聚合物改性高韌性水泥基復(fù)合材料混凝土路面抗老化性能試驗(yàn)研究

朱建華，郭 斐

（金昌水泥（集團(tuán)）有限公司，甘肅 金昌 737000）

0 引 言

由于公路工程的快速發(fā)展，其質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視[1]。因長(zhǎng)期暴露在自然界中，特別是在北方地區(qū)，混凝土材料極容易產(chǎn)生熱疲勞、冷收縮等損傷，造成混凝土材料的長(zhǎng)期使用效果惡化，對(duì)道路使用年限產(chǎn)生重大影響[2]。混凝土路面的耐久性與其抗老化性能之間有著緊密的關(guān)系，伴隨著化學(xué)聚合物的不斷發(fā)展，各種用途和材質(zhì)的抗老化劑不斷涌現(xiàn)出來(lái)，在公路混凝土路面中加入防紫外線的抗老化劑是當(dāng)前改善公路抗老化性能的重要方法[3]。選用適當(dāng)?shù)目估匣瘎?duì)提高混凝土路面的抗老化性能和服役年限具有重要的功效。

周建偉等人[4]以環(huán)氧乳液和乳膠粉為主要原料，制備了聚合物改性水泥基復(fù)合材料，在200℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃等不同溫度下，對(duì)其物理機(jī)械性質(zhì)的變化分析。研究發(fā)現(xiàn)，加入高分子后，樣品的體積穩(wěn)定性能得到了提高，且在800 ℃以上的溫度下，不會(huì)出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。在常溫冷卻下，高分子改性后的材料剩余強(qiáng)度峰值所需的溫度從400 ℃下降到200 ℃，而在水冷降溫下，其剩余強(qiáng)度則繼續(xù)下降，800 ℃時(shí)，高分子改性后的樣品在水冷降溫時(shí)發(fā)生破裂。彭博等人[5]以廢舊橡膠粉末改性瀝青為原料，通過(guò)添加不同量的ZnO、SiO2和TiO2作為復(fù)合添加劑，研究其對(duì)瀝青抗老化性能的作用機(jī)制。實(shí)驗(yàn)表明，加入無(wú)機(jī)納米顆粒后，改性瀝青的抗老化性得到了明顯的提高，當(dāng)加入2%的納米氧化鈦時(shí)，改性瀝青的抗老化性能得到了很大的提高。在經(jīng)過(guò)光氧老化后，殘余針入度較改性前提高了13.2%，軟化點(diǎn)增量下降了60.7%。通過(guò)引入無(wú)機(jī)納米顆粒，改善其對(duì)紫外線的吸收率，并通過(guò)對(duì)其內(nèi)部光譜特征調(diào)整，以改善其黏彈性和耐熱性，進(jìn)而改善其抗老化性。基于以上方法，設(shè)計(jì)混凝土路面抗老化性能試驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

為了測(cè)試混凝土路面的抗老化性能，聚合物改進(jìn)材料[6]選用南方化工廠生產(chǎn)的醋酸乙烯- 乙烯乳液（VAE），如表1 所示。

表1 聚合物改進(jìn)材料的性能指標(biāo)Table 1 The performance indexes of polymer improvement materials

選用南方水泥廠生產(chǎn)的硅酸鹽水泥和HY-3硫鋁酸鹽水泥作為高韌性水泥基材料[7]，水泥性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 水泥性能指標(biāo)Table 2 The performance indexes of cement

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的水均來(lái)自生活用水。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

水泥砂漿攪拌機(jī)（UJZ-15），昆山市玉山鎮(zhèn)文榮貿(mào)易商行；電子天平（FA-HM），常州萬(wàn)泰天平儀器有限公司；抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)（SYE-2500），廣東中野精科儀器設(shè)備有限公司；抗折強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)（PWS-50），河北晟興儀器設(shè)備有限公司；三聯(lián)實(shí)驗(yàn)?zāi)＞撸?0mm×50mm×150mm），滄州名信試驗(yàn)儀器有限公司；養(yǎng)護(hù)箱（SHBY-50B），滄州建盛試驗(yàn)儀器有限公司；剪切流變儀（DSR）天津市港源試驗(yàn)儀器廠。

1.3 制備水泥基復(fù)合材料

為了提高水泥基材料的韌性，利用纖維增強(qiáng)聚合物對(duì)水泥基材料的改性。由于纖維的分散會(huì)影響水泥基材料的性能[8]，所以，在制備時(shí)，需要在水泥中加入纖維，經(jīng)過(guò)攪拌之后，加入聚合物和水[9]，水泥基復(fù)合材料的制作流程如圖1 所示。

圖1 水泥基復(fù)合材料混凝土試件制作流程Fig. 1 The production process of cement-based composite concrete sample

稱(chēng)取一定量的水泥基復(fù)合材料，通過(guò)加熱熔融[10]，在恒定溫度下攪拌。分別將0%、0.3%、0.6%和0.9%的聚合物加入到水泥基復(fù)合材料中攪拌半小時(shí)[11]。將一定量的水泥基復(fù)合材料裝入培養(yǎng)皿中[12]，在75℃的恒溫干燥箱中放置一段時(shí)間[13]，形成混凝土路面試件。將試件放入紫外光老化箱內(nèi)，在表3 條件下對(duì)其進(jìn)行紫外光輻射[14]。

