聚合物改性高韌性水泥基復合材料混凝土路面抗老化性能試驗研究

朱建華，郭 斐

（金昌水泥（集團）有限公司，甘肅 金昌 737000）

0 引 言

由于公路工程的快速發展，其質量問題越來越受到人們的重視[1]。因長期暴露在自然界中，特別是在北方地區，混凝土材料極容易產生熱疲勞、冷收縮等損傷，造成混凝土材料的長期使用效果惡化，對道路使用年限產生重大影響[2]?；炷谅访娴哪途眯耘c其抗老化性能之間有著緊密的關系，伴隨著化學聚合物的不斷發展，各種用途和材質的抗老化劑不斷涌現出來，在公路混凝土路面中加入防紫外線的抗老化劑是當前改善公路抗老化性能的重要方法[3]。選用適當的抗老化劑對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]以環氧乳液和乳膠粉為主要原料，制備了聚合物改性水泥基復合材料，在200℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃等不同溫度下，對其物理機械性質的變化分析。研究發現，加入高分子后，樣品的體積穩定性能得到了提高，且在800 ℃以上的溫度下，不會出現破裂現象。在常溫冷卻下，高分子改性后的材料剩余強度峰值所需的溫度從400 ℃下降到200 ℃，而在水冷降溫下，其剩余強度則繼續下降，800 ℃時，高分子改性后的樣品在水冷降溫時發生破裂。彭博等人[5]以廢舊橡膠粉末改性瀝青為原料，通過添加不同量的ZnO、SiO2和TiO2作為復合添加劑，研究其對瀝青抗老化性能的作用機制。實驗表明，加入無機納米顆粒后，改性瀝青的抗老化性得到了明顯的提高，當加入2%的納米氧化鈦時，改性瀝青的抗老化性能得到了很大的提高。在經過光氧老化后，殘余針入度較改性前提高了13.2%，軟化點增量下降了60.7%。通過引入無機納米顆粒，改善其對紫外線的吸收率，并通過對其內部光譜特征調整，以改善其黏彈性和耐熱性，進而改善其抗老化性?；谝陨戏椒?，設計混凝土路面抗老化性能試驗。

1 實驗設計

1.1 實驗材料

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

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

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

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

實驗過程中使用的水均來自生活用水。

1.2 實驗儀器

水泥砂漿攪拌機（UJZ-15），昆山市玉山鎮文榮貿易商行；電子天平（FA-HM），常州萬泰天平儀器有限公司；抗壓強度試驗機（SYE-2500），廣東中野精科儀器設備有限公司；抗折強度試驗機（PWS-50），河北晟興儀器設備有限公司；三聯實驗模具（50mm×50mm×150mm），滄州名信試驗儀器有限公司；養護箱（SHBY-50B），滄州建盛試驗儀器有限公司；剪切流變儀（DSR）天津市港源試驗儀器廠。

1.3 制備水泥基復合材料

為了提高水泥基材料的韌性，利用纖維增強聚合物對水泥基材料的改性。由于纖維的分散會影響水泥基材料的性能[8]，所以，在制備時，需要在水泥中加入纖維，經過攪拌之后，加入聚合物和水[9]，水泥基復合材料的制作流程如圖1 所示。

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

稱取一定量的水泥基復合材料，通過加熱熔融[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合材料中攪拌半小時[11]。將一定量的水泥基復合材料裝入培養皿中[12]，在75℃的恒溫干燥箱中放置一段時間[13]，形成混凝土路面試件。將試件放入紫外光老化箱內，在表3 條件下對其進行紫外光輻射[14]。

表3 紫外光輻射條件設置Table 3 The UV radiation condition settings

1.4 性能測試

在不同的測試頻率和溫度條件下，對聚合物改性高韌性水泥基復合材料建造的混凝土路面抗老化性能測試。在剪切流變實驗過程中，將應變控制條件設置如表4 所示：

表4 應變控制條件Table 4 The strain control conditions

在以上條件下，對混凝土路面測試，記錄老化前后的各項性能指標，并按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》標準，設定溫度為10~90℃，分析路面的相位角和抗車轍因子。

