VAE乳胶粉与偏高岭土聚合物改性防水砂浆性能研究
闫 东、刘浩博、张凤翔、肖学党、张 雷、陈松柏、来利鹏、李士民、成 帅、李肖飞、赵 军
摘 要:为了提高普通砂浆抗渗性能,提出了一种将有机聚合物与无机矿物相结合、并内掺有机硅赋予普通砂浆优良抗渗性能的试验研究。通过对防水砂浆抗压强度、抗折强度、抗渗强度、吸水率的测定分析,得到了高性能的聚合物改性防水砂浆。研究结果表明:(1)可再分散乳胶粉在水泥砂浆中形成的膜结构,会显著降低抗压强度而提高抗渗强度,适宜掺量应为水泥质量的3%;(2)偏高岭土具有的火山灰活性,可与水化产物发生二次反应,但应注意掺量与力学性能的关系,不宜大于6%;(3)聚硅氧烷在砂浆中形成的有机硅憎水基团,可以赋予防水砂浆优良憎水性,从而提高抗渗强度降低吸水率,掺量为0.5%时综合性能最优;(4)聚合物改性防水砂浆在具有良好力学性能的同时,抗渗强度从最初的1.0MPa升至2.3MPa,吸水率从7.7%降至5.2%,各项性能均远超国家规范对聚合物防水砂浆的要求。该研究成果可为防水砂浆的推广使用及改性研究提供参考。
关键词:防水砂浆;聚合物改性;可再分散乳胶粉;偏高岭土;有机硅
防水抗渗是土木工程中的常见问题,现阶段的防水技术大致可以分为刚性与柔性两种。刚性防水技术以水泥、砂、石为原材料,掺入适量外加剂或高分子聚合物,增强水化反应,改善内部结构与密实程度,从而达到防水抗渗效果。其特点是可以根据不同的工程结构与防水需求确定配比,因此具有施工简单、制作方便、易于维修,耐久性好等优点。柔性防水材料在工艺复杂、造价昂贵的同时要在刚性防水的基础上才能取得良好效果[1-2]。防水砂浆作为刚性防水材料的代表之一,在工程建设中有很大的用量。 但随着使用场景的扩展与防水要求的提高,普通防水砂浆已经很难满足施工现场的需求。砂浆本身属多孔结构非均质材料,在水泥水化过程中存在脆性大、孔隙率高、吸水率高等缺点,从而在完成固化养护后力学性能与抗渗性能较低。因此针对普通防水砂浆的改性研究十分具有现实意义和经济效益。基于此,相关学者对防水砂浆进行了大量的研究[3-4],但是仍然在力学性能与抗渗性能的提升及平衡方面存在问题。因此如何在保证聚合物防水砂浆良好力学性能的同时提高抗渗性能,是一个亟待解决的问题。 目前相关学者对聚合物砂浆和防水砂浆做了大量研究工作。STEFANO 等[4]研究发现核壳聚合物颗粒可改善防水砂浆的喷涂能力和抗裂性能。AQUINO 等[5]研究了不同防水添加剂和粘合剂对抹面砂浆的力学性能影响,发现此类外加剂对砂浆抗压和抗弯性能有负面影响,但试验未确定掺量较高时的机械性能。IBRAHEIM 等[6]使用聚合物涂层溶液制备了一种复合砂浆,研究发现随着水泥重量比的增加,砂浆接触角与粘结强度都有所增大,并对金黄色葡萄球菌有杀灭效果,但对大肠杆菌没有活性。GUPTA 等[7]研究了聚丙烯纤维与高吸水性聚合物混合使用时对水泥砂浆的影响,以及食品和木材废弃物中生物活性炭在水泥砂浆中作外加剂的 应 用。KNAPEN 等[8]对 水 溶 性 聚 合 物 在水泥砂浆中的改性行为进行了研究,通过微观分析发现改性后的砂浆在晶体之间生成了额外的连接键,从而增加了抗弯强度,但未对其他性能做出测定。ISMAIL 等[9-10]对聚合物织物增强砂浆、粉煤灰-矿渣聚合物砂浆进行了研究,发现在聚合物织物以脆性方式破裂之前加固墙会表现出韧性,在非晶态地聚合物微观结构中,水合硅酸铝地质聚合物凝胶和铝改性凝胶是主要的聚合反应产物。 宋少民等[11]采用片麻岩机制砂及其石粉制备防水砂浆,结果表明石粉部分代替粉煤灰时,在一定程度上可降低防水砂浆的收缩和开裂,但对抗压强度影响不大。