非承載階段聚合物改性混凝土的抗裂性能試驗(yàn)研究

Tafadzwa Nyereyemhuka，王伯昕，路欣雨，額木格圖

（吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130061）

0 引言

普通硅酸鹽水泥混凝土（OPCC）具有抗壓強(qiáng)度高，易成型，耐火性、耐磨性、耐腐蝕性、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[1-5]，但在非承載階段普通混凝土的抗塑性開裂性能較差，且環(huán)境條件（如溫度、濕度、風(fēng)速等）對(duì)OPCC 的塑性開裂影響很大。為改善上述缺點(diǎn)，在普通硅酸鹽水泥混凝土中摻入聚合物形成聚合物改性混凝土（PMC），可有效提高混凝土在非承載階段的抗裂性能[6-8]。本文分別采用丁苯橡膠膠乳（SBR）和聚丙烯酸酯乳液（PAE）作為聚合物改性材料，通過試驗(yàn)研究了2種聚合物提高混凝土基體抗裂性的效果，并從細(xì)觀結(jié)構(gòu)角度解釋了阻裂機(jī)理，給出了2種聚合物的最優(yōu)摻量，為聚合物改性混凝土的實(shí)際使用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：長春亞泰P·O42.5 水泥，主要技術(shù)性能見表1；砂：河砂，中砂，細(xì)度模數(shù)2.4～3.0，平均粒徑0.35～0.50 mm，篩分曲線見圖1；石：石灰?guī)r碎石，粒徑4.75～16 mm，篩分曲線見圖1；水：純凈水；丁苯橡膠乳膠（SBR）、聚丙烯酸酯乳液（PAE）：主要技術(shù)性能見表2；消泡劑：Dili-828m，無色。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

圖1 集料的篩分曲線

表2 2種聚合物的主要技術(shù)性能

1.2 試件制備

試件采用美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM C1579 推薦的板式試件[9]，尺寸為560 mm×350 mm×100 mm，見圖2。由于PMC 的流動(dòng)性較高，為避免分層現(xiàn)象，振動(dòng)時(shí)間不超過10 s。振動(dòng)后用刮刀將混凝土表面抹平；隨后送到環(huán)境箱進(jìn)行開裂試驗(yàn)。共制作14 個(gè)試件，混凝土具體配合比見表3。由于混凝土中加入聚合物會(huì)導(dǎo)致氣體含量增加[10]，不利于混凝土的抗開裂性能，摻入占聚合物固體質(zhì)量10%的消泡劑來改善這一情況。

圖2 板式試件

表3 聚合物混凝土的配合比

1.3 試驗(yàn)方法

本研究利用環(huán)境箱（見圖3）進(jìn)行試驗(yàn)，使試件始終處于ASTM C1579 規(guī)定的環(huán)境條件[溫度（36±3）℃，相對(duì)濕度（30±10）%，風(fēng)速4.5 m/s]。通過放入蒸發(fā)盤在環(huán)境箱內(nèi)確保蒸發(fā)速率不小于1 kg/（m2·h）（見表4）。然后，將制備完成的試件直接放置環(huán)境箱進(jìn)行開裂試驗(yàn)。由于空間限制，每次只能測(cè)試1 個(gè)試件，首先將混凝土試件在上述條件下放置6 h，然后關(guān)掉風(fēng)扇和加熱器，關(guān)閉系統(tǒng)18 h 后進(jìn)行裂縫測(cè)量，總測(cè)試時(shí)間為24 h。每組取2 個(gè)試件測(cè)試裂縫條數(shù)、長度和寬度（精確到0.01 mm）。

圖3 抗裂試驗(yàn)的環(huán)境箱

表4 各組試件的實(shí)測(cè)環(huán)境參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同聚合物種類和摻量下混凝土試件的裂縫照片如圖4所示。

