苯乙烯–丁二烯乳液與硅灰共摻混凝土的耐久性-魏

1、苯乙烯丁二烯乳液與硅灰共摻混凝土的耐久性研究魏晨寒1 張 瑩2 Gary Ong 3 于冬勛4（1.上海嘉華混凝土有限公司，上海210003；2.上海中測行工程檢測咨詢有限公司，上海 210003；3.Gary Ong，新加坡國立大學(xué)；4.南京大地建設(shè)集團股份有限公司中心實驗室，南京 210007）摘要:采用霧室養(yǎng)護和自然養(yǎng)護兩種方式，研究了苯乙烯-丁二烯乳液（SB-latex）與硅灰（silicon fume）共摻時其摻量對混凝土抗水滲透、抗氯離子滲透、抗碳化和抗硫酸腐蝕性能的影響。試驗結(jié)果表明苯乙烯-丁二烯乳液(SB-latex)和硅灰(silicon fume)的共摻可顯著地改善混凝土的

2、滲透性，不過SB-latex和硅灰摻量較大時分別會對混凝土的抗硫酸腐蝕和抗碳化性能產(chǎn)生一定的不利影響。關(guān)鍵詞：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 res

4、istance 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 co

5、rruption resistibility.Keywords: polymer concrete; silica fume; SB-latex1 前言聚合物混凝土早在上世紀50年代就有工程應(yīng)用，隨著新型聚合物的不斷涌現(xiàn)以及相關(guān)研究的不斷深入，聚合物混凝土越來越廣泛地被應(yīng)用于高速公路和橋梁的修補、建筑物的加固、路面和船只面層的防腐和粘結(jié)等。諸多研究和工程應(yīng)用表明1-3，聚合物混凝土是一種相對于普通混凝土具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性能的材料。苯乙烯-丁二烯聚合物是一種帶微藍色的白色乳液，其價格相對低廉、生產(chǎn)廣泛，且相應(yīng)的聚合物混凝土具有生產(chǎn)工藝簡捷、生產(chǎn)設(shè)備簡單、成本低廉等優(yōu)點，是一種有較為廣泛應(yīng)

6、用前景的工程材料。不過，目前關(guān)于它的性能研究還鮮有報道，在很大程度上制約了其工程應(yīng)用。本文采用苯乙烯-丁二烯乳液和硅灰共摻的技術(shù)路徑，著重研究了該聚合物混凝土的抗水滲透性能、抗氯離子滲透性能、抗碳化性能以及抗硫酸腐蝕性能，并探討了其中的作用機理。2 試驗原材料、配合比及方法2.1 試驗原材料試驗用普通硅酸鹽水泥（OPC）的化學(xué)成分和物理力學(xué)性能分別見表1和表2；硅灰（Silicon fume）的化學(xué)成分和物理性能見表3；苯乙烯丁二烯乳液是一種微藍色的白色乳液，其物理性能見表4。石子為531.5mm連續(xù)級配的石灰?guī)r碎石；砂子為中砂，細度模數(shù)2.6；硅油（silicone oil）作為消泡劑以減少

7、聚合物混凝土的含氣量，其摻量是膠凝材料重量的1%。高效減水劑是DARATARD100，減水率在30%以上，可控制混凝土的坍落度在170200mm。表1 水泥的化學(xué)成分（%）SiO2Fe2O3Na2OK2OAl2O3CaOMgOSO3Cl-不溶物含量燒失量21.53.40.130.585.363.31.42.3<0.010.271.6表2 水泥的物理力學(xué)性能比表面積(cm2/g)初凝時間(min)安定性(cm)抗壓強度(MPa)2d7d28d3370115<1.022.540.452.6表3 硅灰的化學(xué)成分及物理性能化學(xué)組成(%)物理性能SiO2Fe2O3Na2OAl2O3CaOMg

8、O比重(kg/m3)松散容重(kg/m3)比表面積(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)粘度系數(shù)(Gmps)固含量(%)9.110702425402.2 試驗配合比為研究苯乙烯丁二烯乳液以及硅灰雙摻對混凝土耐久性的影響，試驗共設(shè)計了八組配合比，具體如表5所示。表5中，八組配合比的膠凝材料總量（水泥和硅灰）均為400kg/m3；水與膠凝材料的重量比均為0.35，單位用水量為140kg/m3（包含聚合物乳液中的水）；硅灰取代水泥的重量比為4%、7%和10%，

