水灰比及砂率对聚合物混凝土性能的影响研究

中图分类号：TU41
文献标识码：A
文章编号：1001-6945（2023）08-21-04
本栏编辑：李瑜
随着经济水平的不断发展，国内城市化建设进程不断加快，房地产基础设施持续快速发展。

伴随国内城市化进程的高速推进，城市人口的快速增加与低层建筑物的矛盾开始激化，超高层建筑建设数量越来越多[1]。

在此背景下，传统混凝土无法满足高质量建筑工程的建设需求，聚合物混凝土等高性能混凝土开始成为研究者关注的重点。

聚合物混凝土是一种将聚合物掺入普通混凝土的新型高性能混凝土，随着化工行业的快速发展，聚合物种类繁多，在聚合物混凝土配合比设计方面的研究备受关注[2,3]。

目前，常用的聚合物包括橡胶乳液、热塑性树脂胶乳及热固性树脂乳液等，研究者已经对聚合物混凝土性能的影响进行了大量研究[4-6]。

韩裕山等人[4]研究了聚灰比对混凝土性能的影响，认为随着聚灰比的增加，其力学性能增强；苏开拓[5]研究了混凝土耐久性能随氧化物掺量的演变规律，研究表明，混凝土的碳化深度与氧化物掺量呈负相关关系；李艳玲等人[6]研究了硫酸钠外掺剂对混凝土耐久性能的影响，研究表明，
加入硫酸钠后，混凝土耐久性能可以显著提升。

鉴于此背景，本文开展了水灰比（0.2、0.3、0.4、0.5）及砂率（0.3、0.35、0.4、0.45）对聚合物混凝土抗压、抗拉、抗折强度以及渗透系数的影响。

水灰比及砂率对聚合物混凝土性能的影响研究
闫宇嵩（贵州省建材产品质量检验检测院，贵州
贵阳
550014）
摘要：随着国内城市化建设进程的不断加快，超高层建筑建设数量越来越多。

传统混凝土无法满足高质量建筑工程的建设需求，聚合物混凝土等高性能混凝土开始成为研究者关注的重点。

鉴于此，开展了水灰比及砂率对聚合物混凝土抗压强度、抗拉强度、抗折强度以及渗透系数的影响。

结果表明：聚合物混凝土力学强度与水灰比呈先正相关后负相关的趋势；聚合物混凝土力学性能并不是与砂率呈现持续的正相关关系，而是砂率增加到一定程度后，其力学性能开始出现下降的趋势；聚合物混凝土的渗水系数与水灰比呈先负相关后正相关的规律，聚合物混凝土渗水系数与砂率呈现先负相关后正相关关系；整体上，当水灰比为0.3、砂率为0.4时，聚合物混凝土的力学性能及抗渗性能达到最优。

关键词：聚合物混凝土；水灰比；砂率；力学性能；渗水系数
Abstract:In this paper,the effects of water-cement ratio and sand rate on compressive strength,tensile
strength,flexural strength and permeability coefficient of polymer concrete are investigated.The results show that the mechanical strength of polymer concrete and the water-cement ratio show a trend of positive correla⁃tion and then negative correlation.The mechanical properties of polymer concrete are not positively correlated with the sand rate,but after the sand rate increases to a certain extent,its mechanical properties begin to de⁃cline.The water permeability coefficient and water-cement ratio of polymer concrete shows a negative correla⁃tion and then a positive correlation,and the water permeability coefficient and sand rate of polymer concrete shows a negative correlation and then a positive correlation.On the whole,when the water-cement ratio is 0.3and the sand rate is 0.4,the mechanical properties and impermeability of polymer concrete reach the best.
Key Words:polymer concrete,water-cement ratio,sand rate,mechanical property,water permeability coeffi⁃cient
Study on influence of water-cement ratio and sand rate on properties of polymer concrete
YAN Yu-song
1原材料及试验方案
1.1原材料
透水混凝土的原材料主要包括细集料、粗骨料、粉煤灰、水泥、水及聚合物。

（1）骨料。

本文粗集料为石灰岩碎石，粒径为2mm~15mm；细集料为河砂，细度模数为2.412。

（2）粉煤灰。

Ⅱ级粉煤灰，含水量为0.15%，细度21.5%，表观密度为2250kg/m3。

（3）水泥。

P·O42.5级硅酸盐水泥。

（4）聚合物。

本文采用不饱和聚酯树脂乳液，固含量为60%，相对密度为1.12。

（5）水。

拌合水为自来水。

1.2试验方案设计
根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》[7]中的要求进行不同类型聚合物混凝土的配合比设计，见表1。

基于基准混凝土的配合比，通过改变混凝土内部的水灰比（0.2、0.3、0.4、0.5）及砂率（0.3、0.35、0.4、0.45）获取不同类型的聚合物混凝土，分别测试养护龄期28d后不同类型聚合物混凝土材料的力学强度及渗水系数，分析水灰比及砂率对聚合物混凝土力学性能及耐久性能的影响。

