PVA可再分散性乳膠粉對混凝土電阻率和抗?jié)B性影響

朱瑤宏，耿 健，王 浩，王發(fā)洲

（1.寧波市軌道交通工程建設(shè)指揮部，寧波 315000；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070）

地鐵工程混凝土一般處于雜散電流與氯離子共存的腐蝕環(huán)境中，由于雜散電流和氯離子之間對混凝土耐久性破壞的相互促進作用，使得該條件下的混凝土比一般地下工程混凝土面臨更為嚴(yán)重的耐久性問題。雜散電流和氯離子共存時對混凝土耐久性的破壞作用主要分為兩個方面，一是由于其對鋼筋銹蝕的加速作用，二是雜散電流對固化氯離子穩(wěn)定性的破壞和氯離子遷移的加速作用。因此提高混凝土的電阻率和抗氯離子滲透性能，降低雜散電流強度和混凝土內(nèi)部的氯離子濃度，可以有效緩解二者共存時對混凝土耐久性的破壞［1－5］，從而提高地鐵工程混凝土的使用壽命。

粉煤灰和礦粉等摻合料由于能優(yōu)化顆粒級配，改善混凝土微觀結(jié)構(gòu)，降低溶液中離子濃度，因此對混凝土電阻率有一定的提升作用，但是效果并不明顯［6－8］。PVA可再分散性乳膠粉為水溶性可再分散粉末，由于具有高粘結(jié)性等獨特的性能，使得其在砂漿制品中得到廣泛的應(yīng)用。另外，PVA可再分散性乳膠粉對材料的電阻有明顯的提升作用，因此將其用于改善水泥基材料的電學(xué)性能已受到關(guān)注。基于此，該文以C50普通混凝土為基體材料，研究不同摻量的PVA可再分散性乳膠粉對混凝土電阻率和抗壓性能的影響，分析其用于高阻抗高抗?jié)B混凝土制備的可行性。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥（C）：P·O42.5水泥；粗骨料（A）：5～25mm連續(xù)級配的石灰石；細骨料（S）：中砂，細度模數(shù)為2.6；外加劑（Ad）：萘系高效減水劑；PVA可再分散性乳膠粉：白色粉末狀，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 乳膠粉主要技術(shù)指標(biāo)

基準(zhǔn)混凝土配合比如表2所示，乳膠粉摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的0.5%，1%，1.5%，3%，5%，10%和20%。

表2 基準(zhǔn)混凝土配合比 kg/m3

1.2 試驗方法

1.2.1 電阻率的測試

選用四極法作為混凝土電阻率的測試方法。四極法為在試塊內(nèi)部均勻插入4個電極，在外側(cè)的兩極間施加恒定電流，然后測量中間兩極間因電流產(chǎn)生的電壓，按照歐姆定律求得兩極間的電阻，并按式（1）計算得到試塊的電阻率。電阻率的測試設(shè)備主要有4位數(shù)字萬用表，C65型伏特計和C65型電流計。試驗用混凝土試塊的尺寸為7cm×7cm×21cm。

式中，ρ為混凝土電阻率（Ω·cm）；R為混凝土電阻（Ω）；A為電流通過截面積（cm2）；L為試塊長度（cm）。

1.2.2 電阻率測試條件的確定

為了選擇合適的測試條件，該文對比了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護（以下簡稱標(biāo)養(yǎng)）、水養(yǎng)和干養(yǎng)3種不同養(yǎng)護方式對混凝土電阻率的影響。3種養(yǎng)護的測試方法依次為：標(biāo)養(yǎng)，試塊在成型1d后脫模，隨后放置于溫度（20±2）℃、相對濕度不小于90%的環(huán)境中進行養(yǎng)護，待試塊到達測試齡期后，采用四極法測試其電阻率；水養(yǎng)，試塊在成型1d后脫模，放置于恒溫室內(nèi)并浸泡于水中，當(dāng)試塊到達測試齡期后，將其從水中取出、晾干，待表面微干后采用四極法測試其電阻率；干養(yǎng)，試塊在成型1d后脫模，在恒溫室內(nèi)自然養(yǎng)護，待試塊到達測試齡期后，采用四極法測試其電阻率。

測得基準(zhǔn)混凝土在3種不同養(yǎng)護方式（標(biāo)養(yǎng)、水養(yǎng)和干養(yǎng)）下不同齡期的電阻率，如表3所示。從表3中可以看出，干養(yǎng)條件下混凝土的電阻率最高，而標(biāo)養(yǎng)和水養(yǎng)條件下混凝土的電阻率則相對較小。表4為基準(zhǔn)混凝土在不同養(yǎng)護條件下養(yǎng)護56d后的電阻率數(shù)據(jù)有效性，從表4中可以發(fā)現(xiàn)，干養(yǎng)條件下混凝土電阻率值最高，但數(shù)據(jù)離散性較大，準(zhǔn)確性較低。相比之下，標(biāo)養(yǎng)和水養(yǎng)條件下混凝土電阻率數(shù)據(jù)離散性較小，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高。這是由于試塊在干養(yǎng)條件下，混凝土內(nèi)部水分很少，且毛細管不連通，而在濕潤狀態(tài)下毛細管通道能夠形成連通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)外加電場作用在試塊上時，試塊內(nèi)部導(dǎo)電離子遷移加速，電阻率測試結(jié)果重復(fù)性較好。此外，該文的研究對象為地下工程混凝土，而地下工程混凝土多處于封閉半潮濕的環(huán)境中，因此該研究最終選擇水養(yǎng)作為混凝土電阻率測試的環(huán)境。所有測試均在（20±2）℃條件下進行。

