基于正交试验的聚合物改性多孔水泥砼组成设计研究

卢海峨

(内蒙古路桥集团有限责任公司，呼和浩特 010051)

多孔水泥混凝土路面具有空隙率大、透水性好的优点，可显著提高路面内部排水能力，有效防止或减少路面水损害[1,2]。同时，由于多孔水泥混凝土路面具有较大的表面结构深度和内部空隙，因此具有防滑、降噪等表面功能，这是普通水泥混凝土路面所不具备的。然而，多孔水泥混凝土的缺点也很突出，抗压强度高、弯拉强度低、刚性太大、柔韧性不足、变形能力小[3,4]。这些缺陷已严重影响了其在公路工程中的应用。向多孔水泥混凝土中加入聚合物可以显着提高多孔混凝土的柔韧性和抗变形性[5]，从而进一步拓宽其应用领域。

作为一种新型路面材料，有关聚合物改性多孔水泥混凝土(PMPC)在我国的应用研究较少，尤其是综合考虑聚合物与组成设计之间的关联研究不多。针对聚合物多孔混凝土研究中存在的问题，设计了四个因素的正交试验方案：集料空隙率、水泥用量、水灰比和聚灰比。测试了PMPC的强度性能和透水性能，为今后的实际工程应用提供有价值的试验数据。

1 原材料与试验过程

1.1 原材料

1)水泥：选用PO 42.5普通硅酸盐水泥，水泥的物理力学性能如表1所示。

表1 水泥物理力学性能

2)集料：采用石灰岩碎石，为三档集料，其中1#集料粒径范围为4.75～9.5 mm，2#集料为2.36～4.75 mm，3#集料为0～2.36 mm，各档集料的物理力学性能如表2所示。

表2 碎石物理力学性能

3)拌合水为自来水。

4)聚合物乳液：采用丁苯乳液，主要化学成分为丁二烯、苯乙烯，固含量50%，pH值为7～10。

1.2 集料级配

多孔混凝土要求有一定的空隙率以便能充分排水、透水，同时也应具有一定的力学强度；而普通混凝土则偏重力学强度，空隙率应该尽可能小。根据混合集料的空隙率，设计出4种骨架密实型级配，如表3所示。

表3 分析研究所采用的集料级配 w/%

1.3 正交试验方案

选择集料空隙率(A)，水泥用量(C)，水灰比(W)和聚灰比(P)作为四个因素，在试验中， 混合集料空隙率的范围为20%～35%，梯度为5%；水泥用量范围为260～380 kg/m3，梯度为40 kg/m3；聚灰比的范围为5%～20%，梯度为5%；水灰比范围为0.40～0.55，梯度设计为0.05。采用四因素四水平正交试验设计方案，如表4所示。

表4 正交试验因素水平表

1.4 试验制备与养护

根据正交试验设计方案，共计16组试验，每组成型9个试件，试样尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。首先将骨料与水泥混合，在混合的同时加入聚合物乳液，最后逐渐加水。混合均匀后，分两层装模插捣，然后将试模放在振动台上，上负压板振捣2 min，振捣频率为60次/ min。成型后，覆膜养生7 d，然后自然养生28 d。

2 结果和讨论

聚合物改性水泥混凝土抗压抗折强度和弯拉强度测试结果如表5所示。

表5 正交试验性能测试结果

2.1 弯曲韧性试验结果讨论

通过分析16组样品的弯曲韧性结果可以看出(见表6)，影响聚合物改性水泥混凝土56 d弯拉强度的主要和次要因素是 A、C、P、W，集料空隙率的极差值为2.43，为主控因素；水灰比的差异仅为0.92，小于其他三个因素的极差，表明水灰比对弯拉强度的影响较小。弯曲韧性结果的因子分析，分析结果如图1(图中 W1、W2、W3、W4分别代表水胶比水平在1、2、3、4时的取值，其它三个因素依此类推)。从图1中可以看出，随着四个因素各因素的增加，混凝土的弯拉强度先增大后减小。当骨料空隙率为25%时，水泥用量为340 kg/m3，水灰比为0.50，聚灰比为15%，弯拉强度大。

表6 弯拉强度的极差分析

2.2 抗压强度结果讨论

通过分析16个样品的7 d和28 d抗压强度可以看出，影响7 d抗压强度因子的主次序和次序是C>A>P>W，影响28 d抗压强度因素的主次顺序为 C、A、W、P，见表7。在抗压强度极差分析中，集料空隙率和水泥用量的极差值远大于水灰比及聚灰比的极差值，表明总空隙率和水泥用量是影响抗压强度的主要控制因素。分析7 d和28 d抗压强度因子的结果如图2所示。可以看出，随着骨料空隙率的增加，抗压强度首先增加然后减小，达到最大值25%。

表7 混凝土抗压强度的极差分析

抗压强度随着水泥用量的增加而增加，随着水灰比的增加，7 d抗压强度先增加后减小，然后增加。随着水灰比的增加，28 d抗压强度先增大后减小。随着聚丙烯比的增加，抗压强度首先增加然后减小，达到最大值15%。

2.3 弯拉强度结果讨论

对16组试样的7 d和28 d弯拉强度结果进行极差分析，分析结果如表8所示。从分析结果可以看出，影响7 d弯拉强度因素的主次顺序为C>A>W>P，影响28 d弯拉强度因素的主次顺序为A>C>W>P。在弯拉强度极差分析中，集料空隙率和水泥用量的极差值大于水灰比及聚灰比的极差值，表明集料空隙率和水泥用量是影响抗折强度的主控因素。7 d和28 d弯拉强度的因素指标分析结果如图3所示。可知，随着集料空隙率的增大，弯拉强度先增加后减小，在25%处达到最大值。弯拉强度随着水泥用量的增大而增大，大于340 kg/m3之后，增长率有减小的趋势。7 d弯拉强度随着水灰比的增大先增大后减小，之后又增大；28 d弯拉强度随着水灰比的增大先增大后减小，在0.50处达到最大值。聚灰比在15%时弯拉强度达到最大值，但7 d弯拉强度随着聚灰比的增大先减小后增大，之后又减小；28 d弯拉强度先增加后减小。

表8 混凝土弯拉强度的极差分析

3 结 论

a.随着集料空隙率的增加，聚合物改性水泥混凝土的弯拉强度及抗压强度会呈现先增大后减小的趋势，当集料空隙率为25%时，其各项力学性能最佳。

b.随着水泥用量的增加，聚合物改性水泥混凝土的弯拉强度呈现先增大后减小的趋势，抗压强度呈现增大的趋势，综合分析，当水泥用量为340 kg/m3时，其各项力学性能达到最佳。

c.水灰比及聚灰比的用量增加对聚合物改性水泥混凝土的强度性能影响较小，但均呈现出先增大后减小的趋势，综合分析，当水灰比为0.50，聚灰比为15%时，聚合物改性多孔混凝土的综合性能最好。