9、取代系數(shù)為1；苯乙烯丁二烯（SBlatex）乳液中的固體含量占膠凝材料的重量比為5%，10%，15%。表5 試驗用混凝土配合比（kg/m3）編號水泥硅灰苯乙烯丁二烯乳液粗集料細集料水Daratard硅油SF0P04000010238371404.10SF7P037228010348261407.20SF0P10400010010238378001.0SF4P10384161001029831800.31.0SF7P10372281001034826801.01.0SF10P10360401001037823801.91.0SF7P5372285010348261102.20.5SF7P1537

10、22815010348265001.52.3 試驗方法（1）試件養(yǎng)護試件成型1d后拆模，用粗帆布覆蓋2d。采用兩種養(yǎng)護條件對試件進行養(yǎng)護，一是放置在霧室（RH為100%，溫度為24±2）中進行霧室養(yǎng)護；二是放置在自然養(yǎng)護箱（RH為65%，溫度為30）中進行自然養(yǎng)護。（2）抗?jié)B性能試驗試驗按照標準DIN1048進行，水壓力為4.0MPa。試件采用高度為100mm、上下頂面直徑分別為100mm和110mm的圓臺體，在自然養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護28天（其中SF0P0和SF7P0兩組試件還同時進行28d霧室養(yǎng)護）后去除2mm厚的表層，然后對混凝土試件進行42d的水滲透試驗，計算滲透深度。（3）氯離子滲

11、透試驗試驗依據(jù)ASTM C1159:90進行，試件采用100×100×400mm的棱柱體，在自然養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護28天（其中SF0P0和SF7P0兩組試件還同時進行28d霧室養(yǎng)護）后將其底部去除約3mm，然后將其四面涂抹上環(huán)氧樹脂，待樹脂充分固化后將其浸泡于質(zhì)量濃度為6%的氯化鈉溶液中（如圖1所示）。浸泡180天后，分別從距離試件底部（即NaCl滲透的一面）05mm、510mm、10-15mm和1520mm處鉆取樣品并將其磨成粉末，攪拌均勻并確保95%粉末能通過150um的篩子，用過篩的粉末進行氯離子總含量分析。依據(jù)ASTM C 1218/C 1218M-99 “Standar

12、d Test Method for Water-soluble Chloride in Mortar and Concrete”，稱取10±0.01g的粉末狀樣品用于游離氯離子含量的測試。 試件 容器 環(huán)氧樹脂涂層金屬底架 6%NaCl 溶液Cl離子滲透方向圖1 氯離子滲透試驗示意圖（4）碳化試驗碳化試驗采用100×100×400mm的棱柱體，在自然養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護28天（其中SF0P0和SF7P0兩組試件還同時進行28d霧室養(yǎng)護）后將其四個側(cè)面涂抹上環(huán)氧樹脂，放置于碳化箱（溫度為30、RH為65%、CO2濃度為6.5%）內(nèi)碳化28d、91d和180d，測試其碳化深度

13、。（5）硫酸腐蝕試驗試件采用100×100×100mm的立方體，在自然養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護28天（其中SF0P0和SF7P0兩組試件還同時進行28d霧室養(yǎng)護）后置于pH值為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小時，然后測試其抗壓強度，并與同齡期自然養(yǎng)護（溫度為30，RH為65%）的試件進行對比分析。3 試驗結(jié)果與討論3.1 混凝土的抗水滲透性能混凝土抗?jié)B性由滲透深度d來表征，其計算公式如下：式中d為滲透深度(mm)；Kp為滲透系數(shù)（m/s）；T為滲透時間（d）；v為空隙率（%）；h為壓力（m）。表6 混凝土抗水滲透試驗結(jié)果編號養(yǎng)護方法水壓(M

14、Pa)壓力h(m)滲透時間T(d)滲透深度(mm)Kp (m/s)SF0P0霧室養(yǎng)護440842貫穿-自然養(yǎng)護440842貫穿-SF7P0霧室養(yǎng)護440842181.09×10-14自然養(yǎng)護440842272.92×10-14SF0P10自然養(yǎng)護440842221.87×10-14SF4P10自然養(yǎng)護440842158.58×10-15SF7P10自然養(yǎng)護440842102.94×10-15SF10P10自然養(yǎng)護44084282.48×10-15SF7P5自然養(yǎng)護440842124.79×10-15SF7P15自然養(yǎng)護440