圖4 不同聚合物種類和摻量下混凝土試件的裂縫照片

2.1 聚合物對(duì)PMC 裂縫寬度的影響（見表5）

表5 聚合物對(duì)PMC 裂縫寬度的影響

由表5 可見：隨著SBR 摻量從0 增加到15%，PMC的最大裂縫寬度和平均裂縫寬度均先減小后增大，當(dāng)SBR 摻量為10%時(shí)，最大裂縫寬度和平均裂縫寬度最小。隨著PAE 摻量從0 增加到15%，PMC的最大裂縫寬度和平均裂縫寬度均逐漸減小。試驗(yàn)表明，當(dāng)聚合物摻量為5%時(shí)，2種聚合物均不能顯著減小混凝土試件的最大裂縫寬度和平均裂縫寬度；但隨著聚合物摻量增加到10%時(shí)，最大裂縫寬度和平均裂縫寬度均顯著減小，這說明聚合物摻入混凝土后提高了混凝土基體的抗裂性。且聚合物摻量為5%和10%時(shí)，相比于PAE 改性混凝土，SBR 改性混凝土的抗裂性更優(yōu)；但隨著聚合物摻量增加到15%，PAE 改性混凝土的抗裂性優(yōu)于SBR 改性混凝土。根據(jù)Aggarwal 等[5]的研究，聚合物混凝土具有抗裂的潛力。試驗(yàn)表明，雖然SBR 和PAE 對(duì)混凝土抗裂性有提升作用，但較低摻量下（0～5%）對(duì)抗裂性提升效果有限，對(duì)混凝基礎(chǔ)設(shè)施而言，2 mm 的裂縫寬度仍大于施工要求，因此混凝土中摻入少量的聚合物不會(huì)帶來顯著的抗裂效果。

2.2 聚合物對(duì)PMC 減裂比的影響

減裂比（CRR）是評(píng)價(jià)混凝土抗裂性的參數(shù)之一，CRR 越高表明混凝土的抗裂性越強(qiáng)。CRR 按式（1）計(jì)算，結(jié)果如表6所示。

表6 不同聚合種類和物摻量下混凝土的減裂比CRR

由表6 可知，摻加聚合物可增大混凝土的減裂比，提高PMC 的抗裂性，最佳聚合物摻量為10%～15%。本試驗(yàn)中SBR改性混凝土和PAE 改性混凝土的最大減裂比分別為90%和84%，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行拉格朗日差值運(yùn)算：

經(jīng)計(jì)算得到SBR 的最佳摻量為12.5%，PAE 的最佳摻量為13.25%。

2.3 裂縫條數(shù)及裂縫分布（見表7）

表7 不同聚合物種類和摻量下裂縫條數(shù)及裂縫分布規(guī)律

由表7 和圖4 可見，在聚合物摻量較低時(shí)，裂縫主要沿著模具下部尖端突起發(fā)展，但隨著聚合物摻量的增加，裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展不再遵循這個(gè)規(guī)律，具體表現(xiàn)為裂縫發(fā)展不再集中于尖端突起部分，試件表面裂縫分布范圍擴(kuò)大。SBR 和PAE改性混凝土的抗裂性不服從正態(tài)分布，尤其是PAE 改性混凝土的隨機(jī)性、模糊性很明顯。

2.4 聚合物對(duì)PMC 微觀結(jié)構(gòu)的影響

各組試件的SEM 照片如圖5所示。

由圖5 可見，聚合物和混凝土相互結(jié)合形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，這反映二者的協(xié)同作用，使得混凝土基體更加密實(shí)。未摻聚合物的OPCC 中存在較寬（最高5 μm 左右）較多的微裂縫；而SBR5 和SBR10 具有更致密的微觀結(jié)構(gòu)，表明適當(dāng)增加SBR摻量能明顯提高混凝土的抗裂性；PAE5 與OPCC 的微觀結(jié)構(gòu)相似。對(duì)比SBR 與PAE 摻量為10%和15%的改性混凝土SEM照片可見，PAE 改性混凝土具有更致密的硬化結(jié)晶形貌。

圖5 SBR 和PAE 改性混凝土的SEM 照片

3 結(jié)論

（1）隨著SBR 摻量從0 增加到15%，PMC的最大裂縫寬度和平均裂縫寬度均先減小后增大，當(dāng)SBR 摻量為10%時(shí)，最大裂縫寬度和平均裂縫寬度最小，減裂比最大，為90%。

（2）隨著PAE 摻量從0 增加到15%，PMC的最大裂縫寬度和平均裂縫寬度均逐漸減小。當(dāng)PAE 摻量為15%時(shí)，減裂比最大，為84%。

（3）混凝土中摻加適量的SBR 或PAE 均能顯著提高基體的抗塑性開裂性，降低基體的開裂幾率，可用于混凝土在非承載階段的裂縫控制。