李洋，劉楊

1.山東高速股份有限公司 濟(jì)青濟(jì)南養(yǎng)護(hù)分中心，山東 濟(jì)南 250014； 2.濟(jì)南瑞鑫路橋養(yǎng)護(hù)有限公司，山東 濟(jì)南 250105

0 引言

隨著我國(guó)高速公路建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，橋梁在公路構(gòu)造物中所占比例逐年攀升。橋面鋪裝層在保護(hù)橋面板免受行車荷載直接作用以及預(yù)防有害介質(zhì)侵入橋梁主體結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮重要作用，其質(zhì)量直接影響行車的安全性和橋梁耐久性[1-4]。目前用于橋面鋪裝的水泥混凝土主要包括普通混凝土、纖維混凝土等，由于混凝土自身的凝結(jié)硬化特性以及在施工過(guò)程中溫度、濕度的變化，易出現(xiàn)早期的收縮裂縫，從而加速了橋面鋪裝層的破壞，降低了橋梁的使用壽命[5-6]。為解決橋面鋪裝混凝土的早期開裂問(wèn)題，亟需開發(fā)新型的橋面鋪裝混凝土材料，在滿足工作性能與力學(xué)性能的條件下改善水泥混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性，以提高橋面鋪裝混凝土的耐久性。聚乙烯醇具有良好的成膜特性，目前已廣泛應(yīng)用于化工和紡織行業(yè)[7-9]。近年來(lái)，一些學(xué)者針對(duì)水溶性聚乙烯醇在混凝土材料領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，但目前的研究主要集中在水溶性聚乙烯醇對(duì)混凝土力學(xué)性能及水泥水化特性的影響上，聚乙烯醇對(duì)混凝土收縮性及耐久性能方面的研究尚處于起步階段[10-12]?；诖?，本文將水溶性聚乙烯醇加入橋面鋪裝混凝土中，研究在不同聚乙烯醇摻量條件下橋面鋪裝混凝土性能的變化規(guī)律，并對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行分析。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

原材料分別為：P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其性能測(cè)試結(jié)果如表1所示；細(xì)骨料(河砂)最大粒徑為5 mm，細(xì)度模數(shù)為2.7；粗骨料(石灰?guī)r碎石)，粒徑為5～20 mm，連續(xù)級(jí)配，級(jí)配良好；自來(lái)水及聚羧酸減水劑；224型聚乙烯醇。

表1 水泥的技術(shù)指標(biāo)

1.2 配合比

1)聚乙烯醇溶液的制備。在溶解聚乙烯醇時(shí)，首先將其放入20 ℃的水中使其充分溶脹，然后放入95 ℃的烘箱中加熱，直到形成均勻透明的水性溶液。

2)材料配合比。橋面鋪裝混凝土(C40)中水泥、砂子、石子和水的質(zhì)量比為1:1.7:3.1:0.4，水灰比為0.4，砂率為0.35，聚羧酸減水劑用量為2.8 kg/m3，聚乙烯醇溶液與水泥的質(zhì)量比(以下簡(jiǎn)稱聚乙烯醇摻量)分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。分別選取5組各1 m3聚乙烯醇橋面鋪裝混凝土試件，每組試件中水泥、砂子、石子、水、減水劑等原材料分別為450、765、1395、180、2.8 kg，聚乙烯醇分別為0、2.25、4.50、6.75、9.00 kg。

1.3 性能試驗(yàn)

參照文獻(xiàn)[13-15]進(jìn)行新拌橋面鋪裝混凝土坍落度，混凝土試件抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、干縮性能和抗?jié)B性能的測(cè)試?？箟簭?qiáng)度試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，抗彎拉強(qiáng)度試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm，干縮試驗(yàn)試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm，抗?jié)B試驗(yàn)試件尺寸為Φ100 mm×50 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 坍落度

采用坍落度筒法測(cè)試聚乙烯醇橋面鋪裝混凝土拌和物的坍落度。選取5組聚乙烯醇摻量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0% 的橋面鋪裝混凝土拌和物，測(cè)量其坍落度(每組測(cè)量3次，取平均值)分別為130、145、140、130、115 mm。

隨著聚乙烯醇摻量的逐漸增加，混凝土的坍落度先增加后降低。聚乙烯醇的摻量為0.5%～1.0%時(shí)，混凝土拌和物的坍落度較高，有助于改善混凝土拌和物的工作性能。隨著聚乙烯醇摻量的繼續(xù)增加，混凝土拌和物的坍落度逐漸降低。當(dāng)聚乙烯醇的摻量為2.0%時(shí)，改性混凝土拌和物的工作性能較普通混凝土拌和物差。

2.2 力學(xué)性能

分別測(cè)試5組不同聚乙烯醇摻量的橋面鋪裝混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表2、3所示。

由表2可以看出：聚乙烯醇橋面鋪裝混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加而增加；隨著聚乙烯醇摻量的增加，混凝土的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)為先增加后降低，當(dāng)聚乙烯醇摻量為1.0%時(shí)，混凝土的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度最大，分別較普通混凝土增長(zhǎng)了10.7%和8.2%。

表2 不同齡期不同聚乙烯醇摻量的橋面鋪裝混凝土的抗壓強(qiáng)度 MPa

由表3可以看出：聚乙烯醇的加入不會(huì)顯著增加或降低混凝土的7 d抗彎拉強(qiáng)度，可能是因?yàn)榫垡蚁┐荚诨炷粱w內(nèi)部的成膜過(guò)程需要時(shí)間，且聚乙烯醇的成膜過(guò)程在一定程度上減緩了水泥的水化反應(yīng)，但養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，聚乙烯醇已經(jīng)成膜并穩(wěn)定分布在混凝土的各孔隙和裂縫中，此時(shí)聚乙烯醇改性混凝土28 d抗彎拉強(qiáng)度明顯高于普通混凝土；當(dāng)聚乙烯醇摻量為1.0%時(shí)，混凝土的28 d抗彎拉強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大，較普通混凝土增長(zhǎng)了17.1%。

