聚合物改性剛性防水砂漿配方優(yōu)化研究

潘偉，段瑜芳［瓦克化學(xué)（中國）有限公司，上?！?00233］

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聚合物改性剛性防水砂漿配方優(yōu)化研究

潘偉，段瑜芳
［瓦克化學(xué)（中國）有限公司，上海200233］

摘要：試驗(yàn)制備了不同顆粒級(jí)配、不同礦物摻合料組成、不同憎水劑改性的剛性防水砂漿，研究了顆粒級(jí)配、礦物摻合料組成和憎水方案對砂漿力學(xué)強(qiáng)度、抗?jié)B和吸水率的影響。

關(guān)鍵詞：可再分散乳膠粉；剛性防水砂漿；抗?jié)B；吸水率

0 引言

建筑物滲漏一直是困擾建筑質(zhì)量的通病，為保證建筑結(jié)構(gòu)的長期耐久性，必須采取相關(guān)措施保證防水密封，在多種防水材料中，水泥基防水砂漿作為無機(jī)材料占主要組成的材料體系，具有耐久性能方面的優(yōu)勢。在防水砂漿中，水泥水化產(chǎn)生的硬化體結(jié)構(gòu)作為骨架提供整體抗?jié)B壓力、與潮濕基面的粘接力，耐久性，長期的抗折和抗壓強(qiáng)度增長［1］；聚合物通過在硬化體結(jié)構(gòu)孔隙和界面區(qū)域成膜，增強(qiáng)體系的內(nèi)聚力、密實(shí)度和柔韌性，改善砂漿的粘接強(qiáng)度、抗?jié)B壓力和吸水率等性能［2］。但市場上也有使用未摻聚合物的防水砂漿的情況。

根據(jù)所使用的聚合物類型，聚合物改性防水砂漿可分為單組分砂漿（使用可再分散乳膠粉）和雙組份砂漿（使用聚合物乳液）2種。雙組份砂漿在使用過程中會(huì)遇到計(jì)量準(zhǔn)確性和運(yùn)輸、包裝等方面的問題［3］。而單組份防水砂漿對施工條件適應(yīng)性更強(qiáng)，只需加水?dāng)嚢杓纯墒褂茫谶@些原因，單組份防水砂漿逐漸受到青睞。根據(jù)使用范圍與技術(shù)性能的不同，單組份防水砂漿又可分為剛性和柔性2種。其中，剛性防水砂漿主要應(yīng)用于尺寸穩(wěn)定且無移動(dòng)或開裂危險(xiǎn)的吸水性基面上的防水工程，如地下室墻面、游泳池、潮濕房間墻地面等［4］。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料與試驗(yàn)配方

42.5 級(jí)普硅水泥；石英砂（40～70目、50～100目、70～140目）；聚羧酸系減水劑；粉末消泡劑；MC：黏度75 000 mPa·s；N型乳膠粉，市售；重鈣：325目，粉煤灰：Ⅱ級(jí)，比表面積4800 cm2/g；硅灰：平均粒度90 nm，比表面面積15～20 m2/g；S型有機(jī)硅憎水劑，某公司生產(chǎn)；VINNAPAS 5048H可再分散乳膠粉，瓦克化學(xué)有限公司生產(chǎn)。試驗(yàn)配方見表1。

表1 剛性防水砂漿的試驗(yàn)配方　g

1.2 試驗(yàn)方法

抗壓、抗折強(qiáng)度按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》、拉伸粘結(jié)強(qiáng)度按JC/T 907—2002《混凝土界面處理劑》、抗?jié)B壓力按GB 23440—2009《無機(jī)防水堵漏材料》、吸水率按DLT 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》、凝結(jié)時(shí)間按GB/T 1346—2001《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 砂的選擇