15、84251.00×10-15由表6可知，SF0P0組（參比組）混凝土無論是霧室養(yǎng)護還是自然養(yǎng)護，試件在經(jīng)過抗?jié)B試驗后都出現(xiàn)了貫穿破壞，對SF7P0組，經(jīng)霧室養(yǎng)護混凝土的抗?jié)B性要明顯好于自然養(yǎng)護，這是因為在充分濕潤的環(huán)境中，有利于發(fā)揮硅灰的活性效應(yīng)，增加混凝土的密實度，從而提高抗?jié)B能力。在不摻加苯乙烯丁二烯乳液的情況下，摻入7%硅灰即可使混凝土的抗?jié)B性具有較大幅度的提高，滲透深度降至18mm；當(dāng)苯乙烯丁二烯的摻量為10%時，隨著硅灰的摻量由0增加到4%、7%和10%，混凝土的抗?jié)B性逐步提高（見圖2），其中SF10P10組的滲透深度相對SF0P0要降低63.6%。硅粉摻入后，硅粉顆粒及其

16、二次水化產(chǎn)物會填充硬化水泥漿體中的有害孔，使水泥石中宏觀大孔和毛細孔孔隙率降低，增加凝膠孔和過渡孔，使孔徑分布發(fā)生變化，大孔減少，小孔增多，且分布較均勻，改善硬化水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)，提高抗?jié)B性。當(dāng)硅灰摻量為7%時，隨著苯乙烯丁二烯乳液的摻量由0%增加到5%、10%和15%，混凝土的滲透深度和滲透系數(shù)將顯著下降（見圖3），其中SF7P15組混凝土的滲透深度較SF7P0組降低了81.5%。當(dāng)混凝土中摻入聚合物時，水泥水化產(chǎn)物、骨料和聚合物乳液形成的聚合物膜交織在一起，形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，有利于降低水泥混凝土的孔隙率，提高密實度和抗?jié)B性。3.2 混凝土的抗氯離子滲透能力抗氯離子滲透性是衡量聚合物混凝土耐

17、久性的一個重要指標，因為聚合物混凝土常用于海洋工程等富含氯離子的環(huán)境中。氯離子總含量和游離氯離子含量是衡量抗氯離子滲透能力的兩項指標。氯離子總含量為化學(xué)結(jié)合Cl-含量、物理結(jié)合Cl-含量和游離Cl-含量之和，其中化學(xué)結(jié)合Cl-是溶液中的Cl-與水泥水化產(chǎn)物C3A結(jié)合成為C3A·CaCl2·10H2O所含有的Cl-，物理結(jié)合Cl-是被混凝土凝膠結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)所吸附的Cl-，而自由Cl-是可溶于水的Cl-。具體試驗結(jié)果見表7。由表7可知，對SF0P0和SF7P0兩組混凝土，采用霧室養(yǎng)護較自然養(yǎng)護有利于提高混凝土的抗氯離子滲透能力。在自然養(yǎng)護條件下，無論是否摻苯乙烯丁二烯乳液，硅灰

18、摻入后均能提高混凝土的抗氯離子滲透能力，且隨硅灰摻量的增加混凝土中侵入的氯離子濃度降低。相對于SF0P0和SF7P0兩組混凝土，聚合物的加入以及隨著聚灰比的增加，氯離子擴散系數(shù)和離子濃度都顯著下降，這是由于當(dāng)聚合物和水泥漿體拌合均勻后，隨著水泥顆粒的不斷水化，將在水泥水化產(chǎn)物表層形成聚合物膜，形成包覆和交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，有利于提高混凝土的密實度，減弱Cl-在混凝土中穿透和擴散的能力4。由SF7P0、SF0P10和SF7P10三組的試驗結(jié)果可以看出，硅灰和苯乙烯丁二烯乳液的復(fù)摻更能有效提高混凝土的抗氯離子滲透能力。表7 氯離子滲透試驗結(jié)果編號養(yǎng)護方法氯離子滲透總值游離氯離子值離子擴散系數(shù)(×1

19、0-12m2/s)離子濃度(%，占混凝土重量)離子擴散系數(shù)(×10-12m2/s)離子濃度(%，占混凝土重量)SF0P0霧室養(yǎng)護4.380.662.820.57自然養(yǎng)護6.320.694.780.60SF7P0霧室養(yǎng)護2.920.392.550.32自然養(yǎng)護2.300.442.500.35SF0P10自然養(yǎng)護3.620.384.570.20SF4P10自然養(yǎng)護2.350.363.370.06SF7P10自然養(yǎng)護1.100.373.670.06SF10P10自然養(yǎng)護0.820.352.260.01SF7P5自然養(yǎng)護1.680.361.860.12SF7P15自然養(yǎng)護0.930.401.