表3 紫外光輻射條件設(shè)置Table 3 The UV radiation condition settings

1.4 性能測(cè)試

在不同的測(cè)試頻率和溫度條件下，對(duì)聚合物改性高韌性水泥基復(fù)合材料建造的混凝土路面抗老化性能測(cè)試。在剪切流變實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將應(yīng)變控制條件設(shè)置如表4 所示：

表4 應(yīng)變控制條件Table 4 The strain control conditions

在以上條件下，對(duì)混凝土路面測(cè)試，記錄老化前后的各項(xiàng)性能指標(biāo)，并按照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定溫度為10~90℃，分析路面的相位角和抗車(chē)轍因子。

2 結(jié)果分析

2.1 高韌性測(cè)試

高韌性是指材料在受到外力作用時(shí)，能夠在不斷變形的過(guò)程中仍然保持較高的強(qiáng)度和韌性。為了評(píng)估聚合物改性高韌性水泥基復(fù)合材料混凝土的高韌性，采用抗拉強(qiáng)度作為測(cè)試指標(biāo)，高韌性測(cè)試如圖2 所示。

圖2 聚合物改性高韌性水泥基復(fù)合材料混凝土的高韌性測(cè)試Fig. 2 The high toughness test of polymer modified cementbased composite concrete

根據(jù)圖2 結(jié)果可知，隨著纖維摻量的增加，水泥的抗拉強(qiáng)度越高和殘余抗拉強(qiáng)度不斷上漲。當(dāng)纖維摻量為0.20%時(shí)，水泥的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，為300kPa。然而，當(dāng)纖維摻量繼續(xù)增加時(shí)，抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸平緩。綜合來(lái)看，通過(guò)適量的纖維摻量，可以顯著提高聚合物改性高韌性水泥基復(fù)合材料混凝土的高韌性，其中0.20%的纖維摻量表現(xiàn)出最佳的高韌性。

2.2 聚合物對(duì)混凝土路面相位角的影響

相位角是衡量混凝土路面彈塑性的重要指標(biāo)，相位角越小，混凝土路面的彈性越大，在外力的作用下，不容易發(fā)生永久變形[15]，不同聚合物含量和溫度對(duì)相位角的影響情況如表5 所示。

表5 不同聚合物含量和溫度對(duì)相位角的影響Table 5 The effects of different polymer contents and temperature on the phase angle

根據(jù)表5 可知，在老化前，當(dāng)聚合物的含量為0.3%時(shí)，混凝土路面的相位角最小，當(dāng)聚合物的含量為0%時(shí)，混凝土路面的相位角最大。在不同的聚合物含量下，當(dāng)溫度為70℃時(shí)，混凝土路面的相位角最大。對(duì)于老化之后的混凝土路面而言，當(dāng)聚合物的含量為0.6%時(shí)，50℃其相位角最大，當(dāng)90℃、聚合物的含量為0.9%時(shí)，相位角最小；隨著溫度的升高，對(duì)于老化之后的混凝土路面而言，其相位角逐漸減小。綜合來(lái)看，根據(jù)表5 的結(jié)果，適量的聚合物添加可以提高混凝土路面的彈性，減少永久變形的可能性。在老化前，隨著聚合物含量的增加，相位角逐漸減小。在老化后，雖然不同聚合物含量和溫度對(duì)相位角的影響稍有差異，但總體趨勢(shì)是在適量聚合物含量下，隨著溫度的升高相位角逐漸減小。因此，在設(shè)計(jì)和施工混凝土路面時(shí)，應(yīng)考慮適量的聚合物添加以提高其彈性性能。

2.3 聚合物對(duì)混凝土路面抗車(chē)轍因子的影響

抗車(chē)轍因子是指路面在車(chē)輪荷載下產(chǎn)生的沉降與車(chē)輪寬度之比，也稱(chēng)為車(chē)轍深度系數(shù)，其數(shù)值越大表示路面在車(chē)輪荷載下的變形和沉降越小，具有更好的抗變形能力，該指標(biāo)用于評(píng)估混凝土路面的耐久性和穩(wěn)定性。在不同含量的聚合物下，混凝土路面的抗車(chē)轍因子變化幅度如圖3 所示。

圖3 混凝土路面的抗車(chē)轍因子變化幅度Fig. 3 The change range of anti-rutting factor of concrete pavement

圖3 的結(jié)果中，對(duì)于老化前的混凝土路面，隨著聚合物含量的增加，抗車(chē)轍因子呈現(xiàn)出增大- 減小的趨勢(shì)，當(dāng)聚合物的含量為0.3%時(shí)，抗車(chē)轍因子最大，對(duì)混凝土路面高溫性能的改善效果最好，當(dāng)聚合物的含量為0.6%和0.9%時(shí)，混凝土路面的高溫性能改善效果次之，當(dāng)聚合物的含量為0%時(shí)，混凝土路面的高溫性能改善效果最差。對(duì)于聚合物改性后的混凝土而言，隨著溫度的升高，聚合物對(duì)混凝土路面高溫性能的改善效果呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)80℃、聚合物的含量為0.9%時(shí)，對(duì)混凝土路面高溫性能的改善效果最好。

