聚合物乳液對自密實(shí)混凝土性能的影響

鄭永杰 楊魯，2 王浩 譚鹽賓，2 李林香，2 齊婧 岳成軍

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081

我國橋梁結(jié)構(gòu)逐漸向大跨度方向發(fā)展，鋼管混凝土拱橋憑借其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢應(yīng)用越來越廣泛［1-3］。作為混凝土與鋼管的結(jié)合體，鋼管混凝土兼有混凝土的高承載力和鋼管的良好彈塑性［4］。大跨度鋼管混凝土拱橋中鋼管混凝土施工一般采用泵送頂升法，對混凝土工作性能要求極高。然而，原材料品質(zhì)、環(huán)境溫度波動、長距離運(yùn)輸?shù)纫蛩鼐鶗?dǎo)致混凝土工作性能變差，嚴(yán)重時(shí)會造成鋼管混凝土拱橋拱肋脫空，鋼管的套箍作用得不到充分發(fā)揮，嚴(yán)重影響鋼管混凝土拱橋的承載能力［5-9］。

按成因鋼管混凝土拱橋拱肋脫空分為兩類［10］，第一類是因混凝土收縮徐變，鋼管與混凝土界面分離減弱了鋼管的套箍作用；第二類是由于混凝土施工性能不佳，泵送不到位造成鋼管混凝土拱橋拱頂充填不飽滿。對于第一類脫空通常采用高分子修補(bǔ)材料注漿處理［11-12］。對于第二類脫空，因范圍較大，采用高分子修補(bǔ)材料成本高，一般采用混凝土或砂漿材料。為了確保修補(bǔ)后鋼管與混凝土協(xié)同工作良好，修補(bǔ)此類脫空的混凝土或砂漿不僅要達(dá)到較高抗壓強(qiáng)度，還要具備較高的黏結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)還對混凝土或砂漿工作性能、靜態(tài)穩(wěn)定性和體積穩(wěn)定性要求較高。若以普通混凝土或砂漿作為修補(bǔ)材料，雖然可以達(dá)到大流態(tài)和高強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，但靜態(tài)穩(wěn)定性及體積穩(wěn)定性差和黏結(jié)力不足，很難確保新老混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度。即使有界面劑的存在，但因界面劑的時(shí)效性、局限性［13-14］以及缺陷處空間狹窄不易噴涂也很難保證黏結(jié)強(qiáng)度，容易出現(xiàn)因新老混凝土界面黏結(jié)不牢固管內(nèi)混凝土再度損壞等質(zhì)量問題。因此，本文以聚合物乳液改性自密實(shí)混凝土作為鋼管混凝土拱橋拱肋大面積脫空缺陷的修補(bǔ)材料，研究單摻乙烯-醋酸乙烯共聚乳液（Ethylene?vinyl acetate Copolymer Emulsion，EVA）、苯丙乳液（Styrene?acrylic Emulsion，SAE）和丁苯乳液（Styrene?butadiene Rubber Latex，SBR）對自密實(shí)混凝土工作性能、靜態(tài)穩(wěn)定性、力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性的影響，以期對鋼管混凝土拱橋拱肋脫空缺陷的修補(bǔ)提供一種新的技術(shù)措施。

1 原材料及混凝土配合比

1.1 原材料

采用北京金隅集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥；采用山東華能威海發(fā)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的F類Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度20.9%，需水量比99%，活性指數(shù)82%，燒失量3.5%；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)2.6，含泥量1.0%的天然河砂；粗骨料采用5 ～ 20 mm 連續(xù)級配碎石；減水劑為河北三楷深發(fā)科技股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，減水率25%；增黏劑為中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的TZ?SA 型增黏劑，黏度比165%，擴(kuò)展度之差30 mm；聚合物乳液采用EVA乳液、SAE乳液和SBR乳液。聚合物乳液性能指標(biāo)見表1。

表1 聚合物乳液性能指標(biāo)

