苯乙烯丁二烯乳液与硅灰共掺混凝土的耐久性魏

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1、苯乙烯丁二烯乳液与硅灰共掺混凝土的耐久性研究魏晨寒1 张 莹2 Gary Ong 3 于冬勋4（1.上海嘉华混凝土有限公司，上海210003；2.上海中测行工程检测咨询有限公司，上海 210003；3.Gary Ong，新加坡国立大学；4.南京大地建设集团股份有限公司中心实验室，南京 210007）摘要:采用雾室养护和自然养护两种方式，研究了苯乙烯-丁二烯乳液（SB-latex）与硅灰（silicon fume）共掺时其掺量对混凝土抗水渗透、抗氯离子渗透、抗碳化和抗硫酸腐蚀性能的影响。试验结果表明苯乙烯-丁二烯乳液(SB-latex)和硅灰(silicon fume)的共掺可显著地改善混凝土的

2、渗透性，不过SB-latex和硅灰掺量较大时分别会对混凝土的抗硫酸腐蚀和抗碳化性能产生一定的不利影响。关键词：聚合物混凝土；硅灰；苯乙烯丁二烯乳液Research on the durability of concrete with the addition of SB-latex and silica fumeWei Chenghan1 Zhang Ying2 Gary Ong 3 Yu Dongxun4（1.Shanghai K.wah concrete Co.Ltd, ShangHai 210003; 2.Shanghai Zhongcehang engineering inspecti

3、on & consult Co.Ltd ShangHai 210003; 3.National university of Singapore; 4.Center Laboratory of Nanjing DaDi Construction Group Co.,Ltd，Nanjing 210007；）Abstract: Influence of SB-latex and silicon fume ratio to concrete water-permeation, chloride diffusion, carbonation and sulphate corruption resista

4、nce is testified. Frog curing and natural curing were adopted in this study. The experimental results show that addition of SB-latex and silicon fume can obviously improve concrete permeability. But over dosage of SB-latex and silicon fume could be harmful to concrete carbonation and sulphate corrup

5、tion resistibility.Keywords: polymer concrete; silica fume; SB-latex1 前言聚合物混凝土早在上世纪50年代就有工程应用，随着新型聚合物的不断涌现以及相关研究的不断深入，聚合物混凝土越来越广泛地被应用于高速公路和桥梁的修补、建筑物的加固、路面和船只面层的防腐和粘结等。诸多研究和工程应用表明1-3，聚合物混凝土是一种相对于普通混凝土具有优良的力学性能和耐久性能的材料。苯乙烯-丁二烯聚合物是一种带微蓝色的白色乳液，其价格相对低廉、生产广泛，且相应的聚合物混凝土具有生产工艺简捷、生产设备简单、成本低廉等优点，是一种有较为广泛应用前景的

6、工程材料。不过，目前关于它的性能研究还鲜有报道，在很大程度上制约了其工程应用。本文采用苯乙烯-丁二烯乳液和硅灰共掺的技术路径，着重研究了该聚合物混凝土的抗水渗透性能、抗氯离子渗透性能、抗碳化性能以及抗硫酸腐蚀性能，并探讨了其中的作用机理。2 试验原材料、配合比及方法2.1 试验原材料试验用普通硅酸盐水泥（OPC）的化学成分和物理力学性能分别见表1和表2；硅灰（Silicon fume）的化学成分和物理性能见表3；苯乙烯丁二烯乳液是一种微蓝色的白色乳液，其物理性能见表4。石子为531.5mm连续级配的石灰岩碎石；砂子为中砂，细度模数2.6；硅油（silicone oil）作为消泡剂以减少聚合物混

7、凝土的含气量，其掺量是胶凝材料重量的1%。高效减水剂是DARATARD100，减水率在30%以上，可控制混凝土的坍落度在170200mm。表1 水泥的化学成分（%）SiO2Fe2O3Na2OK2OAl2O3CaOMgOSO3Cl-不溶物含量烧失量21.53.40.130.585.363.31.42.30.010.271.6表2 水泥的物理力学性能比表面积(cm2/g)初凝时间(min)安定性(cm)抗压强度(MPa)2d7d28d33701151.022.540.452.6表3 硅灰的化学成分及物理性能化学组成(%)物理性能SiO2Fe2O3Na2OAl2O3CaOMgO比重(kg/m3)松散

8、容重(kg/m3)比表面积(m2/g)86-960.1-1.50.4-0.50.4-1.00.1-0.50.3-2.02200500-70018-28表4 苯乙烯丁二烯乳液的物理性能pH值容重(kg/m3)粘度系数(Gmps)固含量(%)9.110702425402.2 试验配合比为研究苯乙烯丁二烯乳液以及硅灰双掺对混凝土耐久性的影响，试验共设计了八组配合比，具体如表5所示。表5中，八组配合比的胶凝材料总量（水泥和硅灰）均为400kg/m3；水与胶凝材料的重量比均为0.35，单位用水量为140kg/m3（包含聚合物乳液中的水）；硅灰取代水泥的重量比为4%、7%和10%，取代系数为1；苯乙烯丁二