表3 不同齡期不同聚乙烯醇摻量的橋面鋪裝混凝土的抗彎拉強(qiáng)度 MPa

2.3 收縮性能

采用立式混凝土收縮儀對(duì)5組聚乙烯醇橋面鋪裝混凝土試件進(jìn)行收縮性能測(cè)試，記錄其在齡期分別為3 、7 、14、28、56 、90 d時(shí)的收縮率，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同聚乙烯醇摻量的橋面鋪裝混凝土的收縮性能

由圖1可知：聚乙烯醇橋面鋪裝混凝土的收縮率隨著齡期的延長(zhǎng)而增大，且所有聚乙烯醇摻量下，其90 d測(cè)試齡期內(nèi)的收縮率都表現(xiàn)為前期迅速增長(zhǎng)，后期緩慢增長(zhǎng)；不同聚乙烯醇摻量下的混凝土在各測(cè)試齡期內(nèi)的收縮率均明顯低于相同齡期下的普通混凝土，且隨著聚乙烯醇摻量的增加，其收縮率逐漸降低。以90 d齡期的收縮率為例，聚乙烯醇摻量為2.0%的混凝土試件收縮率較普通混凝土試件降低了49.2%。

由此說(shuō)明：聚乙烯醇的加入可顯著降低混凝土的收縮變形，對(duì)提升橋面鋪裝混凝土的抗裂性能效果比較明顯。

2.4 抗?jié)B性能

采用快速氯離子遷移系數(shù)法對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的不同聚乙烯醇摻量下橋面鋪裝混凝土的抗?jié)B性能進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)聚乙烯醇摻量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時(shí)，氯離子遷移系分別為：9.4、7.5、6.7、6.0、5.5 μm2/s。隨著聚乙烯醇摻量的逐漸增加，混凝土的抗氯離子遷移系數(shù)逐漸降低，當(dāng)聚乙烯醇摻量為2.0%時(shí)，橋面鋪裝混凝土較普通混凝土的氯離子遷移系數(shù)降低了41.5%。摻加聚乙烯醇使混凝土的抗氯離子遷移系數(shù)降低，抗?jié)B性提高，可能是因?yàn)榫垡蚁┐荚诨炷粱w內(nèi)部的成膜效應(yīng)有效阻斷了氯離子在混凝土內(nèi)部孔隙和裂縫中的遷移。

3 聚乙烯醇改性橋面鋪裝混凝土機(jī)理分析

聚乙烯醇作為一種水溶性聚合物，與混凝土具有良好的相容性。在混凝土中加入適量的聚乙烯醇可以提高混凝土的力學(xué)性能、收縮性能和抗?jié)B性能。

1)聚乙烯醇可以與水泥顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的水化產(chǎn)物，形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀聚合物膜縮小了混凝土內(nèi)部的孔徑，使基體結(jié)構(gòu)更加致密[12,16]；聚乙烯醇還可以發(fā)揮其成膜效應(yīng)來(lái)改善混凝土的界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)，通過(guò)減小混凝土的界面過(guò)渡區(qū)厚度，提高其硬度來(lái)改善骨料與砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度[17-20]。因此，聚乙烯醇橋面鋪裝混凝土的力學(xué)性能、收縮性能和耐久性能得以有效改善。

2)聚乙烯醇摻量過(guò)多會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，這是因?yàn)檫^(guò)量的聚乙烯醇會(huì)在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成大量的片狀結(jié)構(gòu)并包裹在水泥顆粒表面，阻礙水泥的水化反應(yīng)，從而降低混凝土的抗壓強(qiáng)度[19，21]。

3)基于聚乙烯醇對(duì)橋面鋪裝混凝土工作性能、力學(xué)性能、收縮性能和抗?jié)B性能的試驗(yàn)結(jié)果分析，同時(shí)考慮材料成本，聚乙烯醇在橋面鋪裝混凝土中的最佳摻量為1.0%。

4 結(jié)論

1)加入適量的聚乙烯醇可以提高橋面鋪裝混凝土的坍落度，但當(dāng)聚乙烯醇的摻量大于1.5%時(shí)，橋面鋪裝混凝土的坍落度則低于普通混凝土，因此只考慮坍落度因素時(shí)，聚乙烯醇的摻量不應(yīng)大于1.5%。

2)聚乙烯醇橋面鋪裝混凝土的抗壓強(qiáng)度隨聚乙烯醇摻量的增加先增加后降低，當(dāng)聚乙烯醇摻量為1%時(shí)，聚乙烯醇改性橋面鋪裝混凝土的抗壓強(qiáng)度最大。同時(shí)摻加聚乙烯醇的混凝土的抗彎拉強(qiáng)度均高于普通混凝土。

3)聚乙烯醇橋面鋪裝混凝土的收縮變形小，抗氯離子滲透性好，且隨著聚乙烯醇摻量的增加，其對(duì)混凝土收縮阻裂和抗?jié)B性能的影響更為顯著。

4)聚乙烯醇主要通過(guò)影響水泥水化反應(yīng)的進(jìn)程以及聚乙烯醇自身的成膜特性來(lái)影響混凝土的力學(xué)性能，其在混凝土材料領(lǐng)域具有廣闊的推廣和應(yīng)用前景。