表3 不同養(yǎng)護條件下混凝土的電阻率 kΩ·cm

表4 不同養(yǎng)護條件下基準(zhǔn)混凝土56d電阻率數(shù)據(jù)有效性

2 結(jié)果與討論

2.1 乳膠粉對電阻率的影響

圖1為PVA摻量和齡期對混凝土電阻率的影響。由該圖可知，當(dāng)乳膠粉摻量僅為0.5%時，混凝土養(yǎng)護56d后電阻率為39.65kΩ·cm，遠高于基準(zhǔn)混凝土（19.65kΩ·cm），增幅為101.8%，這說明PVA可再分散性乳膠粉對混凝土的電阻率有重要的貢獻。此外，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，混凝土電阻率隨乳膠粉用量的增加呈非線性增大，增長幅度逐漸降低。乳膠粉對混凝土電阻率的提升作用主要與其自身的絕緣特性和混凝土界面間成膜有關(guān)。該研究所用的乳膠粉是由聚合物乳液經(jīng)噴霧干燥而成，具有很好的可再分散性，當(dāng)其遇水后很容易重新乳化，進而能夠得到分散均勻的聚合物乳液，因此當(dāng)乳膠粉溶于水，再與膠凝材料和骨料等一起拌合后能夠很好的分散于水泥漿體和骨料表面。在水化早期，由于漿體內(nèi)部水分較多，因此乳膠粉顆粒難以成膜，這期間其對混凝土電阻率的貢獻主要與其自身的絕緣特性有關(guān)。在水化后期，混凝土內(nèi)部的水分減少，分散于其中的乳膠粉顆粒將逐漸靠近，并在水泥石－骨料界面過渡區(qū)和水化產(chǎn)物表面積聚成膜，從而有效地限制了混凝土內(nèi)部導(dǎo)電離子的遷移。隨著水化不斷進行，乳膠粉顆粒將不斷被新的水化產(chǎn)物包裹，從而進一步提高了水泥石的電阻率。

2.2 乳膠粉對電通量的影響

表5為PVA可再分散性乳膠粉不同摻量對混凝土6h電通量的影響。由該表可知，與基準(zhǔn)樣相比，摻入乳膠粉后混凝土6h電通量有所降低，且隨著乳膠粉摻量的增加，電通量呈下降趨勢。這說明乳膠粉的使用有利于改善混凝土的抗氯離子滲透性能。

表5 不同乳膠粉摻量下混凝土的6h電通量測試結(jié)果

2.3 乳膠粉對力學(xué)性能的影響

表6為不同乳膠粉摻量下混凝土7d和28d的抗壓強度。從表6中可以看出，與基準(zhǔn)樣相比，加入乳膠粉后，混凝土的7d和28d抗壓強度均有所下降，隨著乳膠粉摻量的逐漸增加，7d強度先緩慢提高，然后逐漸下降，28d強度基本呈下降的趨勢，當(dāng)乳膠粉摻量大于3%時，混凝土的抗壓強度降幅非常明顯，與基準(zhǔn)混凝土相比，降幅達到15.5%。因此，盡管增大乳膠粉的摻量會提高混凝土的電阻率和抗氯離子滲透性能，但是摻量過多會導(dǎo)致混凝土抗壓強度大幅下降，故在高阻抗高抗?jié)B混凝土制備過程中應(yīng)控制乳膠粉的摻量，以保證混凝土的強度。

表6 不同乳膠粉摻量下混凝土抗壓強度測試結(jié)果

3 結(jié) 論

a.PVA可再分散性乳膠粉對混凝土電阻率的影響較為顯著，當(dāng)其摻量僅為0.5%時，即可明顯提高混凝土電阻率，與基準(zhǔn)樣相比增長幅度為101.8%，隨著摻量的增大，混凝土電阻率進一步增大。此外，PVA可再分散性乳膠粉的使用有利于混凝土抗氯離子滲透性能的進一步提升。

b.乳膠粉的使用對混凝土抗壓強度存在不利影響，隨著摻量的增大，混凝土28d抗壓強度基本呈下降的趨勢，當(dāng)摻量超過3%時，下降幅度非常明顯，與基準(zhǔn)混凝土相比，降幅達到15.5%。因此綜合考慮，1%～1.5%為PVA可再分散性乳膠粉在高阻抗高抗?jié)B混凝土制備過程中的最佳摻量。

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