9、烯（SBlatex）乳液中的固体含量占胶凝材料的重量比为5%，10%，15%。表5 试验用混凝土配合比（kg/m3）编号水泥硅灰苯乙烯丁二烯乳液粗集料细集料水Daratard硅油SF0P04000010238371404.10SF7P037228010348261407.20SF0P10400010010238378001.0SF4P10384161001029831800.31.0SF7P10372281001034826801.01.0SF10P10360401001037823801.91.0SF7P5372285010348261102.20.5SF7P1537228150103482

10、65001.52.3 试验方法（1）试件养护试件成型1d后拆模，用粗帆布覆盖2d。采用两种养护条件对试件进行养护，一是放置在雾室（RH为100%，温度为242）中进行雾室养护；二是放置在自然养护箱（RH为65%，温度为30）中进行自然养护。（2）抗渗性能试验试验按照标准DIN1048进行，水压力为4.0MPa。试件采用高度为100mm、上下顶面直径分别为100mm和110mm的圆台体，在自然养护箱内养护28天（其中SF0P0和SF7P0两组试件还同时进行28d雾室养护）后去除2mm厚的表层，然后对混凝土试件进行42d的水渗透试验，计算渗透深度。（3）氯离子渗透试验试验依据ASTM C1159:

11、90进行，试件采用100100400mm的棱柱体，在自然养护箱内养护28天（其中SF0P0和SF7P0两组试件还同时进行28d雾室养护）后将其底部去除约3mm，然后将其四面涂抹上环氧树脂，待树脂充分固化后将其浸泡于质量浓度为6%的氯化钠溶液中（如图1所示）。浸泡180天后，分别从距离试件底部（即NaCl渗透的一面）05mm、510mm、10-15mm和1520mm处钻取样品并将其磨成粉末，搅拌均匀并确保95%粉末能通过150um的筛子，用过筛的粉末进行氯离子总含量分析。依据ASTM C 1218/C 1218M-99 “Standard Test Method for Water-solubl

12、e Chloride in Mortar and Concrete”，称取100.01g的粉末状样品用于游离氯离子含量的测试。 试件 容器 环氧树脂涂层金属底架 6%NaCl 溶液Cl离子渗透方向图1 氯离子渗透试验示意图（4）碳化试验碳化试验采用100100400mm的棱柱体，在自然养护箱内养护28天（其中SF0P0和SF7P0两组试件还同时进行28d雾室养护）后将其四个侧面涂抹上环氧树脂，放置于碳化箱（温度为30、RH为65%、CO2浓度为6.5%）内碳化28d、91d和180d，测试其碳化深度。（5）硫酸腐蚀试验试件采用100100100mm的立方体，在自然养护箱内养护28天（其中SF0

13、P0和SF7P0两组试件还同时进行28d雾室养护）后置于pH值为3.03.2的硫酸溶液中，待浸泡28d和180d后取出并在60烘箱中干燥24小时，然后测试其抗压强度，并与同龄期自然养护（温度为30，RH为65%）的试件进行对比分析。3 试验结果与讨论3.1 混凝土的抗水渗透性能混凝土抗渗性由渗透深度d来表征，其计算公式如下：式中d为渗透深度(mm)；Kp为渗透系数（m/s）；T为渗透时间（d）；v为空隙率（%）；h为压力（m）。表6 混凝土抗水渗透试验结果编号养护方法水压(MPa)压力h(m)渗透时间T(d)渗透深度(mm)Kp (m/s)SF0P0雾室养护440842贯穿-自然养护44084

14、2贯穿-SF7P0雾室养护440842181.0910-14自然养护440842272.9210-14SF0P10自然养护440842221.8710-14SF4P10自然养护440842158.5810-15SF7P10自然养护440842102.9410-15SF10P10自然养护44084282.4810-15SF7P5自然养护440842124.7910-15SF7P15自然养护44084251.0010-15由表6可知，SF0P0组（参比组）混凝土无论是雾室养护还是自然养护，试件在经过抗渗试验后都出现了贯穿破坏，对SF7P0组，经雾室养护混凝土的抗渗性要明显好于自然养护，这是因为在充

