PVA可再分散性乳胶粉对混凝土电阻率和抗渗性影响

朱瑶宏，耿 健，王 浩，王发洲

（1.宁波市轨道交通工程建设指挥部，宁波 315000；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070）

地铁工程混凝土一般处于杂散电流与氯离子共存的腐蚀环境中，由于杂散电流和氯离子之间对混凝土耐久性破坏的相互促进作用，使得该条件下的混凝土比一般地下工程混凝土面临更为严重的耐久性问题。杂散电流和氯离子共存时对混凝土耐久性的破坏作用主要分为两个方面，一是由于其对钢筋锈蚀的加速作用，二是杂散电流对固化氯离子稳定性的破坏和氯离子迁移的加速作用。因此提高混凝土的电阻率和抗氯离子渗透性能，降低杂散电流强度和混凝土内部的氯离子浓度，可以有效缓解二者共存时对混凝土耐久性的破坏［1－5］，从而提高地铁工程混凝土的使用寿命。

粉煤灰和矿粉等掺合料由于能优化颗粒级配，改善混凝土微观结构，降低溶液中离子浓度，因此对混凝土电阻率有一定的提升作用，但是效果并不明显［6－8］。PVA可再分散性乳胶粉为水溶性可再分散粉末，由于具有高粘结性等独特的性能，使得其在砂浆制品中得到广泛的应用。另外，PVA可再分散性乳胶粉对材料的电阻有明显的提升作用，因此将其用于改善水泥基材料的电学性能已受到关注。基于此，该文以C50普通混凝土为基体材料，研究不同掺量的PVA可再分散性乳胶粉对混凝土电阻率和抗压性能的影响，分析其用于高阻抗高抗渗混凝土制备的可行性。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥（C）：P·O42.5水泥；粗骨料（A）：5～25mm连续级配的石灰石；细骨料（S）：中砂，细度模数为2.6；外加剂（Ad）：萘系高效减水剂；PVA可再分散性乳胶粉：白色粉末状，其主要技术指标见表1。

表1 乳胶粉主要技术指标

基准混凝土配合比如表2所示，乳胶粉掺量分别为胶凝材料质量的0.5%，1%，1.5%，3%，5%，10%和20%。

表2 基准混凝土配合比 kg/m3

1.2 试验方法

1.2.1 电阻率的测试

选用四极法作为混凝土电阻率的测试方法。四极法为在试块内部均匀插入4个电极，在外侧的两极间施加恒定电流，然后测量中间两极间因电流产生的电压，按照欧姆定律求得两极间的电阻，并按式（1）计算得到试块的电阻率。电阻率的测试设备主要有4位数字万用表，C65型伏特计和C65型电流计。试验用混凝土试块的尺寸为7cm×7cm×21cm。

式中，ρ为混凝土电阻率（Ω·cm）；R为混凝土电阻（Ω）；A为电流通过截面积（cm2）；L为试块长度（cm）。

1.2.2 电阻率测试条件的确定

为了选择合适的测试条件，该文对比了标准养护（以下简称标养）、水养和干养3种不同养护方式对混凝土电阻率的影响。3种养护的测试方法依次为：标养，试块在成型1d后脱模，随后放置于温度（20±2）℃、相对湿度不小于90%的环境中进行养护，待试块到达测试龄期后，采用四极法测试其电阻率；水养，试块在成型1d后脱模，放置于恒温室内并浸泡于水中，当试块到达测试龄期后，将其从水中取出、晾干，待表面微干后采用四极法测试其电阻率；干养，试块在成型1d后脱模，在恒温室内自然养护，待试块到达测试龄期后，采用四极法测试其电阻率。

测得基准混凝土在3种不同养护方式（标养、水养和干养）下不同龄期的电阻率，如表3所示。从表3中可以看出，干养条件下混凝土的电阻率最高，而标养和水养条件下混凝土的电阻率则相对较小。表4为基准混凝土在不同养护条件下养护56d后的电阻率数据有效性，从表4中可以发现，干养条件下混凝土电阻率值最高，但数据离散性较大，准确性较低。相比之下，标养和水养条件下混凝土电阻率数据离散性较小，数据准确度较高。这是由于试块在干养条件下，混凝土内部水分很少，且毛细管不连通，而在湿润状态下毛细管通道能够形成连通的网状结构，当外加电场作用在试块上时，试块内部导电离子迁移加速，电阻率测试结果重复性较好。此外，该文的研究对象为地下工程混凝土，而地下工程混凝土多处于封闭半潮湿的环境中，因此该研究最终选择水养作为混凝土电阻率测试的环境。所有测试均在（20±2）℃条件下进行。

