PTB乳液對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能和抗侵蝕性能的影響

邱碧 丁鑄 張松

（1深圳市龍崗區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，廣東 深圳 518172；2深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060）

0 引言

水泥砂漿和混凝土材料由于原料豐富、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在建筑與土木工程中得到廣泛應(yīng)用，但是也存在脆性大、容易開(kāi)裂、耐腐蝕性能差等缺點(diǎn)。用普通混凝土材料建造的建筑物，隨著使用年限的增長(zhǎng)，由于前期設(shè)計(jì)、施工、材料耐久性不足以及管理維護(hù)不當(dāng)?shù)榷嘁蛩匾鸬墓こ汤匣c病害問(wèn)題時(shí)有發(fā)生[1]。

氯鹽、硫酸鹽侵蝕是威脅混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素之一。為改善水泥砂漿和混凝土材料的基本性能，提高其抗氯鹽、抗硫酸鹽侵蝕等耐久性能，確保建筑和構(gòu)筑物的安全使用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[2-12]開(kāi)展了諸多試驗(yàn)研究，通過(guò)摻入聚合物乳液、粉料或礦物摻合料等對(duì)水泥砂漿和混凝土進(jìn)行改性，取得了良好的效果，摻入適量的聚合物或礦物料能有效改善水泥基材料的工作性能、物理力學(xué)性能，增強(qiáng)柔韌性，提高耐久性能。

隨著建筑和構(gòu)筑物向海洋環(huán)境的不斷擴(kuò)展，加強(qiáng)對(duì)復(fù)合改性水泥砂漿和混凝土材料的物理力學(xué)性能、耐侵蝕性能等的研究具有重要意義。本文對(duì)摻入PTB乳液改性水泥砂漿的力學(xué)性能、抗氯鹽和抗硫酸鹽侵蝕性能等進(jìn)行了試驗(yàn)研究，旨在為PTB乳液水泥基材料的實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

PTB乳液，比利時(shí)Polytechnisch Bedrijf (PTB?)公司生產(chǎn)，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1；普通硅酸鹽水泥（P·O42.5R），海螺牌，廣東清新水泥有限公司；中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，廈門(mén)艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司；氯化鈉（NaCl），分析純，成都市科龍化工試劑廠；硫酸鎂（MgSO3），分析純，成都市科龍化工試劑廠。

表1 PTB乳液主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 PTB乳液水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間

試驗(yàn)參照GB/T 1346-2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》[13]測(cè)定凝結(jié)時(shí)間。試驗(yàn)配比見(jiàn)表2。

表2 PTB乳液水泥凈漿配合比表

1.2.2 PTB乳液水泥砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》[14]測(cè)定PTB乳液水泥砂漿3d、28d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，計(jì)算壓折比和綜合力學(xué)性能指標(biāo)[6]。試驗(yàn)配比見(jiàn)表3。

表3 PTB乳液水泥砂漿配合比表

1）壓折比計(jì)算公式

式中，Vi—水泥砂漿的壓折比；Rc—水泥砂漿抗壓強(qiáng)度，MPa；Rf—水泥砂漿抗折強(qiáng)度，MPa。

2）綜合力學(xué)性能指標(biāo)計(jì)算公式

式中，Vi—水泥砂漿的壓折比；Z—綜合力學(xué)性能指標(biāo)，MPa。

1.2.3 PTB乳液水泥砂漿抗氯鹽和抗硫酸鹽侵蝕

按照表3配比成型30mm×30mm×30mm的水泥砂漿試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后將3組試件分別浸泡在20±1℃的自來(lái)水、3.5%氯化鈉溶液、5%硫酸鎂溶液中，進(jìn)行抗氯鹽、抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，測(cè)定砂漿試件浸泡3d、28d的抗壓強(qiáng)度。PTB乳液水泥砂漿的抗氯鹽、抗硫酸鹽侵蝕性能以抗壓強(qiáng)度抗蝕系數(shù)表示。抗蝕系數(shù)以同一齡期的水泥砂漿試件在侵蝕溶液中浸泡后的抗壓強(qiáng)度與在自來(lái)水中浸泡后的抗壓強(qiáng)度的比值表示，結(jié)果計(jì)算精確至0.01。

抗蝕系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，Ki—抗蝕系數(shù)；Ry—試件浸泡在侵蝕溶液一定齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度，MPa；Rs—試件浸泡在自來(lái)水一定齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度，MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 PTB乳液對(duì)水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響

PTB乳液水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，與普通水泥凈漿相比，聚灰比為0.16和0.32的PTB乳液水泥凈漿的終凝時(shí)間大幅增加，分別延長(zhǎng)了158min和159min。水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)的原因是水泥顆粒的表面被聚合物包裹，水泥顆粒與水的接觸被阻隔，使得水泥水化延緩，聚合物乳液的成膜作用降低了膜內(nèi)部的水泥與水在短時(shí)間內(nèi)水化反應(yīng)程度，游離氧化鈣含量減少，導(dǎo)致凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。聚合物乳液摻量越大，緩凝作用越明顯[15]。

表4 不同PTB乳液摻量水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間

2.2 PTB乳液對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響

2.2.1 抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度

PTB乳液水泥砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表5。

表5 不同PTB乳液摻量水泥砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度

從表5可知，與普通水泥砂漿相比，PTB乳液水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度降低，當(dāng)聚灰比為0.22時(shí)，PTB乳液水泥砂漿28d的抗壓強(qiáng)度降低53%左右，聚灰比為0.44時(shí)，降低21%左右。其主要原因是PTB乳液對(duì)水泥產(chǎn)生了阻隔作用，根據(jù)Ohama[16]的理論可知，聚合物乳液包覆在水泥微粒表面，阻止了水泥的水化反應(yīng)，減少了水泥石的形成，從而影響了水泥砂漿的強(qiáng)度。