2 結果分析

2.1 高韌性測試

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

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

根據圖2 結果可知，隨著纖維摻量的增加，水泥的抗拉強度越高和殘余抗拉強度不斷上漲。當纖維摻量為0.20%時，水泥的抗拉強度達到最大值，為300kPa。然而，當纖維摻量繼續增加時，抗拉強度的增長趨勢逐漸平緩。綜合來看，通過適量的纖維摻量，可以顯著提高聚合物改性高韌性水泥基復合材料混凝土的高韌性，其中0.20%的纖維摻量表現出最佳的高韌性。

2.2 聚合物對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，相位角越小，混凝土路面的彈性越大，在外力的作用下，不容易發生永久變形[15]，不同聚合物含量和溫度對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相位角的影響Table 5 The effects of different polymer contents and temperature on the phase angle

根據表5 可知，在老化前，當聚合物的含量為0.3%時，混凝土路面的相位角最小，當聚合物的含量為0%時，混凝土路面的相位角最大。在不同的聚合物含量下，當溫度為70℃時，混凝土路面的相位角最大。對于老化之后的混凝土路面而言，當聚合物的含量為0.6%時，50℃其相位角最大，當90℃、聚合物的含量為0.9%時，相位角最??；隨著溫度的升高，對于老化之后的混凝土路面而言，其相位角逐漸減小。綜合來看，根據表5 的結果，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相位角的影響稍有差異，但總體趨勢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，在設計和施工混凝土路面時，應考慮適量的聚合物添加以提高其彈性性能。

2.3 聚合物對混凝土路面抗車轍因子的影響

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

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

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

2.4 聚合物對混凝土路面復合剪切模量的影響

復合剪切模量是指路面在剪切荷載下的應變與應力之比，其能夠描述路面復合剪切性能，根據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》判定其性能?；炷谅访鎻秃霞羟心Ａ咳鐖D4所示。

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

根據圖4 的結果，可以看出對于老化前的混凝土路面，0.6%的含量將對路面復合剪切模量造成影響最大，而聚合物含量為0%時，對混凝土路面復合剪切模量的影響最小。路面老化后，0.6%的含量對路面復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，當溫度不斷上漲，路面在老化前后的復合剪切模量也隨之降低。由此說明，溫度也是影響路面復合剪切模量的重要指標。

2.5 聚合物對混凝土路面疲勞因子的影響

疲勞因子是指路面在往復荷載下的應力幅值與應力循環次數之比，其能夠描述路面抗疲勞特性，根據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，對其結果判定測試?；炷谅访嫫谝蜃拥淖兓闆r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。特別是當聚合物含量達到0.6%和0.9%時，對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，適當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，聚合物對混凝土路面疲勞性能的影響達到最大。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，溫度對混凝土路面的疲勞性能也產生了影響。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，聚合物對疲勞性能的改善效果呈現先增加后減小的趨勢。因此，溫度對于聚合物路面疲勞性能的影響具有一定的復雜性。

2.6 聚合物對混凝土路面延度的影響

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

圖6 混凝土路面在15℃時的延度Fig. 6 The ductility of concrete pavement at 15℃

圖6 的結果顯示，隨著聚合物含量的增加，無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。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。這是因為添加聚合物可以改善混凝土的柔韌性和變形能力。聚合物在混凝土中會形成柔韌的膠體結構，使得路面在承受荷載時具有更好的變形能力，進而提高了延度。

3 結 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合材料混凝土路面抗老化性能試驗研究，試驗結果如下：

（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，抗車轍因子和復合剪切模量呈現出增大- 減小的趨勢，混凝土路面的疲勞強度和延度逐漸下降。

（2）當溫度不斷上漲，對于老化后的路面，其相位角將不斷變小，聚合物對混凝土路面高溫性能的改善效果越來越差，導致復合剪切模量也不斷降低。

（3）隨著溫度的升高，聚合物對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，但是由于實驗條件有限，還存在很多不足，后續的研究中，將引入其他類型聚合物，對高韌性水泥基復合材料進行改性，從而不斷提高混凝土路面的抗老化性能。