表3 不同养护条件下混凝土的电阻率 kΩ·cm

表4 不同养护条件下基准混凝土56d电阻率数据有效性

2 结果与讨论

2.1 乳胶粉对电阻率的影响

图1为PVA掺量和龄期对混凝土电阻率的影响。由该图可知，当乳胶粉掺量仅为0.5%时，混凝土养护56d后电阻率为39.65kΩ·cm，远高于基准混凝土（19.65kΩ·cm），增幅为101.8%，这说明PVA可再分散性乳胶粉对混凝土的电阻率有重要的贡献。此外，从图中可以发现，混凝土电阻率随乳胶粉用量的增加呈非线性增大，增长幅度逐渐降低。乳胶粉对混凝土电阻率的提升作用主要与其自身的绝缘特性和混凝土界面间成膜有关。该研究所用的乳胶粉是由聚合物乳液经喷雾干燥而成，具有很好的可再分散性，当其遇水后很容易重新乳化，进而能够得到分散均匀的聚合物乳液，因此当乳胶粉溶于水，再与胶凝材料和骨料等一起拌合后能够很好的分散于水泥浆体和骨料表面。在水化早期，由于浆体内部水分较多，因此乳胶粉颗粒难以成膜，这期间其对混凝土电阻率的贡献主要与其自身的绝缘特性有关。在水化后期，混凝土内部的水分减少，分散于其中的乳胶粉颗粒将逐渐靠近，并在水泥石－骨料界面过渡区和水化产物表面积聚成膜，从而有效地限制了混凝土内部导电离子的迁移。随着水化不断进行，乳胶粉颗粒将不断被新的水化产物包裹，从而进一步提高了水泥石的电阻率。

2.2 乳胶粉对电通量的影响

表5为PVA可再分散性乳胶粉不同掺量对混凝土6h电通量的影响。由该表可知，与基准样相比，掺入乳胶粉后混凝土6h电通量有所降低，且随着乳胶粉掺量的增加，电通量呈下降趋势。这说明乳胶粉的使用有利于改善混凝土的抗氯离子渗透性能。

表5 不同乳胶粉掺量下混凝土的6h电通量测试结果

2.3 乳胶粉对力学性能的影响

表6为不同乳胶粉掺量下混凝土7d和28d的抗压强度。从表6中可以看出，与基准样相比，加入乳胶粉后，混凝土的7d和28d抗压强度均有所下降，随着乳胶粉掺量的逐渐增加，7d强度先缓慢提高，然后逐渐下降，28d强度基本呈下降的趋势，当乳胶粉掺量大于3%时，混凝土的抗压强度降幅非常明显，与基准混凝土相比，降幅达到15.5%。因此，尽管增大乳胶粉的掺量会提高混凝土的电阻率和抗氯离子渗透性能，但是掺量过多会导致混凝土抗压强度大幅下降，故在高阻抗高抗渗混凝土制备过程中应控制乳胶粉的掺量，以保证混凝土的强度。

表6 不同乳胶粉掺量下混凝土抗压强度测试结果

3 结 论

a.PVA可再分散性乳胶粉对混凝土电阻率的影响较为显著，当其掺量仅为0.5%时，即可明显提高混凝土电阻率，与基准样相比增长幅度为101.8%，随着掺量的增大，混凝土电阻率进一步增大。此外，PVA可再分散性乳胶粉的使用有利于混凝土抗氯离子渗透性能的进一步提升。

b.乳胶粉的使用对混凝土抗压强度存在不利影响，随着掺量的增大，混凝土28d抗压强度基本呈下降的趋势，当掺量超过3%时，下降幅度非常明显，与基准混凝土相比，降幅达到15.5%。因此综合考虑，1%～1.5%为PVA可再分散性乳胶粉在高阻抗高抗渗混凝土制备过程中的最佳掺量。

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