杨林等[12]通过回收聚合物取代部分硅砂的方式对水泥砂浆进行了改性,结合力学性能测试与有限元模拟分析,制备了减少环境污染的聚合物水泥砂浆。张国防等[13]通过研究三元共聚物(E/VC/VL)对水泥砂浆的孔结构变化规律,得出了水 泥 砂 浆 的 一 些 基 本 物 理 力 学 性 能。靳 昊等[14]通过研究粉体和液体有机硅防水剂对水泥砂浆性能的影响,得出了这两种防水剂的力学、物理和防水性能的影响。 上述研究成果主要集中于不同材料在砂浆中的适宜掺量与作用机理。而针对有机材料和无机材料混合使用的研究较少,特别是赋予聚合物防水砂浆优良憎水性的研究工作,更是鲜有。本文采用试验研究的方法,通过相关设备与试验方案,对防水砂浆的抗压强度、抗折强度、抗渗强度和吸水率做出测定。分别对实验中不同材料与不同掺量引起的性能变化进行讨论,建立改性前 后的对比关系,为聚合物防水砂浆的优化使用及后期改性提供依据。 (1)普通硅酸盐水泥(P.O42.5)相关参数见表1。 (2)乙烯-醋酸乙烯共聚合物(VAE)可再分散乳胶粉,pH 值为7.2,堆积密度510g/L,不挥发物含量≥98%,灼烧含渣≤13,实物见图1。 (3)偏高岭土,无定型硅酸铝(Al2O3·SiO2)含量为97%~99%,Fe2O3 含量 <0.5%,CaO 含量<0.1%,实物见图1。 (4)聚硅氧烷粉末憎水剂(SHP-50),其平均粒径为 175μm,堆 积 密 度 为 645g/L,硅 含 量 为22%,实物见图1。 使用普通硅酸盐水泥(P.O42.5)做胶凝材料,60~80目的机制石英砂做骨料,适量添加硅灰、硫铝酸钙膨胀剂、聚羧酸减水剂,制备了一种力学性能较好的普通防水砂浆,在此基础上使用 VAE 乳胶粉、偏高岭土和聚硅氧烷憎水剂材料进行改性。 经合理调查与设计,选定材料掺量(占水泥质量百分比):VAE乳胶粉为0%、2%、3%、4%、5%,偏高岭土为0%、2%、4%、6%、8%,聚硅氧烷粉末憎水剂为0%、0.25%、0.5%、0.75%、1%。在试验顺序上,VAE 乳胶粉和偏高岭土单独加入普通 防水砂浆,通过试 验 数 据 分 析 综 合 性 能后,确定两种材料在防水砂浆中的最优掺量。然后将两个最优量混合使用,在此基础上加入不同掺量的聚硅氧烷粉末憎水剂。 在试验过程中,使用新拌砂浆制作一联三个的40mm×40mm×160mm 长方体砂浆试件,与一次六个的上口直径70mm、下口直径80mm、高度30mm 的圆台形砂浆试件,实物见图2。将制作完成的试件在砂浆养护箱(温度(20±3)℃,相对湿度≥90%)完成24h养护后脱模并编号,然后在恒温恒湿养护室(温度(23±2)℃,相对湿度50%±10%)养护至所需龄期后测试各项性能。图3为砂浆试件养护箱与养护室。 (1)砂浆试件抗压强度和抗折强度试验方法砂浆抗压强度和抗折强度的测定参照《水泥胶砂 强 度 检 验 方 法 (ISO 法 )》(GB/T17671—2021)[15]。 (2)砂浆试件抗渗强度试验方法将圆台形砂浆试件养护28d后取出,待表面干燥后采用密封材料将试件装入砂浆抗渗仪模具中。试验开始,从0.2MPa开始加压,恒压2h后增至0.3MPa,以后每隔1h增加0.1MPa。当6个试件中有3个表面出现渗水现象时,停止试验,记下当时水压。砂浆抗渗压力值以每组6个试件中4个未出现渗水时的最大压力计,并按公式(1)计算: 式中:P 为砂浆抗渗压力值,单位 MPa,精确至0.1MPa;H 为6个试件中3个试件出现渗水时的水压力,单位 MPa。 (3)砂浆试件吸水率试验方法将长方体砂浆试件养护28d后取出,在温度为(105±5)℃的恒温干燥箱中烘干(48±0.5)h,称其质量 m0。