原材料對聚合物防水砂漿性能的影響

黃春華,姜　彬,歐志華,劉　盛

(1.中南大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，長沙　410083;2.湖南工業(yè)大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，株洲　412007)

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原材料對聚合物防水砂漿性能的影響

黃春華1,2,姜彬2,歐志華2,劉盛2

(1.中南大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，長沙410083;2.湖南工業(yè)大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，株洲412007)

本文研究石英砂、石灰石粉、聚丙烯纖維、可再分散乳膠粉和有機硅憎水劑等原材料對聚合物防水砂漿的強度和吸水率的影響。研究結(jié)果表明，改善石英砂的級配，適量摻入石灰石粉和聚丙烯纖維，可以提高砂漿的強度，降低砂漿的吸水率，可再分散乳膠粉和憎水劑會略微降低砂漿的強度，但會明顯降低砂漿的吸水率。

聚合物防水砂漿；強度；吸水率

1　引　言

近年來，我國的建筑行業(yè)發(fā)展突飛猛進，建筑防水問題卻層出不窮，始終困擾著業(yè)內(nèi)人士，傳統(tǒng)的建筑防水材料主要有兩類，一類是柔性防水材料，即使用瀝青、改性瀝青或高分子材料，柔性防水材料的防水效果較好，但耐老化性能差，使用3～5年后就會開始出現(xiàn)裂紋等缺陷，影響防水效果；另一類防水材料是剛性防水材料，如防水砂漿、防水混凝土，這一類防水材料的耐久性好，不會老化，不易腐蝕，但由于砂漿和混凝土材料會收縮，容易開裂，不能起到有效的防水作用。近年來，聚合物防水砂漿在我國開始推廣應(yīng)用，這種防水材料，由于在水泥砂漿中摻入較多的聚合物，具有較好的抗裂、抗?jié)B性能[1-4]，日益受到廣泛關(guān)注，但相關(guān)理論研究并不多，本文研究石英砂、石灰石、聚丙烯纖維、可再分散乳膠粉和有機硅憎水劑這些原材料對聚合物防水砂漿性能強度和吸水性的影響。

2　實　驗

2.1原材料

(1)水泥:湖南恒宇建材有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，規(guī)格為P·O 42.5(GB 175-2007)；

(2)石英砂:湖南大明工業(yè)砂采選有限公司生產(chǎn)，包括粗石英砂(20～40目)和細石英砂(40～70目)兩個規(guī)格；

(3)石灰石粉：廣西興安銀河礦石粉廠生產(chǎn)，細度為500目；

(4)聚丙烯纖維:江蘇恒神纖維材料有限公司(江蘇丹陽合成纖維廠)生產(chǎn)的“丹強絲”，長度10 mm；

(5)纖維素醚:赫克力士-天普化工有限公司生產(chǎn)羥丙基甲基纖維素醚，型號為C9115型；

(6)可再分散乳膠粉:瓦克聚合物有限公司生產(chǎn)，型號為5044N；

(7)有機硅憎水劑:瓦克聚合物有限公司生產(chǎn)，型號為Powder D。

以上所有原材料都是粉末狀。

2.2實驗配合比

共有17組配合比(表1)，每組配合比中，水泥的質(zhì)量均為370 g，纖維素醚的質(zhì)量均為0.5 g(起保水和增稠作用)，干粉總量都是1000 g。JF01-05中，粗細石英砂的比例不同，細石英砂質(zhì)量占石英砂總質(zhì)量的比例分別是0，12%，24%，36%和48%；根據(jù)3.1節(jié)的結(jié)果，當(dāng)細石英砂質(zhì)量占石英砂總質(zhì)量的比例為36%時，聚合物防水砂漿的性能最佳，因此，JF06-17中，細石英砂質(zhì)量占石英砂總質(zhì)量的比例均為36%，并都以JF04作為基準配合比。JF06-08、JF09-11、JF12-14和JF15-17分別考察石灰石粉、聚丙烯纖維、可再分散乳膠粉和憎水劑的摻量對聚合物防水砂漿的性能的影響。每個配合比的用水量都是150 g。

表1　實驗配合比

2.3實驗方法

(1)抗折強度和抗壓強度實驗方法。將所有干粉按比例稱量好，在封口袋中混合均勻。在行星式水泥膠砂攪拌機中倒入規(guī)定質(zhì)量的水，將粉料緩慢加入到水中，按照“低速30 s→清理15 s→高速60 s→清理15 s→低速30 s”的工藝進行攪拌，按照GB/T 17671規(guī)定的方法，將攪拌好的砂漿成型(40 mm×40 mm×160 mm棱柱體)，在溫度(20±3)℃，相對濕度≥90%的環(huán)境中養(yǎng)護1 d后脫模，再繼續(xù)養(yǎng)護至規(guī)定齡期后，測試抗折強度和抗壓強度。

