聚合物改善水泥石渗透性评价方法研究

符强

摘要： 水泥浆中掺入聚合物能改善水泥浆粘度、沉降稳定性和流动度并使水泥石的渗透性降低和耐腐蚀性得到提高。目前测定水泥石渗透性方法很多，但没有一种方法得到广泛共识，基于上述现状本文进行了聚合物改善水泥石渗透性评价方法研究。本次试验向水泥浆中掺入不同剂量的可再分散乳胶粉。对形成的水泥浆体系的密度、流动度、沉降稳定性、水泥石抗压强度等进行测定，采用SCMS-1型全自动岩心孔渗测量系统、F-sorb 3400型氮吸附比表面积及孔径分布分析仪、Autopore IV 9500压汞仪、NEL-PER 电通量测定仪分别评价经可再分散乳胶粉改善后水泥石的渗透性。

Abstract： To incorporate polymer into the cement slurry can improve the viscosity， settling stability and fluidity of the cement slurry and reduce the permeability and corrosion resistance of the cement paste. At present， there are many methods to determine the permeability of cement paste， but there is no one to get broad consensus. Based on the above-mentioned current situation， this paper has carried out the research on the method of improving the permeability of cement. This test incorporates different doses of redispersible latex powder into the cement slurry. The density， flowability， settling stability and cement concrete compressive strength of the formed cement slurry system are measured. The SCMS-1 type automatic core pore osmosis measurement system， F-sorb 3400 nitrogen adsorption specific surface area and pore size distribution Analyzer， Autopore IV 9500 mercury porosimeter， NEL-PER electric flux analyzer are used to evaluate the permeability of cement after being improved by redispersible latex powder.

關键词： 水泥浆；聚合物；渗透性；评价方法

Key words： cement slurry；polymer；permeability；evaluation method

中图分类号：TU472.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）11-0102-03

1 绪论

1.1 选题背景

水泥石是一种多相的、不均质的、多孔的复合体系，当其相对的表面存在压力、浓度和电位差时，就会发生物质的迁移。水泥石的渗透性，笼统地说是指气体、液体或离子受压力、化学势或电场作用在混凝土中渗透、扩散或迁移的难易程度。常用的水泥石渗透性测试方法有：透水法、透气法、氯池浸泡法及电通量法等。工程实际中我们不仅要测试出水泥石的渗透性，还要找到能够提高水泥渗透性的方法。加入胶乳后的水泥被称为胶乳水泥。胶乳水泥体系是有机高分子聚合物分散体系，首先水泥水化产物和胶乳聚合物通过胶乳颗粒相互结合，在已水化的水泥与未水化的水泥间形成网状结构。随着水泥水化作用继续，毛细管孔隙中水将减少，聚合物胶乳颗粒从水中分离出来，在水泥水化物表面形成一层连续薄膜牢固地粘结成为一个坚固的整体。

随着VAE乳液和VA/VeoVa等乳液的工业化成功，其使用的范围也逐渐扩展到各种结构和非结构建筑粘合剂 、干混砂浆改性墙体保温、粉末涂料、建筑腻子的领域。

可再分散乳胶粉加水后能充分分散在水中，形成稳定的分散液。与聚合物乳液相比，可再分散乳胶粉具有成本低、稳定性好、容易储存、包装方便、能与水泥及其它外加料混合使用等优点。

1.2 水泥石渗透性评价方法研究现状

水泥石渗透性在德国开始研究，研究起步较早，以下介绍在国外具有代表性的水泥石渗透性评价方法。

①1981年前美国测试水泥石渗透性采用氯离子非稳态扩散方法并作为美国氯离子扩散实验标准方法—AASHTO T259[1]；②为了克服ASTM C 1202方法孔溶液的化学成分影响试验结果的缺点，P.E.Streiche提出浓度盐溶液饱和的电导法；③Whiting[2]研究提出的直流电量法测量水泥石渗透性的评价方法是当前国际上最有影响的水泥石渗透性试验方法。被美国两个标准AASHTO T277-83和ASTM C1202-91所采用；④北欧标准[3]采用氯离子扩散系数快速测定的RCM方法。

我国研究起步晚，但发展迅猛，建筑工程上我国目前采用的是抗渗指标法。①清华大学研制的 NEL 型渗透性快速检测系统。用该方法可以在 24h 内快速测定水泥石的饱盐电导率和氯离子扩散系数；②路新瀛[4]提出的饱和盐水泥石电导率法是将测得的电导值通过Nernst-Einstein方程，但减少了方程中对流、扩散部分的电量，计算出来的氯离子渗透性是一种快速试验方法；③我国交通部[5]已在JTJ 270-98中提出了一个较为便捷的气体渗透性测试方法。

从国内外研究现状来看，评价水泥石渗透性各评价方法各有优缺点，每个方法只能在某种条件下能反应水泥石的渗透性能或某一方面水泥石的渗透性能。就目前现状愚认为可以向采用多种方法复合评价水泥石渗透性，就现场实际有选择的组合各评价方法达到取长补短的目的。向这些方面探讨可行性。

2 试验

2.1 配置水泥浆

研究可再分散乳膠粉不同加量对水泥浆的影响，采用不同加量添加乳胶粉后测定水泥浆性能。添加可再分散乳胶粉后，水泥浆浆中会有大量气泡，如果消泡效果不好的话会对试验结果造成很大影响。