此外，由于聚合物的彈性模量比水泥石低，當(dāng)聚合物水泥砂漿受壓力時(shí)未能起到剛性支撐作用[15]。因此，PTB乳液水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度比普通水泥砂漿的低。

2.2.2 壓折比和綜合力學(xué)性能指標(biāo)

普通水泥砂漿和混凝土材料存在脆性大、韌性差、易開(kāi)裂等缺點(diǎn)，通過(guò)聚合物乳液改善水泥基脆性材料的柔韌性，關(guān)鍵在于提高抗折強(qiáng)度、降低抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的比值。本研究通過(guò)PTB乳液水泥砂漿的抗折和抗壓強(qiáng)度計(jì)算壓折比和綜合力學(xué)性能指標(biāo)，以評(píng)價(jià)PTB乳液對(duì)水泥砂漿韌性的改善作用。

1）壓折比，即抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的比值，是表征水泥基材料脆性的性能指標(biāo)之一。壓折比的大小反映水泥基材料柔韌性能的差與好，壓折比越小，水泥砂漿的柔韌性越好，反之則越差。PTB乳液水泥砂漿的壓折比如表6所示。

表6 不同PTB乳液摻量水泥砂漿的3d、28d壓折比

由表6可知，摻入PTB乳液降低了水泥砂漿的壓折比。普通水泥砂漿壓折比在4.3～5.6，而PTB乳液水泥砂漿壓折比在3.1～4.1，明顯低于普通水泥砂漿。同時(shí)，隨著齡期增加，普通水泥砂漿壓折比增大；PTB乳液水泥砂漿28d的壓折比明顯低于普通水泥砂漿，且隨著PTB乳液摻量的增加，壓折比逐漸降低。這說(shuō)明聚合物乳液在水泥砂漿內(nèi)部凝固形成的薄膜結(jié)構(gòu)降低了水泥砂漿的剛性，提高了柔韌性。

2）綜合力學(xué)性能指標(biāo)，是從綜合性能指標(biāo)上對(duì)改性方式進(jìn)行評(píng)價(jià)，反應(yīng)的是脆性材料的抗折強(qiáng)度，其與抗折強(qiáng)度具有相同的量綱。綜合力學(xué)性能指標(biāo)值越大，表明水泥砂漿的韌性越好[6]。

由表7可知，隨著PTB乳液摻量的增加，水泥砂漿28d綜合力學(xué)性能指標(biāo)增加；隨著齡期增長(zhǎng)，普通水泥砂漿的綜合力學(xué)性能指標(biāo)逐漸降低，而PTB乳液水泥砂漿的綜合力學(xué)性能指標(biāo)逐漸提高；聚灰比為0.44的PTB乳液水泥砂漿28d綜合力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到3.33MPa，是普通水泥砂漿的2.5倍，可見(jiàn)摻入PTB乳液能使水泥砂漿獲得較好的柔韌性。

表7 不同PTB乳液摻量水泥砂漿的綜合力學(xué)性能指標(biāo)值

2.3 PTB乳液對(duì)水泥砂漿抗氯鹽、抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

水泥砂漿在自來(lái)水、3.5%氯化鈉溶液和5%硫酸鎂溶液中浸泡后的抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表8，PTB乳液水泥砂漿的抗蝕系數(shù)見(jiàn)表9。

表8 在自來(lái)水、氯化鈉和硫酸鎂溶液中浸泡后水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度

表9 氯化鈉、硫酸鎂溶液浸泡水泥砂漿的抗蝕系數(shù)

從表9可見(jiàn)，與普通水泥砂漿相比，聚灰比為0.22 的PTB乳液水泥砂漿在氯化鈉溶液、硫酸鎂溶液中浸泡28d后，抗蝕系數(shù)提高；聚灰比為0.44的PTB乳液水泥砂漿在氯化鈉溶液、硫酸鎂溶液中浸泡28d后，抗蝕系數(shù)降低。

由表9可知，隨著浸泡齡期的增加，聚灰比為0.22 的PTB乳液水泥砂漿的抗氯化鈉、抗硫酸鎂溶液侵蝕系數(shù)均逐漸提高，即抗氯化鈉、抗硫酸鎂溶液侵蝕性能增加；聚灰比為0.22的PTB乳液水泥砂漿28d的抗氯化鈉、抗硫酸鎂溶液侵蝕系數(shù)均好于聚灰比為0.44的PTB乳液水泥砂漿和普通水泥砂漿。因此，摻入一定量的PTB乳液可以改善水泥砂漿的抗氯鹽和抗硫酸鹽侵蝕性能，但不宜完全使用PTB乳液替代水來(lái)拌制改性水泥砂漿。

3 結(jié)論

1）PTB乳液顯著延長(zhǎng)水泥凈漿的終凝時(shí)間，對(duì)水泥凈漿硬化起緩凝作用，且作用明顯。

2）PTB乳液能降低水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度，提高水泥砂漿的綜合力學(xué)性能，降低水泥砂漿的壓折比，有效改善水泥砂漿的柔韌性。

3）聚灰比為0.22的PTB乳液水泥砂漿在氯化鈉、硫酸鎂溶液中浸泡28d后，抗蝕系數(shù)提高；聚灰比為0.44的PTB乳液水泥砂漿在氯化鈉、硫酸鎂溶液中浸泡28d后，抗蝕系數(shù)降低。