試驗(yàn)之初，采用40～70目、70～140目2種粒徑的石英砂（1#配方），考慮砂漿吸水率受到硬化體結(jié)構(gòu)密實(shí)程度的影響，增加50～100目粒徑的石英砂（2#配方），并參照富勒曲線進(jìn)行最密堆積設(shè)計(jì)，比較不同顆粒級(jí)配條件下砂漿抗?jié)B壓力和吸水率的變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可見，相比2種粒徑砂級(jí)配的1#配方砂漿，采用3種粒徑砂級(jí)配的2#配方砂漿，涂層7d、試件7d和28d的抗?jié)B壓力均提高，1#和2#配方砂漿3類抗?jié)B壓力均符合JC/T 984—2011《聚合物水泥防水砂漿》的Ⅱ型要求，采用3種粒徑砂級(jí)配使得砂漿的吸水率明顯降低，但仍無法滿足Ⅰ型或Ⅱ型產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求，這表明合理的顆粒級(jí)配有助于密實(shí)砂漿硬化體結(jié)構(gòu)、減小砂漿的吸水率，但單純依靠調(diào)整顆粒級(jí)配無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。這是因?yàn)楦咚嘤昧繒r(shí)，水泥水化所形成的硬化體結(jié)構(gòu)含有較多孔隙，配方中的石英砂僅能夠填充部分孔隙。通過摻加1.5%的憎水型可再分散乳膠粉5048H（3#配方），將砂漿的吸水率降至5.8%，符合標(biāo)準(zhǔn)對Ⅰ型產(chǎn)品的要求（＜1.6%）。

圖1 防水砂漿抗?jié)B壓力隨顆粒級(jí)配的變化

圖2 防水砂漿吸水率隨顆粒級(jí)配的變化

2.2 礦物摻合料的選擇

礦物摻合料的顆粒粒徑及分布與水泥有所區(qū)別，可以發(fā)揮它們的顆粒填充和密實(shí)結(jié)構(gòu)作用以降低砂漿吸水率、增大抗?jié)B壓力。在本實(shí)驗(yàn)中，選擇粉煤灰（FA）和硅灰（SF）進(jìn)行單摻和復(fù)摻試驗(yàn)（4#～12#配方）。單摻10%、15%和20%（內(nèi)摻，占水泥質(zhì)量比例，下同）的粉煤灰；單摻5%、10%和20%的硅灰；復(fù)摻總摻量20%的粉煤灰+硅灰（兩者質(zhì)量比分別為3∶1、1∶1和1∶3），測試礦物摻合料組成對砂漿抗?jié)B和吸水率的影響。根據(jù)JC/T 984—2011，當(dāng)產(chǎn)品使用厚度不大于5mm時(shí)只需測試涂層試件抗?jié)B壓力，考慮到通常剛性防水砂漿的施工厚度僅2mm左右，因此后續(xù)試驗(yàn)中，只測試涂層7d抗?jié)B壓力，結(jié)果如圖3所示。

圖3 防水砂漿涂層7 d抗?jié)B壓力隨礦物摻合料種類和摻量的變化

由圖3可見，單摻5%硅灰時(shí)，抗?jié)B壓力保持不變，當(dāng)硅灰摻量較高時(shí)，抗?jié)B壓力急劇降低；復(fù)摻粉煤灰和硅灰，當(dāng)粉煤灰與硅灰質(zhì)量比為1∶3時(shí)，抗?jié)B壓力有所增大，復(fù)摻其它比例的粉煤灰和硅灰，抗?jié)B壓力均大幅降低。

圖4為單摻粉煤灰、硅灰，復(fù)摻粉煤灰和硅灰對砂漿吸水率的影響。

圖4 吸水率隨礦物摻合料種類和摻量的變化

由圖4可見，單摻不同摻量的粉煤灰，防水砂漿的吸水率基本不變；單摻5%硅灰時(shí)，吸水率降低，但當(dāng)摻量繼續(xù)增加時(shí)，吸水率逐漸增大；復(fù)摻不同比例的粉煤灰和硅灰，吸水率基本不變。

由抗?jié)B和吸水率測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，單摻粉煤灰對于吸水率基本沒有影響，但卻導(dǎo)致抗?jié)B壓力的大幅降低。

