響。可以發現，SAE-3%和VAE-3%降低了孔隙率和透水系數，并且孔隙率和透水系數呈現出良好的正相關性。此外，SAE-3%和VAE-3%提高了透水混凝土各個齡期的抗折強度和抗壓強度。當在透水混凝土中摻入3%的SAE時，其28 d抗折強度和抗壓強度相比于對照組C分別提高了17.1%和15.1%，透水系數和孔隙率僅分別下降2.9%和2.6%；當在透水混凝土中摻入3%的VAE時，其28 d抗折強度和抗壓強度相比于對照組C分別提高了11.8%和12.7%，透水系數和孔隙率僅分別下降5.1%和4.5%。適量的SAE和VAE可以有效改善透水混凝土的性能，這主要取決于聚合物在水泥水化反應的過程中，聚合物顆粒之間分布的水分被逐漸轉化成水泥水化反應中生成的化學結合水，最終導致聚合物顆粒凝聚在一起形成連續的聚合物網狀結構，在漿體與粗集料之間形成鏈橋，使聚合物改性漿體具有較高的內聚力和變形能力，從而有效抑制了微裂紋的產生和擴展，并有效改善透水混凝土的性能。

表5 透水混凝土的孔隙率、透水系數和力學性能表

(a)

3 結語

(1)VAE摻加到透水混凝土中均可提高新拌漿體的塑性黏度和硬化后漿體的拉伸粘結強度；相反，SAE和ER的引入使新拌漿體的塑性黏度降低，而硬化后漿體的拉伸黏度提高。此外，SAE和VAE對于新拌漿體的流動性影響甚微，而ER顯著降低了新拌漿體的流動度。

(2)三種聚合物的引入對透水性混凝土新拌漿體的抗折強度、抗壓強度和拉伸粘結強度均呈現出有益的效果，并在聚合物摻量為3%的情況下，其力學性能達到最大；然而，當聚合物摻量超過6%時，抗折強度、抗壓強度和拉伸粘結強度呈現降低趨勢；此外，透水混凝土新拌漿體中引入SAE相比于VAE和ER具有更優異的力學性能。

(3)引入3%的SAE和VAE均可以提高透水性混凝土的抗折強度和抗壓強度；盡管引入的SAE和VAE降低了透水混凝土的透水系數，但影響并不顯著。