有機硅聚合物防水抗裂砂漿性能研究

木子佳靚，劉杰勝，李繼祥，劉輝凱，梁超峰，余荊城，馮 彪

(武漢輕工大學土木工程與建筑學院，湖北武漢430023)

水泥砂漿的防水性能十分重要，水能引起混凝土的霜凍破壞，而溶解于水中的物質(zhì)，特別是氯化物，破壞作用更強。同時混凝土中的Ca2+，Mg2+，Al3+等可溶性鹽易發(fā)生水溶性遷移［1］，從而造成建筑物表面腐蝕，形成鹽霜，影響了建筑物的視覺美觀和使用壽命［2］?？茖W家嘗試用無機添加劑如SiO2、水玻璃［3-5］等來提高砂漿的性能，或用硅烷偶聯(lián)劑加到聚合物樹脂中來改善混凝土的強度和粘接性［6］，因此現(xiàn)在討論有機硅添加劑與水泥砂漿結(jié)合對砂漿性能的影響具有積極的意義。

有機硅是一種具有活性烷氧基團的硅烷偶聯(lián)劑，能與水發(fā)生水解反應，生成活性硅醇基團，既可以與水泥砂漿顆粒表面的OH基團發(fā)生化學偶聯(lián)作用，自身也可以發(fā)生縮合反應，形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)。目前，關于有機硅的應用主要限于外涂作為防護材料，對內(nèi)摻有機硅改性水泥砂漿的制備及其綜合性能還缺乏全面了解，基于此，本文系統(tǒng)研究該改性水泥砂漿的機械力學性能、防水性能及耐久性能，綜合評價了該防水水泥砂漿的各項性能指標，以期能夠?qū)嶋H工程應用給予借鑒，以制備具有良好的力學性能、防水性、抗裂性和耐酸堿腐蝕性的水泥砂漿建筑材料。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

水泥:普通硅酸鹽P.O 32.5水泥。砂:標準砂。有機硅烷:KH560，湖北環(huán)宇化工有限公司生產(chǎn)。不同KH560乳液用量改性水泥砂漿的配比，見表1。

表1 改性水泥砂漿試件的配合比

1.2 實驗方法

樣品制備過程:在水泥凈漿中加入有機硅聚合物攪拌均勻，有機硅聚合物加入量為水泥質(zhì)量的1%—5%五組，成型同樣尺寸的試件。試件密封養(yǎng)護24 h脫模，然后放入(20±3)℃環(huán)境中持續(xù)密封養(yǎng)護至相應測試齡期。

1.2.1 力學性能

試件在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d后，試驗前將試件表面擦試干凈，將試件安放在試驗機的下壓板上，試件的承壓面應與成型時的頂面垂直，試件中心應與試驗機下壓板(或下墊板)中心對準。開動試驗機，當試件接近破壞而開始迅速變形時，停止調(diào)整試驗機油門，直至試件破壞，然后記錄破壞荷載。

1.2.2 吸水性

成型后將試件放入(20±3)℃、相對濕度90%的養(yǎng)護室中養(yǎng)護到28 d齡期。將試件放在(80±2)℃的烘箱中干燥48 h后取出，放在干燥器中冷卻至室溫，將試件5個面進行蠟封。將沒有涂蠟的一面放在吸滿水的飽和聚氨酯海綿上(密度為25—30 g/L)。然后測試12 h試件的吸水率。測定方法參照德國試驗方法 DIN52617［7］進行。

1.2.3 抗裂性

砂漿試件的抗裂測試參照 JGJ/T70-2009，《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》。

1.2.4 抗化學腐蝕性

試件在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d后，分別在10%HCl溶液和10%NaOH溶液中浸泡，溶液每7 d更換一次，達到規(guī)定齡期后，研究試件化學腐蝕前后的質(zhì)量變化，測其質(zhì)量損失率。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學性能(抗壓強度)

雖然砂漿的抗壓強度指標相對于其他性能指標而言要求相對校低，但力學性能是其最基本及重要的性能指標之一，是反應砂漿性能優(yōu)劣的最重要指標。試驗結(jié)果見圖1。

圖1 改性水泥砂漿試件的抗壓強度

在水泥中有機硅聚合物為1%—5%的用量下，我們把各種有機硅聚合物水泥砂漿的28 d抗壓強度與空白試件的抗壓強度數(shù)據(jù)作于圖1中。由圖1可見，隨著有機硅聚合物摻量從1%提高5%，強度稍有下降趨勢。而且，改性水泥砂漿的28 d抗壓強度都低于空白的水泥砂漿試件28 d抗壓強度。

