PTB乳液对水泥砂浆力学性能和抗侵蚀性能的影响

邱碧 丁铸 张松

（1深圳市龙岗区建设工程质量检测中心，广东 深圳 518172；2深圳大学 土木与交通工程学院，广东 深圳 518060）

0 引言

水泥砂浆和混凝土材料由于原料丰富、生产工艺简单、价格便宜、适用性强等优点，在建筑与土木工程中得到广泛应用，但是也存在脆性大、容易开裂、耐腐蚀性能差等缺点。用普通混凝土材料建造的建筑物，随着使用年限的增长，由于前期设计、施工、材料耐久性不足以及管理维护不当等多因素引起的工程老化与病害问题时有发生[1]。

氯盐、硫酸盐侵蚀是威胁混凝土结构耐久性的重要因素之一。为改善水泥砂浆和混凝土材料的基本性能，提高其抗氯盐、抗硫酸盐侵蚀等耐久性能，确保建筑和构筑物的安全使用，国内外学者[2-12]开展了诸多试验研究，通过掺入聚合物乳液、粉料或矿物掺合料等对水泥砂浆和混凝土进行改性，取得了良好的效果，掺入适量的聚合物或矿物料能有效改善水泥基材料的工作性能、物理力学性能，增强柔韧性，提高耐久性能。

随着建筑和构筑物向海洋环境的不断扩展，加强对复合改性水泥砂浆和混凝土材料的物理力学性能、耐侵蚀性能等的研究具有重要意义。本文对掺入PTB乳液改性水泥砂浆的力学性能、抗氯盐和抗硫酸盐侵蚀性能等进行了试验研究，旨在为PTB乳液水泥基材料的实际工程应用提供参考。

1 试验

1.1 试验原材料

PTB乳液，比利时Polytechnisch Bedrijf (PTB®)公司生产，技术参数见表1；普通硅酸盐水泥（P·O42.5R），海螺牌，广东清新水泥有限公司；中国ISO标准砂，厦门艾思欧标准砂有限公司；氯化钠（NaCl），分析纯，成都市科龙化工试剂厂；硫酸镁（MgSO3），分析纯，成都市科龙化工试剂厂。

表1 PTB乳液主要技术参数

1.2 试验方法

1.2.1 PTB乳液水泥净浆凝结时间

试验参照GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》[13]测定凝结时间。试验配比见表2。

表2 PTB乳液水泥净浆配合比表

1.2.2 PTB乳液水泥砂浆的抗折强度和抗压强度

试验参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》[14]测定PTB乳液水泥砂浆3d、28d抗折强度和抗压强度，计算压折比和综合力学性能指标[6]。试验配比见表3。

表3 PTB乳液水泥砂浆配合比表

1）压折比计算公式

式中，Vi—水泥砂浆的压折比；Rc—水泥砂浆抗压强度，MPa；Rf—水泥砂浆抗折强度，MPa。

2）综合力学性能指标计算公式

式中，Vi—水泥砂浆的压折比；Z—综合力学性能指标，MPa。

1.2.3 PTB乳液水泥砂浆抗氯盐和抗硫酸盐侵蚀

按照表3配比成型30mm×30mm×30mm的水泥砂浆试件，标准养护28d后将3组试件分别浸泡在20±1℃的自来水、3.5%氯化钠溶液、5%硫酸镁溶液中，进行抗氯盐、抗硫酸盐侵蚀试验，测定砂浆试件浸泡3d、28d的抗压强度。PTB乳液水泥砂浆的抗氯盐、抗硫酸盐侵蚀性能以抗压强度抗蚀系数表示。抗蚀系数以同一龄期的水泥砂浆试件在侵蚀溶液中浸泡后的抗压强度与在自来水中浸泡后的抗压强度的比值表示，结果计算精确至0.01。

抗蚀系数计算公式如下：

式中，Ki—抗蚀系数；Ry—试件浸泡在侵蚀溶液一定龄期时的抗压强度，MPa；Rs—试件浸泡在自来水一定龄期时的抗压强度，MPa。

2 结果与讨论

2.1 PTB乳液对水泥净浆凝结时间的影响

PTB乳液水泥净浆的凝结时间见表4。由表4可见，与普通水泥净浆相比，聚灰比为0.16和0.32的PTB乳液水泥净浆的终凝时间大幅增加，分别延长了158min和159min。水泥净浆凝结时间延长的原因是水泥颗粒的表面被聚合物包裹，水泥颗粒与水的接触被阻隔，使得水泥水化延缓，聚合物乳液的成膜作用降低了膜内部的水泥与水在短时间内水化反应程度，游离氧化钙含量减少，导致凝结时间延长。聚合物乳液掺量越大，缓凝作用越明显[15]。

