聚乙烯醇掺量对桥面铺装混凝土性能的影响

李洋，刘杨

1.山东高速股份有限公司 济青济南养护分中心，山东 济南 250014； 2.济南瑞鑫路桥养护有限公司，山东 济南 250105

0 引言

随着我国高速公路建设事业的蓬勃发展，桥梁在公路构造物中所占比例逐年攀升。桥面铺装层在保护桥面板免受行车荷载直接作用以及预防有害介质侵入桥梁主体结构方面发挥重要作用，其质量直接影响行车的安全性和桥梁耐久性[1-4]。目前用于桥面铺装的水泥混凝土主要包括普通混凝土、纤维混凝土等，由于混凝土自身的凝结硬化特性以及在施工过程中温度、湿度的变化，易出现早期的收缩裂缝，从而加速了桥面铺装层的破坏，降低了桥梁的使用寿命[5-6]。为解决桥面铺装混凝土的早期开裂问题，亟需开发新型的桥面铺装混凝土材料，在满足工作性能与力学性能的条件下改善水泥混凝土内部结构的致密性，以提高桥面铺装混凝土的耐久性。聚乙烯醇具有良好的成膜特性，目前已广泛应用于化工和纺织行业[7-9]。近年来，一些学者针对水溶性聚乙烯醇在混凝土材料领域的应用进行了研究，但目前的研究主要集中在水溶性聚乙烯醇对混凝土力学性能及水泥水化特性的影响上，聚乙烯醇对混凝土收缩性及耐久性能方面的研究尚处于起步阶段[10-12]。基于此，本文将水溶性聚乙烯醇加入桥面铺装混凝土中，研究在不同聚乙烯醇掺量条件下桥面铺装混凝土性能的变化规律，并对其影响机理进行分析。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

原材料分别为：P.O 42.5普通硅酸盐水泥，其性能测试结果如表1所示；细骨料(河砂)最大粒径为5 mm，细度模数为2.7；粗骨料(石灰岩碎石)，粒径为5～20 mm，连续级配，级配良好；自来水及聚羧酸减水剂；224型聚乙烯醇。

表1 水泥的技术指标

1.2 配合比

1)聚乙烯醇溶液的制备。在溶解聚乙烯醇时，首先将其放入20 ℃的水中使其充分溶胀，然后放入95 ℃的烘箱中加热，直到形成均匀透明的水性溶液。

2)材料配合比。桥面铺装混凝土(C40)中水泥、砂子、石子和水的质量比为1:1.7:3.1:0.4，水灰比为0.4，砂率为0.35，聚羧酸减水剂用量为2.8 kg/m3，聚乙烯醇溶液与水泥的质量比(以下简称聚乙烯醇掺量)分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。分别选取5组各1 m3聚乙烯醇桥面铺装混凝土试件，每组试件中水泥、砂子、石子、水、减水剂等原材料分别为450、765、1395、180、2.8 kg，聚乙烯醇分别为0、2.25、4.50、6.75、9.00 kg。

1.3 性能试验

参照文献[13-15]进行新拌桥面铺装混凝土坍落度，混凝土试件抗压强度、抗弯拉强度、干缩性能和抗渗性能的测试。抗压强度试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，抗弯拉强度试件尺寸为150 mm×150 mm×550 mm，干缩试验试件尺寸为100 mm×100 mm×515 mm，抗渗试验试件尺寸为Φ100 mm×50 mm。

2 试验结果与分析

2.1 坍落度

采用坍落度筒法测试聚乙烯醇桥面铺装混凝土拌和物的坍落度。选取5组聚乙烯醇掺量分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0% 的桥面铺装混凝土拌和物，测量其坍落度(每组测量3次，取平均值)分别为130、145、140、130、115 mm。

随着聚乙烯醇掺量的逐渐增加，混凝土的坍落度先增加后降低。聚乙烯醇的掺量为0.5%～1.0%时，混凝土拌和物的坍落度较高，有助于改善混凝土拌和物的工作性能。随着聚乙烯醇掺量的继续增加，混凝土拌和物的坍落度逐渐降低。当聚乙烯醇的掺量为2.0%时，改性混凝土拌和物的工作性能较普通混凝土拌和物差。

2.2 力学性能

分别测试5组不同聚乙烯醇掺量的桥面铺装混凝土试件的抗压强度和抗弯拉强度，试验结果如表2、3所示。

由表2可以看出：聚乙烯醇桥面铺装混凝土的抗压强度随着龄期的增加而增加；随着聚乙烯醇掺量的增加，混凝土的7 d和28 d抗压强度均表现为先增加后降低，当聚乙烯醇掺量为1.0%时，混凝土的7 d和28 d抗压强度最大，分别较普通混凝土增长了10.7%和8.2%。