(2)吸水率實驗方法。按照抗折抗壓強度的實驗方法，將攪拌好的砂漿成型(40 mm×40 mm×160 mm棱柱體)，在溫度(20±3)℃，相對濕度≥90%的環(huán)境中養(yǎng)護1 d后脫模，再繼續(xù)養(yǎng)護至28 d齡期，將試件放在80℃的烘箱中干燥48 h，在干燥器中冷卻至室溫，迅速稱取試件的質(zhì)量G0，再浸水48 h，擦去表面浮水立即稱其質(zhì)量G1。吸水率(%)按(1)式計算：

w=(G1-G0)/G0×100%

(1)

3　結(jié)果與討論

3.1石英砂的級配對防水砂漿性能的影響

圖1　砂的級配對砂漿抗壓強度和抗折強度的影響Fig.1　Influence of quartz sand gradation on compressive strengthen and flexural strength of mortar

圖2　砂的級配對砂漿吸水率的影響Fig.2　Influence of quartz sand gradation on water absorption of mortar

石英砂在聚合物防水砂漿中起骨料作用，石英砂的級配對砂漿的性能有很大的影響。本實驗中，石英砂的級配體現(xiàn)在粗石英砂(20～40目)和細石英砂(40～70目)比例上。JF01-05號砂漿中(表1)，細石英砂質(zhì)量占石英砂總質(zhì)量的比例分別是0，12%，24%，36%和48%。石英砂的級配對砂漿抗壓強度、抗折強度和吸水率的影響如圖1和圖2所示。從圖1可以看出，隨著細石英砂質(zhì)量占石英砂總質(zhì)量的比例增加，防水砂漿各齡期的抗壓強度總體上呈增大的趨勢，28 d抗壓強度的增幅為11%，當(dāng)細石英砂質(zhì)量占石英砂總質(zhì)量的比例為36%時，抗壓強度的增加趨于平緩；防水砂漿各齡期的抗折強度總體上呈先降低后增大的趨勢，但降低和增加的幅度都不大；從圖2可知，隨著細石英砂質(zhì)量占石英砂總質(zhì)量的比例增加，防水砂漿的吸水率總體上呈先降低，后增加的趨勢，轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的細石英砂質(zhì)量占石英砂總質(zhì)量的比例為36%。

細石英砂的摻入，可以填充粗石英砂顆粒之間的空隙，從而提高砂漿的密實性，從而提高砂漿的強度，降低砂漿的吸水率；當(dāng)細石英砂的比例過高(>36%)時，由于粗石英砂的空隙已經(jīng)填充，細石英砂的增加不再提高砂漿的密實性，反而會擠開粗石英砂，影響砂漿的骨架結(jié)構(gòu)，同時因為石英砂的總表面積增加，砂漿的和易性降低，缺陷增多，所以砂漿的強度增加不明顯，吸水率反而增加。從實驗結(jié)果看來，細石英砂質(zhì)量占石英砂總質(zhì)量的最佳比例為36%。

3.2石灰石粉摻量對防水砂漿性能的影響

JF04和JF06-08號砂漿的實驗結(jié)果如圖3和圖4所示，四個配合比中，石灰石粉取代石英砂的比例分別是0、6%、12%和18%，細石英砂質(zhì)量占石英砂總質(zhì)量的比例都是36%。從圖3可以看出，隨著石灰石粉摻量的增加，砂漿各齡期的抗壓強度都增加，但增加幅度逐漸變緩；砂漿的抗折強度先增加后降低；而且，砂漿強度增加的幅度非常明顯，相對于不摻石灰石粉的砂漿，石灰石粉摻量為12%的砂漿，其28 d抗壓強度增加幅度達到38.3%，28 d抗折強度增幅達到30%。從圖4可以看出，隨著石灰石粉摻量的增加，砂漿的吸水率逐漸減小，當(dāng)石灰石摻量大于12%時，吸水率變化不明顯。

圖3　石灰石粉對砂漿抗壓強度和抗折強度的影響Fig.3　Influence of limestone powder on compressive strength and flexural strength of mortar

圖4　石灰石粉對砂漿吸水率的影響Fig.4　Influence of limestone powder on water absorption of mortar