然后将试件完全浸泡于温度为(20±2)℃的水箱中,48h后取出擦去试件表面水分称其质量 m1,砂浆吸水率按下列公式计算: 式中:W X 为砂浆吸水率,单位%;m1 为吸水后试件质量,单位g;m0 为干燥试件的质量,单位g。在试验中,取3块试件的算术平均值作为砂浆的吸水率,并精确至0.1%。 可再分散乳胶粉具有使用方便、效果显著、还原性强等优点,因此较为适宜在干防水砂浆中做改性材料。在水泥水化过程中,由于砂浆自身特性,其内部会产生大量便于存水存气的空腔。随着养护固化,这些 空腔就会成为 工 程 应 用 中 的 薄 弱 部位。加入可再分散乳胶粉后,具有“核-壳”结构的颗粒可以迅速分散到砂浆内部,遇水还原成乳液充满空腔,并随着砂浆的养护干燥聚合成膜。这些附着在孔壁上的连续薄膜均匀分布在水泥浆体中,或包裹、或接触地作用于胶凝颗粒与骨料,从而有效改善砂浆的密实程度与工作性能。乙烯-醋酸乙烯共聚合物所具有的良好耐水性、耐候性、耐腐蚀性也可以确保水泥砂浆在使用过程中的效果与寿命。 由图4可知,VAE 乳胶粉掺量为0时的砂浆取得最高抗压强度,然后随着掺量加大,抗压强度大幅降低。当掺量为水泥质量5%时达到最低,此时的28d抗压强度约为最高时的40%。这是由于可再分散乳胶粉形成的聚合物薄膜均匀分布在砂浆内部,直接降低了砂浆的整体弹性模量。同时由于聚合物有一定的引气效果,也会带来一些连续贯通的孔通 道,增大了砂浆的 总 孔 隙 率 和 平 均 孔 直径,从而对抗压强度造成极大损害。 在抗折强度方面,VAE 乳胶粉的加入提高了砂浆的 抗 折 强 度,当 掺 量 为 5% 时 达 到 了 最 高 的5.9MPa,较无添加时提升了约13%。这是由于聚合物薄膜具有非常好的韧性,附着在水泥胶凝颗粒表面时可以赋予砂浆更高的压折比,从而直观表现为砂浆抗折强度的提高。 可以看出,随着 VAE乳胶粉掺量的增大,防水砂浆的抗渗强度有了明显提高。在掺量为 5% 时达到最高的1.8MPa,较无掺加时的抗渗强度提高80%。但值得关注的是,抗渗强度的提高并非呈线性关系,而是随着掺量的增加,取得的效果在某个区间内微弱提升。这是因为在水泥砂浆中,水泥浆体与骨料颗粒的界面过渡区存在很多薄弱空间,从而为水分渗入砂浆提供通道。VAE 乳胶粉加入后会形成聚合物与水泥颗粒相互结合的网络膜结构,这种结构在填补裂缝堵塞孔隙的同时,切断了水分渗入砂浆的通道,从而提高了砂浆的抗渗强度。但聚合薄膜对抗渗强度的增加并非完全取决于薄膜数量和质量,与砂浆的整体水化强度及其他材料性质也有很大关系。 水泥在加水搅拌的过程中会引入不定量空气,各种外加材料参与水化反应时也易生成微量气体。通过振捣或震动难以将这些气体完全排出,从而在固化过程中形成孔隙与空腔。这些孔洞会在后期使用时大量蓄储水分,并随着使用年限的增长对砂浆的整体结构造成破坏,因此测试砂浆的吸水率作为评价指标十分有必要。砂浆本身属多孔结构非均质脆性材料,较低的吸水率能从一定程度上反应砂浆内部的密实程度,并保证防水砂浆在地下工程等潮湿环境中的使用寿命,尽可能降低砂浆内部水分存在和迁移带来的负面影响。VAE 乳胶粉与砂浆吸水率关系如图5。 由图5可知,不同掺量的 VAE 乳胶粉都降低了砂浆的吸水率,并在掺量为5%时达到了最低的7.0%,较无掺加时的吸水率降低了 2.7%。这说明不同掺量的 VAE乳胶粉都在一定程度上填充了孔缝通道,改善密实程度,生成的聚合物薄膜或许在力学方面造成了负面影响,但在降低砂浆吸水率方面都提供了有利帮助。这些薄膜在切断渗水通道的同时,乙烯-醋酸乙烯共聚合物的良好耐水性也使砂浆的毛细吸水量减少,各种因素共同作用后导致吸水率降低。 水泥水化反应即水泥颗粒中各种钙化复合物与适量水混合形成可塑的浆状体,并逐渐凝结、硬化,变成坚硬的固体。