不同水灰比聚合物乳液對機制砂混凝土性能的影響研究

中圖分類號：U416.03文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.005文章編號：1673-4874（2025）04-0014-04

0 引言

聚合物對水泥基材料性能具有較好的改善作用，季刊等1研究表明聚合物改善了水泥基材料的微觀結構及無機膠凝材料之間的相互作用。衡艷陽、王超等[2-3]研究指出聚合物丁苯乳液改善了水泥基材料的孔結構分布，提高了其內聚強度。梁乃興等4研究發(fā)現聚合物丁苯乳液可以明顯提升水泥混凝土抗折性能及耐磨性能；熊劍平5的研究也證實了這一觀點。鐘世云等6研究了聚合物改性水泥基材料的微觀結構性能。易志堅等7研究表明聚合物骨架空隙混凝土具有良好的干縮性能。

聚合物以其優(yōu)良的填充效應對水泥基材料的性能產生一定的影響8，然而不同水灰比條件下聚合物發(fā)揮的效應有待進一步研究，尤其是針對低水灰比條件下聚合物對水泥混凝土性能的影響規(guī)律尚不明確，需要開展相關的試驗研究，以確定聚合物在不同水灰比條件下對混凝土工作性能、力學性能及耐久性能的作用機理，為工程實際應用提供試驗和理論依據。

1試驗材料及方法

試驗采用普通硅酸鹽水泥（P.O42.5），該水泥各項指標符合要求。試驗采用生活飲用水，各項指標符合規(guī)范要求。減水劑為聚羧酸減水劑，質量合格。試驗采用以石灰?guī)r碎石為原料制備的機制砂作為細集料 （0～ 5（mm） ，采用粒徑為 5～10mm 和 10～20mm 兩檔石灰?guī)r連續(xù)級配碎石作為粗集料。試驗采用的聚合物為丁苯乳液，其固含量為49. 0% ，pH值為8.61。消泡劑為硅蜜酯類，與試驗所選聚合物適應性強。試驗用具體配合比如表1所示。

表1試驗用配合比表 單位：kg·m-3

試驗采用《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG3420一2020）中所規(guī)定的水泥混凝土拌和物擴展度試驗方法（T0532一2020）進行坍落度試驗，采用水泥混凝土抗壓強度試驗方法（T0553一2005）、水泥混凝土彎拉強度試驗方法（T0558一2005），及水泥混凝土耐磨性試驗方法（T0567一2005），在不同水灰比條件下聚合物對水泥混凝土性能的影響規(guī)律展開相關的試驗研究。

2試驗結果分析

2.1工作性能

通常條件下增加水灰比，水泥混凝土工作性能會有所增強[1]，尤其是表現在坍落度增加。本試驗通過改變水泥混凝土的水灰比，對比研究不同水灰比條件下聚合物乳液對水泥混凝土工作性能的影響。采用減少用水量的方式依次降低混凝土的配合比，并考慮聚合物乳液中所含水分，坍落度試驗統一采用攪拌完成出機后的新拌水泥混凝土進行。如圖1所示為不同水灰比條件下添加聚合物前后水泥混凝土坍落度的對比曲線。

圖1不同水灰比下添加聚合物前后混凝土坍落度的對比曲線圖

由圖1可知，隨著水灰比不斷增加，未加聚合物和添加聚合物的兩組試驗中，水泥混凝土坍落度均表現出不斷增加的現象。在同一水灰比條件下，聚合物改性水泥混凝土與未加聚合物的普通水泥混凝土進行對比分析，聚合物改性水泥混凝土的坍落度均較普通混凝土坍落度有所增大，水灰比越大，其增大的幅度越大（0.36水灰比時，坍落度增加3.5cm）；反之減小（0.25水灰比時，坍落度僅增加0.5cm），說明聚合物乳液的加入有效改善了水泥混凝土的工作性能。值得注意的是，在水灰比為0.20時，兩組試驗的混凝土坍落度均值均為0，說明此條件下水灰比過低，不足以滿足混凝土的需水要求。從試驗過程來看，該水灰比條件下水泥混凝土無法正常出漿，其黏聚性極差，幾乎呈松散狀態(tài)，難以有效成型。鑒于此，不再對0.2水灰比條件下的混凝土進行對比研究。

分析試驗數據認為，在聚合物改性水泥混凝土材料坍落度有所改善的同時，其黏聚性表現良好，作用原理是有效減弱了水泥混凝土內部絮凝結構，釋放了被絮凝結構包裹的水分，充分參與漿體的融和，增加了漿體的黏稠性，改善了水泥混凝土的工作性能。

2.2力學性能

2.2.1抗彎拉性能

水泥混凝土的抗彎拉強度是影響其使用性能和耐久性能最基本力學性能指標之一，通常情況下，水灰比越低，水泥混凝土抗彎拉強度越大，而聚合物乳液的加入在一定程度上會對水泥混凝土抗彎拉強度產生影響[11-12]，尤其是在不同水灰比條件下，聚合物乳液對水泥混凝土抗彎拉強度的影響差異性更甚。在混凝土壓力機上，采用控制應力速率模式進行抗彎拉強度試驗，應力速率控制在0.05 MPa/ s，直至硬化后的混凝土試件完全破壞。