由于顆粒非常細，石灰石粉可以填充到細石英砂的空隙中，砂漿變得更加密實，孔隙率降低，因此，石灰石粉的摻入，會使砂漿的強度增加，吸水率降低；當(dāng)石灰石摻量達到一定的程度(12%)后，由于細砂孔隙已經(jīng)完全填充，孔隙率不會明顯降低，大量微細石灰石顆粒需要較多水化產(chǎn)物粘結(jié)，但膠凝產(chǎn)物有限[5]，因此抗壓強度增加幅度變小，抗折強度甚至下降，吸水率沒有明顯變化。從實驗結(jié)果看來，石灰石粉取代石英砂的最佳比例是12%。

3.3聚丙烯纖維對防水砂漿性能的影響

圖5　聚丙烯纖維對砂漿抗折強度和抗壓強度的影響Fig.5　Influence of polypropylene fiber on compressive strength and flexural strength of mortar

圖6　聚丙烯纖維摻量對砂漿吸水率的影響Fig.6　Influence of polypropylene fiber on water absorption of mortar

JF04和JF09-11號砂漿的實驗結(jié)果如圖5和圖6所示，四個配合比中，聚丙烯纖維的質(zhì)量摻量分別是0、0.04%、0.08%、0.12%，細石英砂質(zhì)量占石英砂總質(zhì)量的比例都是36%。從圖5可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，砂漿的抗折強度和抗壓強度總體上呈先增加，后降低的趨勢，相對于不摻聚丙烯纖維的砂漿，當(dāng)聚丙烯纖維的摻量為0.8%時，砂漿的28 d抗壓強度增加18%，28 d抗折強度增加10.7%；從圖6可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，砂漿的吸水率降低，但降低的幅度不大，相對于不摻聚丙烯纖維的砂漿，當(dāng)聚丙烯纖維的摻量為0.12%時，砂漿的吸水率降低幅度僅為5%。

水泥基材料是一種脆性材料，容易開裂，聚丙烯纖維的摻入，可以阻止水泥基材料塑性裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，延遲和減少砂漿內(nèi)部裂縫的出現(xiàn)，增加水泥基材料的韌性[6]，因此，在砂漿中摻入適量的聚丙烯纖維，可以提高砂漿的抗壓強度和抗折強度(對抗折強度的改善更加顯著)，降低砂漿的吸水率，使砂漿的性能得到明顯改善。不過，聚丙烯纖維的彈性模量明顯小于水泥基材料，當(dāng)聚丙烯的摻量過高時，砂漿的強度會下降。綜合上述實驗結(jié)果，聚丙烯纖維的最佳摻量是0.08%。

3.4可再分散乳膠粉對防水砂漿性能影響

圖7　可再分散乳膠粉對砂漿抗折強度和抗壓強度的影響Fig.7　Influence of redispersible latex powder on compressive strength and flexural strength of mortar

圖8　可再分散乳膠粉對砂漿吸水率的影響Fig.8　Influence of redispersible latex powder on water absorption of mortar

JF04和JF12-14號砂漿的實驗結(jié)果如圖7和圖8所示，四個配合比中，可再分散乳膠粉(5044N)的質(zhì)量摻量分別是0.8%、1.6%、2.4%、3.2%，細石英砂質(zhì)量占石英砂總質(zhì)量的比例都是36%。從圖7可知，隨著可再分散乳膠粉摻量的增加，砂漿的抗壓強度和抗折強度總體上呈下降的趨勢，開始強度下降非常顯著(0.8%～1.6%)，之后強度下降趨于平緩(1.6%～3.2%)。當(dāng)可再分散乳膠粉的摻量從0.8%增加到1.6%時，砂漿的28 d抗壓強度下降了近29.7%，28 d抗折強度下降了近21.7%。從圖7可知，可再分散乳膠粉對砂漿的吸水率有較明顯的影響，當(dāng)可再分散乳膠粉的摻量從0.8%增加到3.2%時，砂漿的吸水率從8.4%減少到7.5%，吸水率降低10.7%。

可再分散乳膠粉是一種有機聚合物，砂漿硬化后，會在砂漿內(nèi)形成聚合物膜[7,8]，聚合物膜的彈性模量比砂漿低，因此，摻入砂漿后會導(dǎo)致強度降低，可再分散乳膠粉同時也是一種表面活性劑，具有引氣效果[9]，增加砂漿的孔隙率，因此會明顯降低砂漿的抗壓強度和抗折強度，隨著可再分散乳膠粉摻量的增加，表面活性效果不再明顯增加，因此，強度降低幅度變小。可再分散乳膠粉使砂漿吸水率下降的主要原因則是，可再分散乳膠粉在砂漿中形成聚合物膜，阻斷部分連通毛細管?？稍俜稚⑷槟z粉摻量的確定還需要考慮拉伸粘結(jié)強度等指標的要求。