在此过程中,其良好的包容性将散粒材料或块状材料结成整体,从而增强自身性质。为了提高水泥基材的力学性能与耐久性,在水化过程中添加微硅粉、超细矿渣、优质粉煤灰等高火山灰活性掺合料是一种有效途径,可以在改善水泥水化反应的同时起到填充作用。然而上述材料获得方式复杂,来源较少,价格昂贵,因此利用天然矿物原料或工农业废弃物,通过合理手段达到上述效果成为了新的研究方向。偏高岭土是一种高活性矿物掺合料,主要成分是由高岭土经过低温煅烧而形成的无定型硅酸铝,因此偏高岭土在造价低廉的同时,可以在水泥基材中发挥良好改性作用。偏高岭土掺量与抗压、抗折强度关系如图6所示。 由图6可知,砂浆的力学性能随着偏高岭土掺量的增大先减小后增大再减小,并都在6%掺量取得最高。产生上述规律的原因可能是,在改性前的普通防水砂浆中已经加入了适量的硅灰,后续添加的偏高岭土和硅灰都属于火山灰活性材料。这类材料中的 Al2O3 和 SiO2 可以和水泥水 化产生的Ca(OH)2 发生二次反应,生成水化硅酸钙、水化铝酸钙或水化硫铝酸钙等产物。这些水化物在填充砂浆孔隙的同时增强力学性能,因此非常适宜在水泥基材中使用。但过量的火山灰活性材料会在 Ca(OH)2 被消耗完毕之后,以颗粒形式分布在砂浆内部。在试验中,偏高岭土的加入取代了部分硅灰的作用,但前者的活性远不如后者,因此力学性能首次出现了降低。随着偏高岭土掺量的继续加大,多出的偏高岭土和硅灰颗粒只能起到填充作用,而无法充分发挥其活性。即使可以再次增强力学性能,但最终取得的效果也较为有限,并在掺量达到最大限度后降低砂浆的整体弹性模量,对力学性能再次造成降低。 可以看出,随着偏高岭土掺量的增大,抗渗强度在不断增高,并在掺量6%和8%时达到最高的1.5MPa,此时较无掺加的抗渗强度提高50%。这是由于偏高岭土加入后生成的水化物在常温下具有较为稳定的物理性质,均匀分布在砂浆的空腔与孔隙中,起到填充与憎水作用。同时由于偏高岭土粒径较小,盈余的偏高岭土颗粒也可以改善砂浆内部的孔隙率和平均孔直径,对整体的密实程度加以增强。因此随着偏高岭土的加入,抗渗强度取得了相应的提高。 由图7可以看出,随着偏高岭土的加入,防水砂浆吸水率大致呈降低趋势。28d吸水率在2%掺量时达到最高的7.8%,并在8%掺量时达到最低的7.3%。这是由于偏高岭土类材料加入 后生成的水化物,一方面填充了 砂 浆 内 部 的 空 腔 和 孔隙,减少了水分进入的通道;另一方面这些水化物的稳定性质减少了砂浆整体的吸水量,各种因素共同作用后直观地表现为防 水 砂 浆 吸 水 率 的 降 低。 偏高岭土掺量的增大对防水砂浆力学方面造成了负面影响,但在降低防水砂浆吸水量上都带来了有益效果。但过大掺量中盈余的火山灰材料也会增加一部分砂浆吸水量,从而导致试验中各组防水砂浆吸水率的下降并不明显。 有机硅化合物,是指含有 Si-C 键、且至少有一个有机基团直接与硅原子相连的化合物,习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等有机基团与硅原子相连接的化合物当作有机硅化合物。有机硅具有的独特结构,兼备了无机材料与有机材料的性能,其以硅氧键为主链结构的产品在耐温耐候方面也优于普通高分子材料。本研究选用的聚硅氧烷粉末憎水剂,系有机硅类粉末树脂,是一种三元体的细小颗粒,由粉末载体、胶体包覆材料和易于分散的有机硅活性成分组成。胶体包覆材料能将活性成分稳定保存在粉体中,并在加水后适时释放。现阶段的有机硅防水技术多用于水泥基材的表面处理,即采用外涂或浸渍的方式达到提高防水抗渗性能的目的,这种方式虽然使用方便,但覆盖在建筑表面的有机硅防水层非常容易受到侵蚀与破坏,从而影响使用寿命与使用效果。