20、240.203.3 混凝土的抗碳化性能混凝土的碳化會降低其內(nèi)部pH值，致使鋼筋混凝土中的鋼筋鈍化膜失鈍，引發(fā)鋼筋銹蝕。在一定的條件下，碳化深度D可由下式來計算：其中t是碳化齡期，而K是一個與混凝土的水膠比、抗?jié)B性與孔結(jié)構(gòu)、膠凝材料性能以及所處環(huán)境等諸多因素相關(guān)的一個常數(shù)。由表8可知，對SF0P0和SF7P0兩組混凝土，采用霧室養(yǎng)護的比自然養(yǎng)護的抗碳化性能好，且摻硅灰混凝土的抗碳化性能有所降低。由圖2可以看出，在碳化28d時，聚合物的摻入及其摻量多少對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。但隨著碳化時間的延長，摻苯乙烯丁二烯乳液混凝土的抗碳化性能逐漸體現(xiàn)出來，碳化深度有較明顯

21、的降低，且隨聚合物摻量的增加碳化深度降幅增大。由圖3可以看出，在不同碳化齡期時，混凝土的碳化深度隨硅灰摻量的增加略有增大，主要是由于硅灰的火山灰反應(yīng)消耗了漿體中的氫氧化鈣，使堿度有所降低。表8 不同碳化齡期時混凝土的碳化深度（mm）編號養(yǎng)護方法28d91d180dSF0P0霧室養(yǎng)護0.31.42.5自然養(yǎng)護0.62.73.9SF7P0霧室養(yǎng)護0.72.94.2自然養(yǎng)護0.95.16.6SF0P10自然養(yǎng)護0.61.83.1SF4P10自然養(yǎng)護0.82.13.1SF7P10自然養(yǎng)護1.42.23.3SF10P10自然養(yǎng)護1.42.43.7SF7P5自然養(yǎng)護1.62.83.6SF7P15自然養(yǎng)護0

22、.91.82.1圖2 聚合物摻量對碳化深度的影響 圖3 硅灰摻量對碳化深度的影響3.4 混凝土的抗酸腐蝕性能經(jīng)自然養(yǎng)護的八組混凝土試件在硫酸溶液中浸泡28d、91d和180d后的抗壓強度損失率見表9。表9 硫酸溶液腐蝕后混凝土的抗壓強度損失率（%）齡期SF0P0SF7P0SF0P10SF4P10SF7P10SF10P10SF7P5SF7P1528d4.71.213.38.17.44.44.316.591d4.92.027.416.212.412.512.528.9180d10.33.835.425.723.015.322.242.2圖4 硅灰摻量對混凝土強度損失率的影響 圖5 聚合物摻量對混凝

23、土強度損失率的影響由表9中SF0P0和SF7P0兩組可以看出，硅灰摻入后顯著降低了混凝土經(jīng)硫酸溶液腐蝕后的強度損失率，在180d時SF0P0組的強度損失率為10.3%，而SF7P0組僅為3.8%。由圖4可以看出，隨著硫酸腐蝕時間的延長，混凝土的強度損失率亦在不斷增大；但隨著硅灰摻量的增加，混凝土的抗壓強度損失率明顯下降。當(dāng)苯乙烯丁二烯的摻量為10%，硅灰摻量由0增加到4%、7%和10%時，混凝土的抗壓強度損失率分別為35.4%、25.7%、23.0%和15.3%?；炷恋目沽蛩岣g能力主要取決于水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2的數(shù)量以及結(jié)構(gòu)自身的致密程度，Ca(OH)2等水化產(chǎn)物會與硫酸發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生體積膨脹，引起混凝土結(jié)構(gòu)破壞和強度下降。硅灰的微集料填充效應(yīng)以及活性火山灰效應(yīng)將有利于提高混凝土的密實度和抗?jié)B性5，減少Ca(OH)2含量，從而明顯增強混凝土的抗硫酸腐蝕能力。由圖5可知，隨著硫酸腐蝕齡期的延長，混凝土的強度損失率不斷增大；且隨著聚灰比的增加，混凝土的強度損失率也逐步增大，其中當(dāng)聚灰比為15%時，180d混凝土的強度損失率達到了42.2%。聚合物摻入混凝土后，會在水泥產(chǎn)物以及骨料表面形成一層膜結(jié)構(gòu)，這層結(jié)構(gòu)在硫酸腐蝕溶液中浸泡時將受到較為嚴重的破壞，致使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生諸多缺陷，從而使得混凝土強度顯著下降。然而，在聚合物混凝土中摻加硅灰，可較