如圖2所示是水泥混凝土抗彎拉強度的變化情況。由圖2可知，在同一水灰比條件下，聚合物改性水泥混凝土的抗彎拉強度均較普通混凝土抗彎拉強度有所增加，并且水灰比越低，其增加的幅度越大（0.25水灰比時，抗彎拉強度增加28. 6% ），反之減緩（0.36水灰比時，抗彎拉強度增加 17.0% ）。分析認為，聚合物乳液的加入，以其成膜和填充作用，增強了水泥漿體材料的黏聚性和柔韌性，改善了漿體材料與集料之間的界面黏結效果，改善了其混凝土內部孔結構分布特征，從而提高了水泥混凝土抗彎拉強度。同時，分析試驗數據可以發(fā)現，在低水灰比條件下，聚合物更易發(fā)揮其對水泥混凝土抗彎拉強度的增強效應。

圖2不同水灰比下添加聚合物前后混凝土抗彎拉強度的對比曲線圖

由圖2還可知，當水灰比為0.30時，未加聚合物和添加聚合物兩組試驗中，混凝土抗彎拉強度均表現出最大值，并且在水灰比 gt;0.30 時，混凝土抗彎拉強度均隨著水灰比的增大而減?。划斔冶葹?.25時，混凝土抗彎拉強度有所降低。分析認為，在此低水灰比條件下，水泥混凝土內部未能充分水化，導致部分水泥等膠凝材料反應不充分，因此影響了水泥混凝土的抗彎拉強度的增長。這一試驗結果也表明，聚合物在低水灰比條件下發(fā)揮其對水泥混凝土增強效應存在下限值，即在0.30水灰比條件下，聚合物對水泥混凝土抗彎拉強度的增強效應最佳。

2.2.2 抗壓性能

抗壓性能是評價水泥混凝土剛性材料使用性能和耐久性能的重要指標，而聚合物乳液屬于柔性材料，其本身的彈性模量要遠小于水泥混凝土材料的彈性模量，其在一定程度上會影響水泥混凝土的抗壓強度，尤其是在不同水灰比條件下。如圖3所示為不同水灰比條件下，添加聚合物前后混凝土抗壓強度的對比曲線。

分析圖3試驗數據可知，隨著水灰比的增大，未加聚合物和添加聚合物的兩組試驗中，水泥混凝土抗壓強度均表現出不斷下降的趨勢。在同一水灰比時，聚合物改性水泥混凝土抗壓強度均小于普通水泥混凝土抗壓強度，說明聚合物乳液具有減小混凝土抗壓強度的試驗效果。此外，與普通水泥混凝土相比，水灰比越大，聚合物改性混凝土抗壓強度下降的幅度越大（0.36水灰比時，抗壓強度下降了 14.8% ）；水灰比越小，聚合物改性水泥混凝土抗壓強度下降的幅度越小（0.25水灰比時，抗壓強度下降了 6.1% ，說明聚合物乳液在低水灰比條件下對水泥混凝土抗壓強度的影響幅度較小。

圖3不同水灰比下添加聚合物前后混凝土抗壓強度的對比曲線圖

通過試驗研究發(fā)現，聚合物對水泥混凝土抗壓強度有減弱作用，而低水灰比條件有效緩解了聚合物對水泥混凝土抗壓強度的減弱效果。這得益于低水灰比條件下，水泥混凝土內多余水分減少，聚合物對絮凝結構破壞而提高了漿體材料的黏結性能，使混凝土內部漿體材料與集料之間的界面過渡區(qū)域得到有效的改善，并且聚合物在混凝土內部填充作用改善了混凝土內部孔結構，使混凝土內部更加密實，從而提高了水泥混凝土抗壓強度。

2.3 耐久性能

上述試驗已經證實聚合物屬于膠狀物質，其分散在水泥漿體中，有利于提高漿體的黏附性及改善混凝土內部界面過渡區(qū)的黏結性能，使得混凝土內漿體與集料之間更加牢固，因此聚合物的加入會對水泥混凝土的耐久性能有所影響，尤其是在不同水灰比條件下。試驗采用《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG3420一2020）所規(guī)定的水泥混凝土耐磨性能試驗方法進行研究，水泥混凝土耐磨性試驗采用 150mm× 150mm×150mm 立方體標準試件，采取兩次磨損：第一次預磨損在200N負荷下磨30轉，去除水泥混凝土表面浮漿；第二次磨損在200N負荷下繼續(xù)磨60轉，稱取第二次磨損前后的質量，計算單位面積磨損量，用以評價水泥混凝土的耐磨性能。不同水灰比條件下，添加聚合物前后水泥混凝土耐磨性能的對比情況如圖4所示。