粉煤灰的主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3，通過掃描電鏡觀察［5］，粉煤灰由多種粒子構(gòu)成，不規(guī)則玻璃體是粉煤灰中較多存在的顆粒。需要通過水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2對粉煤灰進(jìn)行堿激發(fā)，破壞玻璃體以釋放出被包裹的活性顆粒，從而促進(jìn)水化反應(yīng)的進(jìn)行。已有文獻(xiàn)［6］指出，即使水泥水化產(chǎn)物中有充足的Ca（OH）2，粉煤灰的火山灰反應(yīng)仍很慢。因此，粉煤灰取代水泥相比純水泥體系使得早期水化產(chǎn)物減少，硬化體結(jié)構(gòu)形成時(shí)間延長、硬化體強(qiáng)度發(fā)展緩慢。粉煤灰的顆粒填充和密實(shí)作用與其對于早期強(qiáng)度和硬化體結(jié)構(gòu)形成的不利影響共同作用，總體上后者的影響更大，導(dǎo)致單摻粉煤灰反而產(chǎn)生不利影響。

硅灰是冶煉硅鐵合金和工業(yè)硅時(shí)產(chǎn)生的SiO2和Si氣體與空氣中的氧氣迅速氧化并冷凝而形成的一種超細(xì)硅質(zhì)粉體材料，硅灰比表面積高達(dá)（1.5～2.0）×105cm2/g，平均粒徑小于0.1 μm，約為水泥粒徑的1/50～1/100。硅灰的主要化學(xué)成分為非晶態(tài)的無定型SiO2，一般占90%以上［7］。超細(xì)無定型SiO2具有較高的火山灰活性，即在水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2的堿性激發(fā)下，SiO2能迅速與Ca（OH）2反應(yīng)，生成水化硅酸鈣凝膠（CS-H），提高砂漿強(qiáng)度并改善砂漿性能。

硅灰雖然能夠有效地改善硬化水泥漿體微結(jié)構(gòu)，但是由于硅灰的粒徑小，比表面積大，水泥漿體摻入硅灰后，隨著硅灰摻量的增加，需水量增大，自收縮也增大。因此，一般需要將硅灰的摻量限制在一定范圍內(nèi)。由圖3、圖4測試結(jié)果可以看出，在剛性防水砂漿中單摻硅灰，摻量不宜超過5%。

將粉煤灰和硅灰復(fù)摻，可以利用硅灰高活性的特點(diǎn)，降低由于粉煤灰早期活性較低所導(dǎo)致的早期強(qiáng)度低、硬化體結(jié)構(gòu)形成不充分的不利影響。同時(shí)，利用粉煤灰的顆粒潤滑作用減少用水量，粉煤灰對于摻入硅灰可能出現(xiàn)的強(qiáng)烈收縮開裂也有一定的遏制作用。

基于前期的試驗(yàn)結(jié)果，在本實(shí)驗(yàn)中，主要研究100%水泥（13#、14#配方）、95%水泥+5%硅灰（15#、16#配方）、80%水泥+ 5%粉煤灰+15%硅灰（17#、18#配方）這3種膠凝材料體系。

2.3 憎水方案的選擇

防水砂漿中的水泥用量通常較高（＞40%），而水泥的親水性較強(qiáng)，沒有經(jīng)過聚合物改性的砂漿硬化體表面是不憎水的。另外，由于水泥的彈性模量較高，較高的水泥用量會(huì)產(chǎn)生較大的收縮，增加砂漿出現(xiàn)開裂的風(fēng)險(xiǎn)，而砂漿開裂則會(huì)進(jìn)一步加劇其防水性能不佳的缺點(diǎn)。

摻加可再分散乳膠粉，可以提高砂漿的柔韌性，減少砂漿由于體積收縮、溫濕度變化或外應(yīng)力作用而導(dǎo)致的開裂，減少了外部水進(jìn)入硬化體結(jié)構(gòu)的通道?？稍俜稚⑷槟z粉中的乳膠粒子在水泥及其它粉體界面過渡區(qū)空隙中凝聚成膜，使砂漿體系界面過渡區(qū)更為致密，改善其耐水性。同時(shí)，可再分散乳膠粉再分散后產(chǎn)生的活性基團(tuán)，可與水泥水化產(chǎn)物中的Ca2+、Al3+等發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成特殊的橋鍵作用，改善水泥砂漿硬化體的物理組織結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)砂漿界面的致密性［8］。然而，對于防水砂漿而言，為了達(dá)到JC/T 984—2011要求的吸水率（Ⅰ型≤6%，Ⅱ型≤4%），需要較高摻量的通用型膠粉［9］，也可以通過復(fù)摻通用型膠粉和憎水劑來提高砂漿的憎水性能。