表2 不同龄期不同聚乙烯醇掺量的桥面铺装混凝土的抗压强度 MPa

由表3可以看出：聚乙烯醇的加入不会显著增加或降低混凝土的7 d抗弯拉强度，可能是因为聚乙烯醇在混凝土基体内部的成膜过程需要时间，且聚乙烯醇的成膜过程在一定程度上减缓了水泥的水化反应，但养护28 d时，聚乙烯醇已经成膜并稳定分布在混凝土的各孔隙和裂缝中，此时聚乙烯醇改性混凝土28 d抗弯拉强度明显高于普通混凝土；当聚乙烯醇掺量为1.0%时，混凝土的28 d抗弯拉强度增长幅度最大，较普通混凝土增长了17.1%。

表3 不同龄期不同聚乙烯醇掺量的桥面铺装混凝土的抗弯拉强度 MPa

2.3 收缩性能

采用立式混凝土收缩仪对5组聚乙烯醇桥面铺装混凝土试件进行收缩性能测试，记录其在龄期分别为3 、7 、14、28、56 、90 d时的收缩率，试验结果如图1所示。

图1 不同聚乙烯醇掺量的桥面铺装混凝土的收缩性能

由图1可知：聚乙烯醇桥面铺装混凝土的收缩率随着龄期的延长而增大，且所有聚乙烯醇掺量下，其90 d测试龄期内的收缩率都表现为前期迅速增长，后期缓慢增长；不同聚乙烯醇掺量下的混凝土在各测试龄期内的收缩率均明显低于相同龄期下的普通混凝土，且随着聚乙烯醇掺量的增加，其收缩率逐渐降低。以90 d龄期的收缩率为例，聚乙烯醇掺量为2.0%的混凝土试件收缩率较普通混凝土试件降低了49.2%。

由此说明：聚乙烯醇的加入可显著降低混凝土的收缩变形，对提升桥面铺装混凝土的抗裂性能效果比较明显。

2.4 抗渗性能

采用快速氯离子迁移系数法对养护龄期为28 d的不同聚乙烯醇掺量下桥面铺装混凝土的抗渗性能进行测试，当聚乙烯醇掺量分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%时，氯离子迁移系分别为：9.4、7.5、6.7、6.0、5.5 μm2/s。随着聚乙烯醇掺量的逐渐增加，混凝土的抗氯离子迁移系数逐渐降低，当聚乙烯醇掺量为2.0%时，桥面铺装混凝土较普通混凝土的氯离子迁移系数降低了41.5%。掺加聚乙烯醇使混凝土的抗氯离子迁移系数降低，抗渗性提高，可能是因为聚乙烯醇在混凝土基体内部的成膜效应有效阻断了氯离子在混凝土内部孔隙和裂缝中的迁移。

3 聚乙烯醇改性桥面铺装混凝土机理分析

聚乙烯醇作为一种水溶性聚合物，与混凝土具有良好的相容性。在混凝土中加入适量的聚乙烯醇可以提高混凝土的力学性能、收缩性能和抗渗性能。

1)聚乙烯醇可以与水泥颗粒发生化学反应，生成新的水化产物，形成连续的网络状聚合物膜缩小了混凝土内部的孔径，使基体结构更加致密[12,16]；聚乙烯醇还可以发挥其成膜效应来改善混凝土的界面过渡区结构，通过减小混凝土的界面过渡区厚度，提高其硬度来改善骨料与砂浆的黏结强度[17-20]。因此，聚乙烯醇桥面铺装混凝土的力学性能、收缩性能和耐久性能得以有效改善。

2)聚乙烯醇掺量过多会降低混凝土的抗压强度，这是因为过量的聚乙烯醇会在混凝土结构内部形成大量的片状结构并包裹在水泥颗粒表面，阻碍水泥的水化反应，从而降低混凝土的抗压强度[19，21]。

3)基于聚乙烯醇对桥面铺装混凝土工作性能、力学性能、收缩性能和抗渗性能的试验结果分析，同时考虑材料成本，聚乙烯醇在桥面铺装混凝土中的最佳掺量为1.0%。

4 结论

1)加入适量的聚乙烯醇可以提高桥面铺装混凝土的坍落度，但当聚乙烯醇的掺量大于1.5%时，桥面铺装混凝土的坍落度则低于普通混凝土，因此只考虑坍落度因素时，聚乙烯醇的掺量不应大于1.5%。

2)聚乙烯醇桥面铺装混凝土的抗压强度随聚乙烯醇掺量的增加先增加后降低，当聚乙烯醇掺量为1%时，聚乙烯醇改性桥面铺装混凝土的抗压强度最大。同时掺加聚乙烯醇的混凝土的抗弯拉强度均高于普通混凝土。

3)聚乙烯醇桥面铺装混凝土的收缩变形小，抗氯离子渗透性好，且随着聚乙烯醇掺量的增加，其对混凝土收缩阻裂和抗渗性能的影响更为显著。

4)聚乙烯醇主要通过影响水泥水化反应的进程以及聚乙烯醇自身的成膜特性来影响混凝土的力学性能，其在混凝土材料领域具有广阔的推广和应用前景。