表4 不同PTB乳液掺量水泥净浆凝结时间

2.2 PTB乳液对水泥砂浆力学性能的影响

2.2.1 抗折强度和抗压强度

PTB乳液水泥砂浆的抗折强度和抗压强度见表5。

表5 不同PTB乳液掺量水泥砂浆的抗折强度和抗压强度

从表5可知，与普通水泥砂浆相比，PTB乳液水泥砂浆的抗压强度降低，当聚灰比为0.22时，PTB乳液水泥砂浆28d的抗压强度降低53%左右，聚灰比为0.44时，降低21%左右。其主要原因是PTB乳液对水泥产生了阻隔作用，根据Ohama[16]的理论可知，聚合物乳液包覆在水泥微粒表面，阻止了水泥的水化反应，减少了水泥石的形成，从而影响了水泥砂浆的强度。

此外，由于聚合物的弹性模量比水泥石低，当聚合物水泥砂浆受压力时未能起到刚性支撑作用[15]。因此，PTB乳液水泥砂浆的抗压强度比普通水泥砂浆的低。

2.2.2 压折比和综合力学性能指标

普通水泥砂浆和混凝土材料存在脆性大、韧性差、易开裂等缺点，通过聚合物乳液改善水泥基脆性材料的柔韧性，关键在于提高抗折强度、降低抗压强度与抗折强度的比值。本研究通过PTB乳液水泥砂浆的抗折和抗压强度计算压折比和综合力学性能指标，以评价PTB乳液对水泥砂浆韧性的改善作用。

1）压折比，即抗压强度与抗折强度的比值，是表征水泥基材料脆性的性能指标之一。压折比的大小反映水泥基材料柔韧性能的差与好，压折比越小，水泥砂浆的柔韧性越好，反之则越差。PTB乳液水泥砂浆的压折比如表6所示。

表6 不同PTB乳液掺量水泥砂浆的3d、28d压折比

由表6可知，掺入PTB乳液降低了水泥砂浆的压折比。普通水泥砂浆压折比在4.3～5.6，而PTB乳液水泥砂浆压折比在3.1～4.1，明显低于普通水泥砂浆。同时，随着龄期增加，普通水泥砂浆压折比增大；PTB乳液水泥砂浆28d的压折比明显低于普通水泥砂浆，且随着PTB乳液掺量的增加，压折比逐渐降低。这说明聚合物乳液在水泥砂浆内部凝固形成的薄膜结构降低了水泥砂浆的刚性，提高了柔韧性。

2）综合力学性能指标，是从综合性能指标上对改性方式进行评价，反应的是脆性材料的抗折强度，其与抗折强度具有相同的量纲。综合力学性能指标值越大，表明水泥砂浆的韧性越好[6]。

由表7可知，随着PTB乳液掺量的增加，水泥砂浆28d综合力学性能指标增加；随着龄期增长，普通水泥砂浆的综合力学性能指标逐渐降低，而PTB乳液水泥砂浆的综合力学性能指标逐渐提高；聚灰比为0.44的PTB乳液水泥砂浆28d综合力学性能指标达到3.33MPa，是普通水泥砂浆的2.5倍，可见掺入PTB乳液能使水泥砂浆获得较好的柔韧性。

表7 不同PTB乳液掺量水泥砂浆的综合力学性能指标值

2.3 PTB乳液对水泥砂浆抗氯盐、抗硫酸盐侵蚀性能的影响

水泥砂浆在自来水、3.5%氯化钠溶液和5%硫酸镁溶液中浸泡后的抗压强度见表8，PTB乳液水泥砂浆的抗蚀系数见表9。

表8 在自来水、氯化钠和硫酸镁溶液中浸泡后水泥砂浆的抗压强度

表9 氯化钠、硫酸镁溶液浸泡水泥砂浆的抗蚀系数

从表9可见，与普通水泥砂浆相比，聚灰比为0.22 的PTB乳液水泥砂浆在氯化钠溶液、硫酸镁溶液中浸泡28d后，抗蚀系数提高；聚灰比为0.44的PTB乳液水泥砂浆在氯化钠溶液、硫酸镁溶液中浸泡28d后，抗蚀系数降低。

由表9可知，随着浸泡龄期的增加，聚灰比为0.22 的PTB乳液水泥砂浆的抗氯化钠、抗硫酸镁溶液侵蚀系数均逐渐提高，即抗氯化钠、抗硫酸镁溶液侵蚀性能增加；聚灰比为0.22的PTB乳液水泥砂浆28d的抗氯化钠、抗硫酸镁溶液侵蚀系数均好于聚灰比为0.44的PTB乳液水泥砂浆和普通水泥砂浆。因此，掺入一定量的PTB乳液可以改善水泥砂浆的抗氯盐和抗硫酸盐侵蚀性能，但不宜完全使用PTB乳液替代水来拌制改性水泥砂浆。

3 结论

1）PTB乳液显著延长水泥净浆的终凝时间，对水泥净浆硬化起缓凝作用，且作用明显。

2）PTB乳液能降低水泥砂浆的抗压强度，提高水泥砂浆的综合力学性能，降低水泥砂浆的压折比，有效改善水泥砂浆的柔韧性。

3）聚灰比为0.22的PTB乳液水泥砂浆在氯化钠、硫酸镁溶液中浸泡28d后，抗蚀系数提高；聚灰比为0.44的PTB乳液水泥砂浆在氯化钠、硫酸镁溶液中浸泡28d后，抗蚀系数降低。