3.5憎水劑對防水砂漿性能影響

圖9　憎水劑對砂漿抗折強度和抗壓強度的影響Fig.9　Influence of hydrophobic agent on compressive strength and flexural strength of mortar

圖10　憎水劑對砂漿吸水率的影響Fig.10　Influence of hydrophobic agent onwater absorption of mortar

JF04和JF15-17號砂漿的實驗結(jié)果如圖9和圖10所示，四個配合比中，有機硅憎水劑的質(zhì)量摻量分別是0，0.08%、0.16%和0.24%，細石英砂質(zhì)量占石英砂總質(zhì)量的比例都是36%。由圖9可知，隨著憎水劑摻量的增加，砂漿的強度總體上呈先增加后下降的趨勢，但強度變化幅度并不大，在10%以內(nèi)。由圖10可知，憎水劑能夠明顯降低砂漿的吸水性，相對不摻憎水劑的砂漿，當(dāng)憎水劑的質(zhì)量摻量為0.24%時，砂漿的吸水率降低20%。有機硅憎水劑也是一種有機高分子材料，其彈性模量低于砂漿，因此會降低砂漿的強度，但由于摻量較低，因此對砂漿的強度影響有限；不過，憎水劑由于降低了砂漿的吸水性，減少了水對試塊強度的影響，因此，少量憎水劑會略微提高砂漿的強度。憎水劑的表面張力低，具有很強的疏水性[10,11]，均勻分布在水泥顆粒里，因此能夠明顯降低水泥的吸水率。

4　結(jié)論與建議

(1)隨著細石英砂質(zhì)量占石英砂總質(zhì)量的比例增加，砂漿的抗壓強度總體上增加，抗折強度總體上先降低后增加，吸水率總體上先降低，后增加。細石英砂質(zhì)量占石英砂總質(zhì)量的最佳比例為36%;

(2)隨著石灰石粉摻量增加，砂漿的抗壓強度增加，抗折強度先增加后降低，吸水率逐漸減小，而且，砂漿強度增加的幅度非常明顯。石灰石粉取代石英砂的最佳比例是12%;

(3)隨著聚丙烯纖維摻量增加，砂漿的抗折強度和抗壓強度總體上先增加，后降低，吸水率降低，但降低的幅度不大。聚丙烯纖維的最佳摻量是0.08%;

(4)隨著可再分散乳膠粉摻量增加，砂漿的抗壓強度和抗折強度總體上下降，吸水率有明顯的降低;

(5)隨著有機硅憎水劑摻量增加，砂漿的強度總體上先增加后下降，但強度變化幅度不大，砂漿的吸水性明顯降低;

(6)本文通過實驗確定的粗細砂比例、石灰石粉摻量、聚丙烯纖維的摻量以及可再分散乳膠粉和憎水劑對砂漿性能的影響規(guī)律，為聚合物防水砂漿的組成設(shè)計提供了依據(jù)，但論文所列出的配合比中還不能JC/T984-2011規(guī)定的吸水率要求(Ⅰ型小于6%，Ⅱ型小于4%)。結(jié)合成本因素，在后續(xù)聚合物防水砂漿的組成設(shè)計中將通過適當(dāng)增加水泥和可再分散乳膠粉的用量、同時摻入石灰石粉和聚丙烯纖維、摻入減水劑和消泡劑等方法，進一步提高聚合物砂漿的吸水率。

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Influence of Materials on the Properties of Polymer Modified Cement Mortars for Waterproof

HUANG Chun-hua1,2,JIANG Bin2,OU Zhi-hua2,LIU Sheng2

(1.School of Architecture and Art,Central South University,Changsha 410083,China;2.School of Architecture and Urban Planning,Hunan University of Technology,Zhuzhou 412007,China)

Influence of quartz sand,limestone powder,polypropylene fiber,redispersible latex powder and silicone hydrophobic agent on the strength and water absorption rate of polymer modified cement mortars for waterproof is studied in this article. The results show that improving the gradation of quartz sand and adding limestone powder and polypropylene fiber with appropriate amount to mortars may increase the strength of mortar and decrease the water absorption rate of mortar. Redispersible latex powder and silicone hydrophobic agent can decrease the strength of mortar slightly,but decrease the water absorption rate of mortar obviously.

polymer modified cement mortars for waterproof;strength；water absorption rate

十二五國家科技支撐計劃子課題項目(11BAJ03B07)；湖南省自然科學(xué)基金項目(13JJ9035)

黃春華(1967-)，女，在讀博士，教授.主要從事建筑與人居環(huán)境設(shè)計理論、建筑節(jié)能應(yīng)用研究等領(lǐng)域的教學(xué)與研究的工作.

TD985;O657

A

1001-1625(2016)02-0478-07