表1
聚合物混凝土配合比
0.3 0.4 0.5 0.2 0.2 0.20.30
0.30
0.30
0.35
0.40
0.45
135
180
225
90
90
90
410
410
410
410
410
410
1400
1400
1400
1300
1200
1100
40
40
40
40
40
40
600
600
600
700
800
900
45
45
45
45
45
45
1.3试件制备与养护
聚合物混凝土的试样制备流程包括干料拌和阶段、预湿阶段、制样阶段及养护阶段，具体试验步骤如下：
（1）干料拌和阶段。

将骨料倒入搅拌机中，搅拌时间为1min~2min。

（2）预湿阶段。

向干混合料中加入50%的水，搅拌30s。

（3）制样阶段。

向上述混合料中加入聚合物、粉煤灰和水泥进行充分拌合后获取拌合均匀的混合料；最后装模，采用人工插捣的方式，分三次插捣并抹平混凝土，最终制备混凝土立方体试块。

（3）养护阶段。

首先在室温下静置成型后进行脱模，其次对获取的试样进行编号区分，然后在标准养护箱进行28d的养护，最后利用养护后试件进行混凝土性能测试。

1.4测试方法
抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度是评价混凝土质量优劣的重要力学性能指标。

本文采用TYA-
2000型电液式压力试验机测试不同类型聚合物混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度。

操作步骤依照GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[8]中规定的进行。

上述所有试验均制作两个平行件，取其平均值作为测试结果。

聚合物混凝土试件抗压强度的计算如式（1）所示：
f cu=F A（1）式中f cu-抗压强度，MPa；F-破坏荷载，N；A-承压面积，mm2。

聚合物混凝土抗拉强度计算如式（2）所示：
f ts=2FπA（2）式中f ts-抗拉强度，MPa；F-破坏荷载，N；A-劈裂面面积，mm2。

聚合物混凝土抗折强度的计算公式如式（3）所示;
f f=Fl bh2（3）式中f f-抗折强度，MPa；F-破坏荷载，N；l-支座跨度，mm；b-截面宽度，mm；h-截面高度，mm。

渗水系数利用定水头法进行测试，试验装置选用自制简易测定仪。

透水系数K(mm/s)的计算如式（4）所示：
K=QL/AHt（4）式中Q-t秒内流出的水量，mm3；L-厚度，mm；A为底面积，mm2；H-液面水位差，mm；t-测试时间，s。

2水灰比及砂率对聚合物混凝土力学性能影响研究2.1水灰比对聚合物混凝土力学性能的影响
结合上述的试验方法、试验设备及计算公式，不同水灰比聚合物混凝土的力学性能测试结果如图1所示。

从图1中可以看出，聚合物混凝土的抗压强度与水灰比呈先增加后减小的趋势；由于抗拉强度和抗折强度数值偏低，其随水灰比的变化趋势较抗压强度随水灰比的演变规律弱。

整体上，当水灰比为0.3时聚合物混凝土的力学性能达到最优。

这可能是由于起初水灰比较低时，聚合物混凝土内部水泥含量较高，聚合物对其水化反应的促进作用明显，因此明显提升其力学性能；当水灰比持续增加时，水泥含量持续降低，聚合物对水化反应的促进作用下降，对力学性能的改善作用有所降低。

2.2砂率对聚合物混凝土力学性能的影响
结合上述的试验方法、试验设备及计算公式，不同砂率下聚合物混凝土的力学性能测试结果如图2所示。

从图2中可以看出，聚合物混凝土力学性能并不是与砂率呈现持续的正相关关系，而是砂率增加到一定程度后，其力学性能开始出现下降趋势。

这是由于当低砂率条件下，随着细砂含量的增加，细砂可以显著填充聚
研究探讨
合物混凝土内部的空隙，改善其力学性能；但是当细砂含量过多时，粗集料的含量就会下降过多，进而导致聚合混凝土的骨架强度下降过多，无法弥补细砂填充空隙提升的强度。

当砂率为0.4时，聚合物混凝土的力学性能达到最优。

3水灰比及砂率对聚合物混凝土抗渗性能的影响研究3.1水灰比对聚合物混凝土抗渗性能的影响
不同水灰比聚合物混凝土的抗渗性能测试结果如图3所示。

从图3中可以看出，聚合物混凝土的渗水系数与水灰比呈先负相关后正相关关系的演变规律，当水灰比为0.3时聚合物混凝土的抗渗性能达到最优。

这可能是由于起初水灰比较低时，聚合物混凝土内部水泥含量较高，聚合物对其水化反应的促进作用明显，产生更多的水化产物，可以有效填充空隙，增加混凝土密实度，提升聚合物混凝土抗渗性能；但是当水灰比持
续增加时，混凝土内部的水泥含量持续降低，聚合物对水化反应的促进作用下降，水化产物的数量相对减少，反而降低了混凝土的抗渗性能。