本试验中经过多次试验发现采用物理法中的升温法、机械搅拌法与化学法中的添加消泡剂的方法结合使用能达到较好的消泡效果。

2.2 水泥浆性能测试

本试验主要测定水泥石渗透性，综合各水泥浆配方及其性能测试结果选择配方五，按配方五做四种测试方法所需的模分别测试水泥石渗透性。

3 试验结果及分析

3.1 抗压强度

在标准养护条件下可再分散乳胶粉掺量对水泥石强度的影响如表3所示，在表中我们可以看到在一定范围内随着乳胶粉掺量增加，水泥石强度不断增加。

3.2 渗透性测试

3.2.1 全自动岩心孔渗测量系统测定水泥石渗透性

SCMS-1全自动岩心孔渗测量系统是由西南石油大学国家重点实验室研制的新型全自动岩心测量系统，本试验测定水泥石岩心孔隙度，对一个成熟的低密度配方水泥石采用此系统测渗透性（温度为15℃，围压3MPa0）结果如表4所示。

表中P表示水泥石孔隙度，K表示渗透系数，对两组水泥石孔隙度和渗透系数结果观察发现数据波动很大，对试验结果原因分析：不同的预处理加热温度和时间造成水泥石孔隙度、渗透系数差异较大。

3.2.2 氮吸附测定聚合物水泥石孔径分布

由图1与图2对比可知，掺入乳胶粉后改善水泥石孔径分布。氮吸附法主要测试的是孔径为100nm以下孔隙，通过对比发现两个曲线形状相似，添加4%乳胶粉对水泥石100nm以下的孔隙没有明显的变化。因为本试验需要测试前对水泥石进行加热处理，加热温度，时间对试验影响很大因此本法单独评价水泥石渗透性还有待进一步研究。

3.2.3 水银压入法测水泥石孔径大小、孔隙体积、孔径分布

由图3与图4对比可知掺入4%乳胶粉水泥石的平均孔径比未加乳胶粉的水泥石平均孔径少7.1nm，说明乳胶粉改善水泥石的孔径。

3.2.4 电通量法测定水泥石氯离子渗透性

本次试验采用NEL-PER电通量仪测试经过饱水处理后的水泥石的水泥石渗透性结果[6]如表5。

通道1，2，3为未掺乳胶粉水泥石渗透性，通道4，5，6为掺4%乳胶粉水泥石渗透性。

从试验结果看未掺乳胶粉水泥石的电通量总电量较掺了4%乳胶粉的水泥石多五十多库仑。说明乳胶粉能改善水泥石抗氯离子渗透性且改善明显，使得未加与加了4%乳胶粉水泥石的渗透性都很低的原因有如下情况：①水泥浆基本配方有较好的级配即使是未加乳胶粉其渗透性也相对较低。②乳胶粉改善水泥石渗透性是通过填补空隙达到效果，乳胶粉具有一定粒径，其填补的空隙只在一定范围不可能填补所有空隙。

3.3 水泥石微观形貌观察

对掺了4%乳胶粉[7]和未掺乳胶粉水泥石进行SEM分析：加入乳胶粉改善后的水泥石如图5、6所示，表面明显致密了许多，能看到乳胶粉颗粒和水化产物交织在一起， 填补大量缺陷。

4 结论与建议

4.1 结论

①乳胶粉改善水泥浆流动度、降低水泥浆API失水和提高水泥石抗压强度。乳胶粉颗粒主要填充水泥石100nm-1000nm的大毛细孔，对其他孔径范围几乎没有影响。②氮吸附与压汞法测定水泥石孔径曲线形态基本吻合，压汞法孔径分布范围为7.1-9348nm从微孔到大孔都有涉及，氮吸附主要测定100nm以下的微孔和中孔情况，两者结合能对水泥石孔径分布进行全面描述。③采用岩心孔渗法测量渗透率波动较大重现性差，电通量法能够快速评价水泥石氯离子渗透性且结果重现性好，能为评价水泥石渗透性提供依据，存在无法具体量化为水泥石渗透率的缺点。

4.2 建议

掺入乳胶粉会产生大量气泡，未消除的气泡对水泥石渗透性有很大影响。为得到较为真实的数据需要大量重复的进行消泡处理且要采用多样的消泡手段处理产生的气泡。

参考文献：

[1]A.J.Katz，A.Thompson.Quantitative prediction of permeability in porous rock.Phys.Rev.B，1986，34（11）：8179-8181.

[2]D.Whiting.Rapid measurement of the chloride permeability of Concrete .Public Rods，1981，45（3）.

[3]NT Build 355.Concrete，Mortar and Cement Based Repaid Materials：Chloride Diffusion Coefficient from Migration Cell Experiment，1997.

[4]路新瀛，李翠玲.混凝土渗透性的电学评价[J].水泥石与水泥制品，1999（5）：12-14.

[5]JTJ270-98，水运工程混凝土试验规程[S].

[6]吕佳祥，蒋爱萍.增容法测定岩心孔隙度[J].材料物理与化学，2000（2）：12-19.

[7]蒋林华，ZHANG M H，MALHOTRA V M.水泥基材料氯离子渗透扩散性测试技术[J].建筑材料学报，2002，5（2）：l47-l54.