15、分湿润的环境中，有利于发挥硅灰的活性效应，增加混凝土的密实度，从而提高抗渗能力。在不掺加苯乙烯丁二烯乳液的情况下，掺入7%硅灰即可使混凝土的抗渗性具有较大幅度的提高，渗透深度降至18mm；当苯乙烯丁二烯的掺量为10%时，随着硅灰的掺量由0增加到4%、7%和10%，混凝土的抗渗性逐步提高（见图2），其中SF10P10组的渗透深度相对SF0P0要降低63.6%。硅粉掺入后，硅粉颗粒及其二次水化产物会填充硬化水泥浆体中的有害孔，使水泥石中宏观大孔和毛细孔孔隙率降低，增加凝胶孔和过渡孔，使孔径分布发生变化，大孔减少，小孔增多，且分布较均匀，改善硬化水泥浆体的孔结构，提高抗渗性。当硅灰掺量为7%时，随着

16、苯乙烯丁二烯乳液的掺量由0%增加到5%、10%和15%，混凝土的渗透深度和渗透系数将显著下降（见图3），其中SF7P15组混凝土的渗透深度较SF7P0组降低了81.5%。当混凝土中掺入聚合物时，水泥水化产物、骨料和聚合物乳液形成的聚合物膜交织在一起，形成网状交联结构，有利于降低水泥混凝土的孔隙率，提高密实度和抗渗性。3.2 混凝土的抗氯离子渗透能力抗氯离子渗透性是衡量聚合物混凝土耐久性的一个重要指标，因为聚合物混凝土常用于海洋工程等富含氯离子的环境中。氯离子总含量和游离氯离子含量是衡量抗氯离子渗透能力的两项指标。氯离子总含量为化学结合Cl-含量、物理结合Cl-含量和游离Cl-含量之和，其中化学

17、结合Cl-是溶液中的Cl-与水泥水化产物C3A结合成为C3ACaCl210H2O所含有的Cl-，物理结合Cl-是被混凝土凝胶结构和孔结构所吸附的Cl-，而自由Cl-是可溶于水的Cl-。具体试验结果见表7。由表7可知，对SF0P0和SF7P0两组混凝土，采用雾室养护较自然养护有利于提高混凝土的抗氯离子渗透能力。在自然养护条件下，无论是否掺苯乙烯丁二烯乳液，硅灰掺入后均能提高混凝土的抗氯离子渗透能力，且随硅灰掺量的增加混凝土中侵入的氯离子浓度降低。相对于SF0P0和SF7P0两组混凝土，聚合物的加入以及随着聚灰比的增加，氯离子扩散系数和离子浓度都显著下降，这是由于当聚合物和水泥浆体拌合均匀后，随着

18、水泥颗粒的不断水化，将在水泥水化产物表层形成聚合物膜，形成包覆和交联网络，有利于提高混凝土的密实度，减弱Cl-在混凝土中穿透和扩散的能力4。由SF7P0、SF0P10和SF7P10三组的试验结果可以看出，硅灰和苯乙烯丁二烯乳液的复掺更能有效提高混凝土的抗氯离子渗透能力。表7 氯离子渗透试验结果编号养护方法氯离子渗透总值游离氯离子值离子扩散系数(10-12m2/s)离子浓度(%，占混凝土重量)离子扩散系数(10-12m2/s)离子浓度(%，占混凝土重量)SF0P0雾室养护4.380.662.820.57自然养护6.320.694.780.60SF7P0雾室养护2.920.392.550.32自然

19、养护2.300.442.500.35SF0P10自然养护3.620.384.570.20SF4P10自然养护2.350.363.370.06SF7P10自然养护1.100.373.670.06SF10P10自然养护0.820.352.260.01SF7P5自然养护1.680.361.860.12SF7P15自然养护0.930.401.240.203.3 混凝土的抗碳化性能混凝土的碳化会降低其内部pH值，致使钢筋混凝土中的钢筋钝化膜失钝，引发钢筋锈蚀。在一定的条件下，碳化深度D可由下式来计算：其中t是碳化龄期，而K是一个与混凝土的水胶比、抗渗性与孔结构、胶凝材料性能以及所处环境等诸多因素相关的一

20、个常数。由表8可知，对SF0P0和SF7P0两组混凝土，采用雾室养护的比自然养护的抗碳化性能好，且掺硅灰混凝土的抗碳化性能有所降低。由图2可以看出，在碳化28d时，聚合物的掺入及其掺量多少对混凝土的抗碳化能力改善不大，碳化深度反而有一定程度的增加。但随着碳化时间的延长，掺苯乙烯丁二烯乳液混凝土的抗碳化性能逐渐体现出来，碳化深度有较明显的降低，且随聚合物掺量的增加碳化深度降幅增大。由图3可以看出，在不同碳化龄期时，混凝土的碳化深度随硅灰掺量的增加略有增大，主要是由于硅灰的火山灰反应消耗了浆体中的氢氧化钙，使碱度有所降低。表8 不同碳化龄期时混凝土的碳化深度（mm）编号养护方法28d91d180d