2.4 聚合物對(duì)混凝土路面復(fù)合剪切模量的影響

復(fù)合剪切模量是指路面在剪切荷載下的應(yīng)變與應(yīng)力之比，其能夠描述路面復(fù)合剪切性能，根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》判定其性能。混凝土路面復(fù)合剪切模量如圖4所示。

圖4 混凝土路面復(fù)合剪切模量Fig. 4 The composite shear modulus of concrete pavement

根據(jù)圖4 的結(jié)果，可以看出對(duì)于老化前的混凝土路面，0.6%的含量將對(duì)路面復(fù)合剪切模量造成影響最大，而聚合物含量為0%時(shí)，對(duì)混凝土路面復(fù)合剪切模量的影響最小。路面老化后，0.6%的含量對(duì)路面復(fù)合剪切模量造成影響最大，0.9%的含量造成的影響最小。從圖中可以看出，當(dāng)溫度不斷上漲，路面在老化前后的復(fù)合剪切模量也隨之降低。由此說(shuō)明，溫度也是影響路面復(fù)合剪切模量的重要指標(biāo)。

2.5 聚合物對(duì)混凝土路面疲勞因子的影響

疲勞因子是指路面在往復(fù)荷載下的應(yīng)力幅值與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之比，其能夠描述路面抗疲勞特性，根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，對(duì)其結(jié)果判定測(cè)試。混凝土路面疲勞因子的變化情況如圖5 所示。

圖5 混凝土路面疲勞因子的變化情況Fig. 5 The change in fatigue factor of concrete pavement

從圖5 的結(jié)果可以看出，老化前的混凝土路面隨著聚合物含量的增加，混凝土路面的疲勞因子也增大。特別是當(dāng)聚合物含量達(dá)到0.6%和0.9%時(shí)，對(duì)混凝土路面疲勞性能的影響最為顯著。這表明在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增加聚合物含量可以提高混凝土路面的抗疲勞能力。老化后的混凝土路面在聚合物含量為0.3%時(shí)，聚合物對(duì)混凝土路面疲勞性能的影響達(dá)到最大。這表明適量添加聚合物可以提升老化后混凝土路面的抗疲勞性能。此外，溫度對(duì)混凝土路面的疲勞性能也產(chǎn)生了影響。在老化前的混凝土路面中，隨著溫度的上升和聚合物含量的增加，聚合物對(duì)疲勞性能的改善效果逐漸降低。然而，在老化后的混凝土路面中，隨著溫度的升高，聚合物對(duì)疲勞性能的改善效果呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。因此，溫度對(duì)于聚合物路面疲勞性能的影響具有一定的復(fù)雜性。

2.6 聚合物對(duì)混凝土路面延度的影響

延度是指路面在荷載下產(chǎn)生的變形與荷載之比，該指標(biāo)可以反映路面的變形能力，用于評(píng)估路面的穩(wěn)定性和平整度。在不同含量的聚合物下，混凝土路面在15℃時(shí)的延度如圖6 所示。

圖6 混凝土路面在15℃時(shí)的延度Fig. 6 The ductility of concrete pavement at 15℃

圖6 的結(jié)果顯示，隨著聚合物含量的增加，無(wú)論是老化前還是老化后，混凝土路面的延度都呈逐漸增大的趨勢(shì)。而且，在老化后的情況下，相同聚合物含量下的延度值通常比老化前高。這是因?yàn)樘砑泳酆衔锟梢愿纳苹炷恋娜犴g性和變形能力。聚合物在混凝土中會(huì)形成柔韌的膠體結(jié)構(gòu)，使得路面在承受荷載時(shí)具有更好的變形能力，進(jìn)而提高了延度。

3 結(jié) 論

為了提高混凝土路面的抗老化性能，提出了聚合物改性高韌性水泥基復(fù)合材料混凝土路面抗老化性能試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）隨著聚合物含量的增加，老化后混凝土路面相位角逐漸下降，抗車(chē)轍因子和復(fù)合剪切模量呈現(xiàn)出增大- 減小的趨勢(shì)，混凝土路面的疲勞強(qiáng)度和延度逐漸下降。

（2）當(dāng)溫度不斷上漲，對(duì)于老化后的路面，其相位角將不斷變小，聚合物對(duì)混凝土路面高溫性能的改善效果越來(lái)越差，導(dǎo)致復(fù)合剪切模量也不斷降低。

（3）隨著溫度的升高，聚合物對(duì)老化后混凝土路面疲勞性能的提高效果逐漸上升。

本研究雖然取得一定成果，但是由于實(shí)驗(yàn)條件有限，還存在很多不足，后續(xù)的研究中，將引入其他類(lèi)型聚合物，對(duì)高韌性水泥基復(fù)合材料進(jìn)行改性，從而不斷提高混凝土路面的抗老化性能。