本試驗(yàn)中，采用了2種憎水性方案：（1）復(fù)摻2.5%通用型可再分散乳膠粉（N）和0.2%S型有機(jī)硅憎水劑（HA）（14#、16#、18#配方）；（2）單摻2.5%憎水型可再分散乳膠粉5048H（13#、15#、17#配方）。比較2種憎水性方案對防水砂漿拉伸粘結(jié)強(qiáng)度、抗折抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B壓力和吸水率的影響，結(jié)果分別見圖5～圖8。

由圖5可見，在純水泥體系、水泥+硅灰體系、水泥+粉煤灰+硅灰體系中，相比復(fù)摻通用型可再分散乳膠粉和有機(jī)硅憎水劑，單摻憎水型可再分散乳膠粉5048H防水砂漿的7 d 和28 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度均提高100%左右。在3種膠凝材料體系中，復(fù)摻通用型可再分散乳膠粉和有機(jī)硅憎水劑，7 d和28 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度均不符合JC/T 984—2011中Ⅰ型要求的0.8 MPa和1.0 MPa。

圖5 防水砂漿拉伸粘結(jié)強(qiáng)度隨憎水性方案的變化

圖6 抗折、抗壓強(qiáng)度隨憎水方案的變化

由圖6可見，在純水泥體系、水泥+硅灰體系、水泥+粉煤灰+硅灰體系中，復(fù)摻通用型可再分散乳膠粉和有機(jī)硅憎水劑，抗折和抗壓強(qiáng)度僅能達(dá)到Ⅰ型產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求，相比之下，單摻憎水型可再分散乳膠粉5048H，抗折和抗壓強(qiáng)度均有所提高，其中抗壓強(qiáng)度增幅明顯，抗折和抗壓強(qiáng)度均符合Ⅱ型產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求。這與文獻(xiàn)［10］的研究結(jié)果相吻合，這可能是因?yàn)樵撚袡C(jī)硅憎水劑缺少聚合物的包裹。

圖7 防水砂漿涂層7 d抗?jié)B壓力隨憎水方案的變化

由圖7可見，在水泥+硅灰體系中，采用不同憎水方案的砂漿涂層7 d抗?jié)B壓力相同。在純水泥體系、水泥+粉煤灰+硅灰體系中，相比復(fù)摻通用型可再分散乳膠粉和有機(jī)硅憎水劑，單摻憎水型可再分散乳膠粉5048H的砂漿，涂層7 d抗?jié)B壓力大幅升高。

圖8 防水砂漿吸水率隨憎水方案的變化

由圖8可見，在純水泥體系、水泥+硅灰體系、水泥+粉煤灰+硅灰體系中，復(fù)摻通用型可再分散乳膠粉和有機(jī)硅憎水劑的吸水率均達(dá)不到JC/T 984—2011對Ⅰ型產(chǎn)品的要求，而單摻憎水型可再分散乳膠粉5048H可以獲得明顯低于Ⅰ型標(biāo)準(zhǔn)要求（≤6%）的吸水率，但若要符合Ⅱ型（≤4%）要求，需進(jìn)一步增加憎水型可再分散乳膠粉5048H的摻量。

綜合圖5～圖8測試結(jié)果，相比復(fù)摻通用型可再分散乳膠粉和有機(jī)硅憎水劑，單摻憎水型可再分散乳膠粉5048H，防水砂漿7 d和28 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度、28 d抗折和抗壓強(qiáng)度、涂層7 d抗?jié)B壓力、吸水率等性能均能更好地符合標(biāo)準(zhǔn)對Ⅰ型產(chǎn)品的要求。

有機(jī)硅憎水劑的憎水機(jī)理在于：在水泥水化后的高堿性環(huán)境下，有機(jī)硅憎水劑分子中親水的有機(jī)官能團(tuán)水解形成具有高反應(yīng)活性的硅烷醇基團(tuán)，一部分硅醇基團(tuán)能與水泥砂漿顆粒表面的—OH發(fā)生化學(xué)偶聯(lián)作用；另一部分的硅醇基團(tuán)自身可發(fā)生縮合反應(yīng)，形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)［10］。