而通过内掺有机硅来改善水泥基 材的整体结构,可 以 较 好 地 弥 补 上 述 弊端,使水泥基材达到良好防水抗渗效果的同时具有较强的憎水性和耐久性。图8为普通砂浆与内掺有机硅砂浆的憎水性对比试验,左为普通砂浆,右为有机硅砂浆。 通过图8对比可以看出,有机硅的加入可以改善砂浆的毛细吸水问题,当普通砂浆完成吸水后,有机硅砂浆仍能将水分阻隔在外部。然后对比图8(a)和图8(b)中的两块有机硅砂浆试件,可以发现静置1h后的砂浆试件增大了表面水珠的润湿角,减小接触面积并将水分聚拢到新的高度,这同样表明有机硅的加入赋予砂浆试件优良的憎水性。 结合上文2.1和2.2节中的结果分析,以抗渗强度为主,结合力学性能与吸水率后,综合选定 VAE乳胶粉最优掺量为3%,偏高岭土最优掺量为6%。 由图9可以看出,无论是抗压强度还是抗折强度,都大致随着有机硅掺量的增大而降低。当掺量达到最大时,28d抗压强度较无掺加 时降低了约16%,28d抗折强度降低了约25%。可能原因是有机硅中的粉末载体和胶体包覆材料,在一定程度上影响了水泥的水化并使砂浆的孔隙率增大,当受压或受拉时应力集中在孔隙处,从而导致砂浆的抗压强度降 低。但 通 过 观 察 发 现,当 有 机 硅 掺 量 在0.5%以下时,力学性能上的变化并不大。因此在使用内掺有机硅对水泥砂浆进行改性时,应选择合理且精确的掺量,从而在赋予水泥砂浆优良憎水性的同时保证力学性能符合要求。 由图10可以看出,砂浆的抗渗强度随着有机硅的 加 入 得 到 提 高,并 在 掺 量 最 高 时 达 到 2.3MPa,较无添加时的抗渗强度提高约 21%。结 合图8中的砂浆憎水性试验,通过观察可以看出,加入有机硅后形成的憎水基团均匀分布在砂浆内部,对内部孔隙发挥填充作用的同时赋予砂浆优良的憎水性能,从而有效地阻挡水分进入砂浆内部提高而抗渗强度。 由图10可以看出,有机硅的加入显著降低了砂浆的吸 水 率,并 随 着 掺 量 的 加 大,在 0.75% 和1%时达到了最低的5.2%。通过上述分析内容可知,有机硅兼备了无机材料与有机材料的性能,且自身就具有优良的憎水性。因此在砂浆内部分散形成的憎水基团,能充分填补砂浆在制作过程及加入其他材料而形成的空腔和裂隙,大幅降低砂浆毛细吸水量,直观地表现为砂浆吸水率降低。 为了解决聚合物防水砂浆力学性能与抗渗性能的提升及平衡问题,揭示有机聚合物、无机矿物粉及有机硅憎水剂与防水砂浆的关系,本文合理选用3种具有代表性的材料,对普通防水砂浆进行了聚合物改性。根据国家规范,使用不同设备与试验方案对砂浆的抗压强度、抗折强度、抗渗强度与吸水率[15-17]进行了测定,通过平行试验对比分析后最终得到如下结论: (1)综 合 各 项 性 能 分 析 后,选 定 占 水 泥 质 量3%掺量的 VAE乳胶粉为最优量,此时的抗渗强度较无外加时提高了70%。 (2)综合各项因素后选定占水泥质量6%掺量的偏高 岭 土 为 最 优 量,此 时 的 抗 渗 强 度 提 高 了50%。 (3)试验选定占水泥质量0.5%掺量的有机硅为最优量,此时的防水砂浆抗压强度下降较小的情况下,将抗渗强度提高约16%。 (4)聚合物改性后的防水砂浆抗渗强度最高可以达到2.3MPa,较改性前提高了 130%,此时的砂浆吸水率也从改性前的7.7%降低到了5.2%. 本研究选用不同试验材料,结合试验数据对防水砂浆的相关性能进行了研究,可为防水砂浆的推广使用及后续研究提供参考。然而本研究在改善聚合物防水砂浆抗渗性能与力学性能的同时,未过多考虑酸碱腐蚀与冻融温差等因素对防水砂浆耐久性的影响。因此在未来的研究中,应通过更详细的性能测定,着重考虑其广泛适用性。