1.2 混凝土配合比

采用C55 自密實(shí)混凝土作為鋼管內(nèi)填充混凝土，研究EVA 乳液、SAE 乳液和SBR 乳液對自密實(shí)混凝土性能的影響?；炷僚浜媳纫姳?。其中：C?JZ 為自密實(shí)混凝土基準(zhǔn)組，C?EVA、C?SAE、C?SBR 分別為單摻EVA 乳液、SAE 乳液、SBR 乳液的自密實(shí)混凝土對比組。

表2 混凝土配合比kg·m-3

2 試驗(yàn)方法

混凝土坍落擴(kuò)展度、擴(kuò)展時(shí)間（T500）、J環(huán)障礙高差和含氣量按照Q/CR 596—2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實(shí)混凝土》測試，貫入度按照美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1712—2017［15］測試。

混凝土抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度按照GB/ T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試，混凝土干燥收縮率按照GB/ T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 工作性能

T500和J 環(huán)障礙高差均是自密實(shí)混凝土工作性能的重要指標(biāo)。T500用于表征自密實(shí)混凝土的黏度，T500越長，自密實(shí)混凝土黏度越大。J 環(huán)障礙高差用于表征自密實(shí)混凝土的抗離析性能，J 環(huán)障礙高差越小，自密實(shí)混凝土抗離析性能越好。

單摻不同聚合物乳液的自密實(shí)混凝土T500和J 環(huán)障礙高差對比見表3?？芍悦軐?shí)混凝土坍落擴(kuò)展度和含氣量相近時(shí)，單摻不同聚合物乳液后T500均增大，但J環(huán)障礙高差均減小，但三者不管是T500還是J環(huán)障礙高差都相差不多。這說明單摻三種聚合物乳液均可提高自密實(shí)混凝土的黏度和抗離析性能，但不同聚合物乳液的提升效果差別不大。

表3 單摻不同聚合物乳液的自密實(shí)混凝土T500和J環(huán)障礙高差對比

3.2 靜態(tài)穩(wěn)定性

貫入度（d）是評價(jià)自密實(shí)混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。d≤10 mm 時(shí)自密實(shí)混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性良好，10 mm ＜d＜ 25 mm 時(shí)自密實(shí)混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性一般，d≥ 25 mm時(shí)自密實(shí)混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性較差［15］。

單摻EVA、SAE、SBR 乳液后自密實(shí)混凝土d分別為7、8、7 mm?？芍?，與未摻時(shí)（d= 11 mm）相比，摻EVA、SAE、SBR 乳液后，d分別降低36.4%、27.3%和36.4%，但單摻三種聚合物乳液后自密實(shí)混凝土d差別不大。這說明單摻聚合物乳液可明顯提升自密實(shí)混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性。原因可能是，摻入聚合物乳液增加了自密實(shí)混凝土漿體的黏度，導(dǎo)致骨料與漿體間摩擦力明顯增大，阻礙了骨料的下沉，提高了自密實(shí)混凝土中漿骨分布的均勻性。

3.3 力學(xué)性能

1）抗壓強(qiáng)度

單摻不同聚合物乳液的自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線見圖1。可知，單摻不同聚合物乳液的自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度相差較大，其中單摻EVA 乳液雖然會一定程度降低自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度，但降幅不大。與未摻時(shí)（抗壓強(qiáng)度63.4 MPa）相比，56 d 齡期抗壓強(qiáng)度（61.1 MPa）僅降低3.6%，仍能達(dá)到C55混凝土強(qiáng)度要求。然而，單摻SAE、SBR乳液均會明顯降低自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度。單摻SAE、SBR乳液后，自密實(shí)混凝土56 d 齡期抗壓強(qiáng)度（53.9、50.9 MPa）比未摻時(shí)分別降低15.0%和19.7%，且抗壓強(qiáng)度均不足55 MPa。這是因?yàn)榛炷林袚饺刖酆衔锶橐汉?，聚合物顆粒逐漸成膜，并分布于水泥顆粒表面，減緩了水泥水化進(jìn)程［16］，會一定程度降低混凝土抗壓強(qiáng)度，但由于三種聚合物乳液的分子結(jié)構(gòu)不同，所以單摻三種聚合物乳液后自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度降低的幅度不同。