21、SF0P0雾室养护0.31.42.5自然养护0.62.73.9SF7P0雾室养护0.72.94.2自然养护0.95.16.6SF0P10自然养护0.61.83.1SF4P10自然养护0.82.13.1SF7P10自然养护1.42.23.3SF10P10自然养护1.42.43.7SF7P5自然养护1.62.83.6SF7P15自然养护0.91.82.1图2 聚合物掺量对碳化深度的影响 图3 硅灰掺量对碳化深度的影响3.4 混凝土的抗酸腐蚀性能经自然养护的八组混凝土试件在硫酸溶液中浸泡28d、91d和180d后的抗压强度损失率见表9。表9 硫酸溶液腐蚀后混凝土的抗压强度损失率（%）龄期SF0P0S

22、F7P0SF0P10SF4P10SF7P10SF10P10SF7P5SF7P1528d4.71.213.38.17.44.44.316.591d4.92.027.416.212.412.512.528.9180d10.33.835.425.723.015.322.242.2图4 硅灰掺量对混凝土强度损失率的影响 图5 聚合物掺量对混凝土强度损失率的影响由表9中SF0P0和SF7P0两组可以看出，硅灰掺入后显著降低了混凝土经硫酸溶液腐蚀后的强度损失率，在180d时SF0P0组的强度损失率为10.3%，而SF7P0组仅为3.8%。由图4可以看出，随着硫酸腐蚀时间的延长，混凝土的强度损失率亦在不断增

23、大；但随着硅灰掺量的增加，混凝土的抗压强度损失率明显下降。当苯乙烯丁二烯的掺量为10%，硅灰掺量由0增加到4%、7%和10%时，混凝土的抗压强度损失率分别为35.4%、25.7%、23.0%和15.3%。混凝土的抗硫酸腐蚀能力主要取决于水泥水化产物Ca(OH)2的数量以及结构自身的致密程度，Ca(OH)2等水化产物会与硫酸发生一系列的化学反应，产生体积膨胀，引起混凝土结构破坏和强度下降。硅灰的微集料填充效应以及活性火山灰效应将有利于提高混凝土的密实度和抗渗性5，减少Ca(OH)2含量，从而明显增强混凝土的抗硫酸腐蚀能力。由图5可知，随着硫酸腐蚀龄期的延长，混凝土的强度损失率不断增大；且随着聚灰

24、比的增加，混凝土的强度损失率也逐步增大，其中当聚灰比为15%时，180d混凝土的强度损失率达到了42.2%。聚合物掺入混凝土后，会在水泥产物以及骨料表面形成一层膜结构，这层结构在硫酸腐蚀溶液中浸泡时将受到较为严重的破坏，致使混凝土结构内部产生诸多缺陷，从而使得混凝土强度显著下降。然而，在聚合物混凝土中掺加硅灰，可较好的提高其抗硫酸腐蚀能力。4 结论（1）苯乙烯丁二烯聚合物掺量的增加可显著提高混凝土的抗水渗透能力；在掺入硅灰后，在使用较少量聚合物的情况下同样可使混凝土的抗水渗透能力显著提高。（2）随着苯乙烯丁二烯聚合物掺量的提高和碳化时间的延长，混凝土的抗碳化能力逐步得以改善。硅灰掺入后，由于其

25、火山灰反应使得混凝土的抗碳化能力略有下降。（3）苯乙烯丁二烯聚合物和硅灰掺量的增加均可显著提高混凝土的抗氯子渗透能力；两者共掺时不但可减少聚合物的用量，亦可显著提高混凝土的经济效益，同时还能改善混凝土的抗氯子渗透能力。（4）苯乙烯丁二烯聚合物混凝土由于自身的特性，其抗硫酸腐蚀能力随着聚合物掺量的增加而降低；但将聚合物和硅灰以合理的用量复掺后，可明显改善混凝土的抗硫酸盐腐蚀能力。致谢论文的试验工作是在新加坡国立大学完成的，得到了Gary Ong教授的悉心指导，在此表示深深的感谢！参考文献1 Nosayaba F.O Evbuomwan, A state of the art report on

26、the strength and durability properties of polymer modified mortars and concrete, sixth international congress on polymers in concrete, shanghai, China, 1990:52-592 钟世云, 袁华.聚合物在混凝土中的应用M.北京:化学工业出版社,20033 蔡胜华,唐丽芳. 聚合物水泥砂浆在混凝土修补中的应用研究J.长江科学院院报, 2007,24(2):44-474 冯雨松. 关于聚合物水泥混凝土的分析J. 工业建筑, 2007,37(增刊):983-9865 程瑶, 张美霞. 绿色高强混凝土-硅灰混凝土J. 安全与环境工程, 2002,9(3):33-367 / 7文档可自由编辑打印