然而，文獻(xiàn)［11-13］也指出，有機(jī)硅憎水劑對砂漿具有緩凝作用，并且隨其摻量的增加，緩凝作用進(jìn)一步增強(qiáng)。這可能是因?yàn)橛袡C(jī)硅防水劑在水泥顆粒表面形成疏水的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，延緩了水泥的水化速度，使C-S-H凝膠和Ca（OH）2的形成速度變慢。為了驗(yàn)證這一結(jié)論，本實(shí)驗(yàn)測試了3種膠凝材料體系在不同憎水性方案下的初凝和終凝時(shí)間，結(jié)果如圖9所示。

圖9 防水砂漿凝結(jié)時(shí)間隨憎水性方案的變化

由圖9可見，在純水泥體系、水泥+硅灰體系、水泥+粉煤灰+硅灰體系中，單摻憎水型可再分散乳膠粉5048H，砂漿的初凝和終凝時(shí)間均符合JC/T 984—2011標(biāo)準(zhǔn)要求，而復(fù)摻通用型可再分散乳膠粉和有機(jī)硅憎水劑的初凝和終凝時(shí)間明顯延長，其中，終凝時(shí)間均超出標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍（＜24 h）。由此推斷，有機(jī)硅憎水劑較強(qiáng)的緩凝作用導(dǎo)致防水砂漿的7 d、28 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度、抗折和抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)大幅降低。同時(shí)，由于水泥水化不充分，形成的水化產(chǎn)物不足以充分填充硬化體結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙，使得硬化體結(jié)構(gòu)致密程度較低，導(dǎo)致抗?jié)B壓力較低、吸水率較高。雖然有機(jī)硅憎水劑可以通過其分子水解產(chǎn)生的硅烷醇基團(tuán)同水泥水化產(chǎn)物中的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且硅烷醇基團(tuán)縮合形成疏水性交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，發(fā)揮一定的憎水作用，但仍然不足以消除由于其強(qiáng)烈緩凝作用所導(dǎo)致的水泥硬化體結(jié)構(gòu)缺陷對于憎水性的負(fù)面影響。

VINNAPAS 5048H作為一款憎水型可再分散乳膠粉，具備傳統(tǒng)膠粉的柔韌性，并且新增了較強(qiáng)的憎水性。與未摻膠粉的防水砂漿試樣相比，摻入5048H，使得防水砂漿的抗折強(qiáng)度有所提高、抗壓強(qiáng)度小幅減小、抗?jié)B壓力明顯提高、吸水率大幅降低。隨著5048H摻量的增加，抗折、抗?jié)B和吸水率性能進(jìn)一步得到改善，而抗壓強(qiáng)度繼續(xù)小幅降低［9］。相比復(fù)摻通用型膠粉和有機(jī)硅憎水劑，單摻5048H更適合用于配制高性能剛性防水砂漿。

3 結(jié)論與展望

（1）通過調(diào)整砂漿顆粒級(jí)配、摻加1.5%憎水型可再分散乳膠粉5048H，使得防水砂漿的吸水率符合JC/T 984—2011對Ⅰ型產(chǎn)品的要求；

（2）單摻5%硅灰，復(fù)摻質(zhì)量比1∶3、總摻量20%的粉煤灰和硅灰，均使得砂漿的抗?jié)B壓力和吸水率得到明顯改善；

（3）在純水泥體系、水泥+硅灰體系、水泥+粉煤灰+硅灰體系中，相比復(fù)摻2.5%通用型可再分散乳膠粉和0.2%有機(jī)硅憎水劑，單摻2.5%憎水型可再分散乳膠粉5048H，防水砂漿可以獲得更低的吸水率、更高的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度、抗折抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B壓力。

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Research on formulation optimization of polymer modified rigid water proofing mortar

PAN Wei，DUAN Yufang
［Wacker Chemistry（China）Co. Ltd.，Shanghai 200233，China］

Abstract：Rigid water proofing mortars with different powder radius distribution，different mineral additives compositions and different hydrophobicity modifications were made，the influence of powder radius distribution，mineral additives compositions and hydrophobicity modifications on mechanical strength，permeability and water adsorption rate were studied.

Key words：redispersible powder，rigid water proofing mortar，permeability，water adsorption rate

中圖分類號(hào)：TU57+8.12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-702X（2016）03-0053-05

收稿日期：2016-01-16

作者簡介：潘偉，男，1981年生，江蘇金湖人，博士。