圖4不同水灰比下添加聚合物前后混凝土耐磨性能的對比曲線圖

由圖4可知，隨著水灰比的不斷增加，未加聚合物和添加聚合物的兩組試驗中，水泥混凝土單位面積磨損量均表現出逐漸增大的現象，說明兩組試驗混凝土耐磨性能隨著水灰比的增大而逐漸減小。對比分析同一水灰比條件下的試驗數據可以知，聚合物改性水泥混凝土單位面積磨損量均較普通混凝土小，說明聚合物的加入改善了水泥混凝土的耐磨性能。

試驗發(fā)現，水灰比越低，聚合物改性水泥混凝土與普通混凝土之間的單位面積磨損量相差越大（0.25水灰比時，兩者相差 28.0% ）；水灰比越大，單位面積磨損量相差越小（0.36水灰比時，兩者相差15. 1% ）。該試驗結果說明，聚合物在低水灰比條件下對水泥混凝土耐磨性能的改善效果更好。結合試驗數據分析認為，聚合物加入水泥混凝土當中，有效改善了混凝土漿體材料的黏聚性，以及漿體與集料之間的黏結性能，加之聚合物對混凝土多孔結構的填充作用，使混凝土更加密實，并使水泥混凝土耐磨性能得到大幅度的提升。

通過上述研究結果發(fā)現，聚合物可以有效改善水泥混凝土材料的工作性能、抗彎拉強度及耐磨性能，尤其是在低水灰比條件下，聚合物對水泥混凝土材料性能的改善效果更為明顯；聚合物乳液雖然對水泥混凝土抗壓強度有一定的降低作用，但是在低水灰比條件下，這種降低效果會大幅度減小，進一步說明了聚合物在低水灰比條件下的適用性更強。

3結語

本文通過一系列試驗，研究不同水灰比條件下，聚合物對水泥混凝土材料工作性能、力學性能及耐磨性能的影響，得出以下主要結論：

（1）隨著水灰比不斷增加，聚合物改性混凝土與普通混凝土坍落度均表現出不斷增加的現象。同一水灰比條件下，聚合物改性水泥混凝土坍落度均較普通混凝土坍落度有所增大，水灰比越大其增大的幅度越大，反之減小。

（2）在同一水灰比條件下，聚合物改性水泥混凝土的抗彎拉強度均較普通混凝土抗彎拉強度有所增加，水灰比越低其增加的幅度越大，反之越小。當水灰比為0.30時，兩種水泥混凝土抗彎拉強度均表現出最大值。

（3）隨著水灰比的增大，聚合物改性混凝土與普通混凝土抗壓強度均表現出不斷下降的趨勢。對于同一水灰比條件，聚合物改性水泥混凝土抗壓強度均小于普通水泥混凝土抗壓強度，且水灰比越大，聚合物改性混凝土抗壓強度下降的幅度越大，反之越小。

（4）隨著水灰比的不斷增加，聚合物改性混凝土與普通混凝土單位面積磨損量均逐漸增大。同一水灰比條件下，聚合物改性水泥混凝土單位面積磨損量均較普通混凝土小，其耐磨性能有較大的改善，且水灰比越低，聚合物改性混凝土耐磨性能提高的幅度越大，反之較小。

參考文獻

[1]李刊，魏智強，喬宏霞，等.四大類外摻材料對聚合物改性水泥基材料性能影響的研究進展[J].材料導報，2021，35（增刊1）：654-661.

[2]衡艷陽，趙文杰.丁苯膠乳改性水泥基材料的性能與機理研究進展[J].科技導報，2013，31（34）：75-79

[3]王超，劉兆爽，趙文杰.聚合物改性水泥基材料的機理研究進展[J].硅酸鹽通報，2017，36（4）：1254-1257，1265

[4]梁乃興，曹源文，姚紅云.聚合物改性水泥混凝土路用性能研究[J].公路交通科技，2005（3）：21-23，27.

[5]熊劍平.聚合物改性水泥混凝土路用性能研究[D].西安：長安大學，2006.

[6]鐘世云，王培銘.聚合物改性水泥砂漿和混凝土的微觀形貌[J].建筑材料學報，2004（7）2：168-173.

[7]易志堅，李穎，楊慶國，等.路用聚合物骨架空隙混凝土干縮性能研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2009，28（3）：534-536，632.

[8]HamasakiH，MotegiT，NoguchiT，etal.Fireresistanceofrepairedcomponents by polymer-modified cement mortar[J].Journal ofStructuralamp; Construction Engineering，2010，75（652）：1065-1071.

[9]AhmadS，ElahiA，BarbhuiyaSA，etal.Useof polymermodified mor-tarin controlling cracks in reinforced concrete beams[J].ConstructionandBuildingMaterials，2012，27（1）：91-96.

[10]王培銘，趙國榮，張國防.聚合物水泥混凝土的微觀結構的研究進展[J].硅酸鹽學報，2014，42（5）：653-660.

[11]Ohama Y，MasahiroO.Recenttrendsinresearchanddevelopmentactivitiesof polymer-modifiedpaste，mortarandconcreteinJapan[J].AdvancedMaterialsResearch.TransTech Publications，2013（687）：26-34.

[12]王培銘，張國防，張永明.聚合物干粉對水泥砂漿力學性能的影響[J].新型建筑材料，2005（1）：32-36.