3.2
砂率对聚合物混凝土抗渗性能的影响
不同砂率下聚合物混凝土的抗渗性能测试结果如图4所示。

从图4中可以看出，聚合物混凝土渗水系数并不是与砂率呈现持续的负相关关系，而是当砂率增加到一定程度后，其渗水系数开始出现增加的趋势，即聚合物混凝土的抗渗性能并不是随着砂率的增加持续提升的。

当砂率为0.4时，聚合物混凝土的抗渗性能达到最优。

这是由于当低砂率条件下，随着细砂含量的增加，细砂可以显著填充聚合物混凝土内部的空隙，使聚合物混凝土内部的联通空隙减少，减少了混凝土内部水的渗透路径，提升其抗渗性能；但是当细砂含量过多时，粗集料的含量就会下降过多，聚合物混凝土内部不能形成有效的骨架结构，反而降低聚合物混凝土的抗渗性能[9-10]。

图1
聚合物混凝土力学性能随水灰比演化规律
图2聚合物混凝土力学性能随砂率演化规律
图3聚合物混凝土抗渗性能随水灰比演化规律
图4
聚合物混凝土抗渗性能随砂率演化规律
4结语
随着国内城市化建设进程的不断加快，日益增加的城市人口与小型低层建筑的矛盾越来越明显，大型超高层建筑建设数量越来越多。

在此背景下，传统混凝土无法满足高质量建筑工程的建设需求，聚合物混凝土等高性能混凝土开始成为研究者关注的重点。

本文开展了水灰比（0.2、0.3、0.4、0.5）及砂率（0.3、0.35、
0.4、0.45）对聚合物混凝土抗压强度、抗拉强度、抗折强度以及渗透系数的影响，形成的研究结论如下：（1）聚合物混凝土的抗压强度与水灰比呈先正相关后负相关的趋势；由于抗拉强度和抗折强度数值偏低，其随水灰比的变化趋势较抗压强度随水灰比的演变规律弱。

（2）聚合物混凝土力学性能并不是与砂率呈持续的正相关关系，而是砂率增加到一定程度后，其力学性能开始出现下降趋势。

（3）聚合物混凝土的渗水系数与水灰比呈先负相关后正相关的演变规律，聚合物混凝土渗水系数并不是与砂率呈现持续的负相关关系，而是当砂率增加到一定程度后，其渗水系数开始出现增加的趋势。

即聚合物混凝土的抗渗性能并不是随着砂率的增加持续提升的。

（4）整体上，当水灰比为0.3、砂率为0.4时，聚合物混凝土的力学性能及抗渗性能达到最优。

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[10]丁琴,陶明,李响.地聚合物混凝土配比及力学性能
研究[J].黄金科学技术,2022,30(02):243-253.
收稿日期：2023-6-6作者简介：闫宇嵩，出生于1985年7月，男，汉族，贵州贵阳人，硕士，工程师，主要从事建材检验或者建材生产工艺方向研究。

研究探讨
本刊讯，7月10日从山东省住房城乡建设厅了解到，“十四五”以来，全省新增绿色建筑4.44亿m2，2022年占城镇新竣工民用建筑比例超过99%。

推进城乡绿色低碳高质量发展是山东省加快建设绿色低碳高质量发展先行区的重要一环。

省住房城乡建设厅副厅长王润晓介绍，目前山东省新建建筑全面执行绿色建筑设计标准，政府投资或以政府投资为主的公共建筑以及其他大型公共建筑执行二星级及以上绿色建筑标准。

全省推行统一管理、分级实施的绿色建筑标识模式，组建绿色建筑专家库，94个项目获评星级绿色建筑。

建立绿色金融支持城乡建设绿色低碳发展储备项目库，累计征集入库项目近200个。

在建筑节能方面，“十四五”以来，全省建成节能建筑4.57亿m2，完成既有建筑节能改造2845.33万m2。

省住房城乡建设厅会同有关部门，稳步推进70个国家整
县屋顶分布式光伏规模化开发试点，因地制宜推广太阳能、地热能、风能、生物质能等新能源建筑应用。

同时，加速推广绿色建造方式，“十四五”以来，全省新开工装配式建筑1.33亿m2，2022年占城镇新开工建筑比例达到30%以上。

山东省还将推动绿色建筑地方立法，组织创建绿色城市试点。

编制发布绿色建筑工程施工质量验收标准等，进一步完善地方标准体系。

稳步提升建筑能效水平，修订公共建筑节能标准，将能效水平再提升
20%。

加快超低能耗建筑规模化发展、光伏建筑一体化（BIPV）项目建设，开展低碳、零碳建筑（社区）建设试点，贯彻落实绿色建材推广应用三年行动方案，推动政府投资工程率先采用绿色建材。

（来源：大众日报）。