2.2 吸水性

水泥砂漿吸水率試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見，S0試件12 h后的吸水率是9.5%，表明硬化水泥中水化不充分，且內(nèi)部孔隙較多。而加了有機硅聚合物的水泥砂漿水化充分，內(nèi)部孔隙較少，其良好的疏水性使其吸水率大大降低，不同摻量的有機硅對試件吸水性的影響不同。與標準試塊相比，S1試塊的吸水率只有7.2%，性能增加了24.2%;S2、S3試塊的吸水率只達到了6.3%和5.5%，性能提升了33.7%和42.1%;當有機硅的加入量增到水泥砂漿質(zhì)量的4%和5%時，試塊的吸水率達到最低4.5%和3.8%，性能提升了52.6%和60%。

圖2 改性水泥砂漿試件的吸水率

由圖2可看出:有機硅聚合物水泥砂漿試件組較空白樣試件吸水率明顯偏低，這是因為水泥砂漿的吸水過程主要是毛細管吸附作用，通過吸收液體來填充水泥砂漿內(nèi)部的孔隙，因此，吸水性能在很大程度上取決于水泥砂漿本身的微觀結(jié)構(gòu)。有機硅聚合物使水泥砂漿密實性變強，填充內(nèi)部缺陷和孔隙。有機硅摻量越多，水泥砂漿內(nèi)部水泥的水化越充分，吸水率梯度就會相應地減少。

2.3 抗裂性研究

普通砂漿的彈性模量大，容易開裂，致使水泥砂漿的抗?jié)B性、耐久性受到很大影響。已有研究表明，有機硅的加入可以改善水泥砂漿的抗裂性能［8］。本實驗除了在砂漿中加入有機硅，還研究不同摻量對其影響，以改善水泥砂漿的抗裂性能。試驗結(jié)果見表2。

表2 改性水泥砂漿試件的抗裂試驗數(shù)據(jù)

有機硅在水泥砂漿中的最主要作用是減少或抑制早期塑性裂縫的產(chǎn)生或發(fā)展。因為有機硅與砂漿之間存在牢固的化學物理鍵合作用，當發(fā)生水泥砂漿干縮作用時，可對收縮裂縫起到一定的抑制作用［7］。整體而言，從表2中裂縫條數(shù)、平均裂縫長度及平均裂縫寬度數(shù)據(jù)來看，不同濃度的有機硅對抗裂性能均有不同程度的提高，我們可以判斷隨著有機硅聚合物用量適當?shù)脑黾?，水泥砂漿的抗裂性能會提高。圖3是S0、S5水泥砂漿試件裂縫實際效果圖。從圖中可以清晰的看到從S0到S5裂縫的減少，這足以證明有機硅的使用抑制了裂縫的產(chǎn)生。

2.4 抗酸堿腐蝕

表3給出了水泥砂漿試件的質(zhì)量損失率與試件有機硅添加量的關系。圖4為水泥砂漿試件浸泡酸堿溶液后效果圖。從表3中可以看出，S0試件的質(zhì)量損失率較大，而S5試件的質(zhì)量損失率較小。由于試件的差別只是有機硅加入量的不同，所以可以近似推斷有機硅的摻入有助于減少水泥砂漿應對酸堿情況下的質(zhì)量損失。而具體表現(xiàn)為隨著有機硅摻入量的增加，水泥砂漿的抗酸堿腐蝕性能也逐步提高。

表3 改性水泥砂漿試件抗酸堿腐蝕試驗的質(zhì)量損失

圖3 S0、S5水泥砂漿試件裂縫實際效果圖

圖4 S0、S1和S5水泥砂漿試件浸泡酸堿溶液后實際效果圖

3 結(jié)論

本文采用有機硅改性水泥砂漿制備有機硅聚合物防水水泥砂漿，并從表觀抗壓強度、吸水率、抗裂性和抗酸堿腐蝕性等角度，系統(tǒng)研究了其水泥砂漿的相關性能。研究結(jié)果表明:隨著有機硅聚合物摻量從1%提高5%，強度稍有下降趨勢。而且，改性水泥砂漿的28 d抗壓強度都低于空白的水泥砂漿試件28 d抗壓強度;有機硅聚合物水泥砂漿的12 h吸水率都遠比空白試件的9.5%低，具有顯著的防水功能，并且有機硅摻量從1%提高到5%時，改性水泥砂漿的吸水率大大降低;隨著有機硅聚合物用量適當?shù)脑黾?，水泥砂漿的抗裂性能會提高;有機硅的摻入有助于減少水泥砂漿應對酸堿情況下的質(zhì)量損失。而具體表現(xiàn)為隨著有機硅摻入量的增加，水泥砂漿的抗酸堿腐蝕性能也逐步提高。總得來說，有機硅摻量為5%的有機硅聚合物水泥砂漿的耐久性滿足標準要求，力學性能良好，特別是吸水率低，抗裂、抗酸堿腐蝕性高，若要求抗裂砂漿防水性能好，可優(yōu)先考慮作防水劑。對于如何再減少有機硅防水水泥砂漿的抗壓強度損失，提高其防水性能有待進一步的深入研究。

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