圖1 單摻不同聚合物乳液的混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線

2）黏結(jié)強(qiáng)度

單摻不同聚合物乳液的自密實(shí)混凝土黏結(jié)強(qiáng)度對比見表4?？芍?，單摻三種聚合物乳液后自密實(shí)混凝土黏結(jié)強(qiáng)度均大幅提高。28 d 齡期時(shí)，與未摻時(shí)相比，單摻EVA、SAE、SBR 乳液后自密實(shí)混凝土黏結(jié)強(qiáng)度分別增長69.0%、73.8%、69.7%，均滿足Q/CR 659—2018《高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)用修補(bǔ)砂漿》中28 d齡期黏結(jié)強(qiáng)度不小于2.0 MPa 的要求。與28 d齡期相比，56 d 齡期四種自密實(shí)混凝土黏結(jié)強(qiáng)度均略有增長。

表4 單摻不同聚合物乳液的自密實(shí)混凝土黏結(jié)強(qiáng)度對比

3.4 體積穩(wěn)定性

干燥收縮率用于表征自密實(shí)混凝土的體積穩(wěn)定性。干燥收縮率越小，自密實(shí)混凝土體積穩(wěn)定性越好。

單摻不同聚合物乳液的自密實(shí)混凝土干燥收縮率隨齡期變化曲線見圖2?？芍?，單摻三種聚合物乳液后自密實(shí)混凝土干燥收縮率均會降低，尤其是7 d齡期前降幅明顯。7 d 齡期時(shí)摻入EVA、SAE、SBR 乳液后，自密實(shí)混凝土干燥收縮率分別為2.69 × 10-4、2.63 × 10-4、2.53 × 10-4，比未摻（2.86 × 10-4）時(shí)分別降低5.9%、8.0%、11.5%。56 d齡期時(shí)摻入EVA、SAE、SBR乳液后，自密實(shí)混凝土干燥收縮率分別為3.78 × 10-4、3.72 × 10-4、3.70 × 10-4，比未摻（3.88 × 10-4）時(shí)分別降低2.6%、4.1%、4.6%。原因可能是單摻聚合物乳液后，聚合物薄膜不僅減緩了水泥水化進(jìn)程，而且阻止了自由水的散失，同時(shí)聚合物薄膜穿插于水泥顆粒與水化產(chǎn)物之間，與水化產(chǎn)物相互交織，填充了混凝土內(nèi)一部分大孔和有害孔［17］，抑制了自密實(shí)混凝土的干燥收縮。

圖2 單摻不同聚合物乳液的自密實(shí)混凝土干燥收縮率隨齡期變化曲線

4 結(jié)論

1）單摻三種聚合物乳液后，自密實(shí)混凝土T500均增大，J 環(huán)障礙高差、貫入度和干燥收縮率均減小，黏結(jié)強(qiáng)度明顯提高，但摻入聚合物乳液會降低抗壓強(qiáng)度，其中單摻SAE、SBR乳液后自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)不到C55混凝土強(qiáng)度要求。

2）與不摻聚合物乳液時(shí)相比，單摻EVA 乳液后自密實(shí)混凝土28 d 齡期黏結(jié)強(qiáng)度大于2.0 MPa，滿足Q/CR 659—2018 要求，自密實(shí)混凝土貫入度降低36.4%，56 d 干燥收縮率降低2.6%，自密實(shí)混凝土靜態(tài)穩(wěn)定性和體積穩(wěn)定性均明顯提高，且其抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。因此，單摻EVA 乳液的自密實(shí)混凝土可用于鋼管混凝土拱橋拱肋脫空修補(bǔ)。