PTB乳液對水泥砂漿力學性能和抗侵蝕性能的影響

邱碧 丁鑄 張松

（1深圳市龍崗區建設工程質量檢測中心，廣東 深圳 518172；2深圳大學 土木與交通工程學院，廣東 深圳 518060）

0 引言

水泥砂漿和混凝土材料由于原料豐富、生產工藝簡單、價格便宜、適用性強等優點，在建筑與土木工程中得到廣泛應用，但是也存在脆性大、容易開裂、耐腐蝕性能差等缺點。用普通混凝土材料建造的建筑物，隨著使用年限的增長，由于前期設計、施工、材料耐久性不足以及管理維護不當等多因素引起的工程老化與病害問題時有發生[1]。

氯鹽、硫酸鹽侵蝕是威脅混凝土結構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，確保建筑和構筑物的安全使用，國內外學者[2-12]開展了諸多試驗研究，通過摻入聚合物乳液、粉料或礦物摻合料等對水泥砂漿和混凝土進行改性，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、物理力學性能，增強柔韌性，提高耐久性能。

隨著建筑和構筑物向海洋環境的不斷擴展，加強對復合改性水泥砂漿和混凝土材料的物理力學性能、耐侵蝕性能等的研究具有重要意義。本文對摻入PTB乳液改性水泥砂漿的力學性能、抗氯鹽和抗硫酸鹽侵蝕性能等進行了試驗研究，旨在為PTB乳液水泥基材料的實際工程應用提供參考。

1 試驗

1.1 試驗原材料

PTB乳液，比利時Polytechnisch Bedrijf (PTB?)公司生產，技術參數見表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ISO標準砂，廈門艾思歐標準砂有限公司；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乳液主要技術參數

1.2 試驗方法

1.2.1 PTB乳液水泥凈漿凝結時間

試驗參照GB/T 1346-2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》[13]測定凝結時間。試驗配比見表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度和抗壓強度

試驗參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》[14]測定PTB乳液水泥砂漿3d、28d抗折強度和抗壓強度，計算壓折比和綜合力學性能指標[6]。試驗配比見表3。

表3 PTB乳液水泥砂漿配合比表

1）壓折比計算公式

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

2）綜合力學性能指標計算公式

式中，Vi—水泥砂漿的壓折比；Z—綜合力學性能指標，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，標準養護28d后將3組試件分別浸泡在20±1℃的自來水、3.5%氯化鈉溶液、5%硫酸鎂溶液中，進行抗氯鹽、抗硫酸鹽侵蝕試驗，測定砂漿試件浸泡3d、28d的抗壓強度。PTB乳液水泥砂漿的抗氯鹽、抗硫酸鹽侵蝕性能以抗壓強度抗蝕系數表示。抗蝕系數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度與在自來水中浸泡后的抗壓強度的比值表示，結果計算精確至0.01。

抗蝕系數計算公式如下：

式中，Ki—抗蝕系數；Ry—試件浸泡在侵蝕溶液一定齡期時的抗壓強度，MPa；Rs—試件浸泡在自來水一定齡期時的抗壓強度，MPa。

2 結果與討論

2.1 PTB乳液對水泥凈漿凝結時間的影響

PTB乳液水泥凈漿的凝結時間見表4。由表4可見，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間大幅增加，分別延長了158min和159min。水泥凈漿凝結時間延長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部的水泥與水在短時間內水化反應程度，游離氧化鈣含量減少，導致凝結時間延長。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時間

2.2 PTB乳液對水泥砂漿力學性能的影響

2.2.1 抗折強度和抗壓強度

PTB乳液水泥砂漿的抗折強度和抗壓強度見表5。

表5 不同PTB乳液摻量水泥砂漿的抗折強度和抗壓強度

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度降低，當聚灰比為0.22時，PTB乳液水泥砂漿28d的抗壓強度降低53%左右，聚灰比為0.44時，降低21%左右。其主要原因是PTB乳液對水泥產生了阻隔作用，根據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，減少了水泥石的形成，從而影響了水泥砂漿的強度。

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

2.2.2 壓折比和綜合力學性能指標

普通水泥砂漿和混凝土材料存在脆性大、韌性差、易開裂等缺點，通過聚合物乳液改善水泥基脆性材料的柔韌性，關鍵在于提高抗折強度、降低抗壓強度與抗折強度的比值。本研究通過PTB乳液水泥砂漿的抗折和抗壓強度計算壓折比和綜合力學性能指標，以評價PTB乳液對水泥砂漿韌性的改善作用。

1）壓折比，即抗壓強度與抗折強度的比值，是表征水泥基材料脆性的性能指標之一。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，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。這說明聚合物乳液在水泥砂漿內部凝固形成的薄膜結構降低了水泥砂漿的剛性，提高了柔韌性。

2）綜合力學性能指標，是從綜合性能指標上對改性方式進行評價，反應的是脆性材料的抗折強度，其與抗折強度具有相同的量綱。綜合力學性能指標值越大，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綜合力學性能指標增加；隨著齡期增長，普通水泥砂漿的綜合力學性能指標逐漸降低，而PTB乳液水泥砂漿的綜合力學性能指標逐漸提高；聚灰比為0.44的PTB乳液水泥砂漿28d綜合力學性能指標達到3.33MPa，是普通水泥砂漿的2.5倍，可見摻入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性能指標值

2.3 PTB乳液對水泥砂漿抗氯鹽、抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

水泥砂漿在自來水、3.5%氯化鈉溶液和5%硫酸鎂溶液中浸泡后的抗壓強度見表8，PTB乳液水泥砂漿的抗蝕系數見表9。

表8 在自來水、氯化鈉和硫酸鎂溶液中浸泡后水泥砂漿的抗壓強度

表9 氯化鈉、硫酸鎂溶液浸泡水泥砂漿的抗蝕系數

從表9可見，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乳液替代水來拌制改性水泥砂漿。

3 結論

1）PTB乳液顯著延長水泥凈漿的終凝時間，對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度，提高水泥砂漿的綜合力學性能，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，抗蝕系數降低。