聚合物改型防水干混砂浆的试验研究
日期：2022-04-25
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174 核心提示：0 前言我国于20 世纪60～70 年代开始研究掺天然乳胶、丁苯胶乳、氯丁胶乳、氯偏胶乳和丙烯酸共聚胶乳的聚合物水泥砂浆,并在外墙
0 前言
我国于20 世纪60～70 年代开始研究掺天然乳胶、丁苯胶乳、氯丁胶乳、氯偏胶乳和丙烯酸共聚胶乳的聚合物水泥砂浆,并在外墙喷涂、地下工程防漏防潮及某些特殊工程上使用。例如, 我国水利部门利用丙稀酸乳液和醋酸乙烯共聚乳液对水库大坝进行修补, 其工程耐久性已达10 年以上[1～4]。但是由于聚合物的掺量较大, 聚合物水泥基材料的应用受到一定限制。目前,国内外常用纤维素醚作为水泥基复合材料的外加剂, 就大大地降低了聚合物的掺量, 节约了成本。另一方面, 有些聚合物的掺入使砂浆收缩大大增加, 致使墙体开裂和渗漏问题严重, 影响了工程质量和正常使用, 制约了推广应用。本文借鉴建筑砂浆的现代化生产技术[5], 从降低吸水率和提高抗渗性着手, 研制防水干粉砂浆复合添加剂, 克服纤维素醚和VAE 在单独使用时所造成的缺陷, 提高新型墙体材料砌体的抗裂能力。
1 试验原料及方法
1.1 试验原料
( 1) 水泥: 本试验主要采用的是焦作坚固水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥( 见表1) ;
( 2) 砂: 砂子的含水量为1.8%、含泥量为3.1% 、细度模数为2.75 的中砂;
( 3) 可再分散乳胶粉: 上海尚南贸易有限公司生产的VINNAPASRE5010N, 其规格和性质见表2;
( 4) 减水剂: 河南焦作协力建材生产的FDN- 8000;
( 5) 膨胀剂: 焦作协力建材生产的UEA 膨胀剂;
( 6) 聚合物乳液: 聚醋酸乙烯- 乙烯共聚物(VAE) ;
( 7) 纤维素醚: HPMC。
1.2 试验方法
对于防水干混砂浆重要的是砂浆的抗渗能力、施工难易程度。本文考察了砂浆的强度、抗渗压力、粘结强度和吸水率。参考《聚合物改型水泥砂浆试验规程》(DL/T5126-2001) 的试验方法测定砂浆的抗压强度、抗折强度、吸水率。抗渗试验采用上口直径70mm, 下口直径80mm, 高度为30mm 的试膜成型后经24h 湿气养护, 然后脱膜并放入养护向中继续养护至28d, 进行透水试验。
粘结强度试验参照日本材料学会《非结构用聚合物水泥砂浆的标准实验方法》进行。试验采用40mm×40mm×160mm 尺寸。基准砂浆也采用上述尺寸, 配合比为水泥: 砂: 水=1: 2: 0.5,成型后同胶砂试验, 标准养护后, 将试件用切割机切成两半, 并在砂轮上修正。基准砂浆的粘贴面在浇筑前保持湿润, 把新拌的砂浆浇筑到40mm×40mm×80mm 的基准砂浆断面上, 成型出40mm×40mm×160mm 的砂浆, 喷淋洒水薄膜养护3d 后脱膜, 而后薄膜养护到28d。28d 后按抗折强度的方法测定粘结抗折强度。
2 试验结果及分析
2.1 可分散性乳胶粉对砂浆基本性能的影响
其试验数据如表3 所示:
从表3 可以看出随着Re5010N 掺量的增加, 砂浆拌合物的需水量增加, 流动性下降, 这是因为聚合物乳胶粉入水溶解后,分子量很大, 粘结力也很大, 导致砂浆的粘聚性增加, 流动性下降。
从图2 可知, 砂浆的粘结强度随着可分散性乳胶粉掺量的增加而增加, 在掺量为0.25%时砂浆的粘结强度比掺量为0.15%时提高了近3 倍。由图3 可知, 随着Re5010N 掺量的增加砂浆的抗渗压逐渐增加, 但是变化不大, 掺量从0.15%到0.3%时, 抗渗压力增加了0.22MPa, 由于水泥用量的减少而砂浆用水量保持不变, 砂浆中水灰比相应地变大, 这就使水泥石中含有许多大毛细孔, 虽然高分子聚合物具有一定的成膜性, 可以填塞、截断、细化一部分大毛细孔, 但砂浆基体中大孔含量还是较大,并终导致可再分散乳胶粉对砂浆的抗渗性能的改善没有体现出来。随着可分散乳胶粉掺量的增加, 砂浆的早期膨胀增大, 后期收缩减小, 说明可在分散乳胶粉改性防水砂浆能够促进膨胀剂的膨胀值并终减少防水砂浆的收缩, 提高防水砂浆抗开裂能力。
3.2 VAE 对砂浆基本性能的影响
从图4 可以看出, 抗渗压成增大趋势, 到掺量为0.44%时变化幅度又趋于平缓。抗渗性能由开始的1.42MPa, 在加入VAE的掺量0.44%时, 竟达到1.96MPa, 提高了38%, 这个数字是相当可喜的, 已经能满足大部分工程、建筑的抗渗要求。说明VAE的加入对抗渗性能的提高起了很大的作用, 效果非常显著。况且加入量又不大, VAE 的量加到0.7%, 其抗渗能力也就是提高了0.08 MPa。从经济方面考虑, 不合算。由于聚合物的加入, 引入了一些气泡。使砂浆的密实度有所降低, 导致其抗压、抗折强度下降。综合考虑, VAE 的掺量在0.44%时, 其28d 抗压、28d 抗折、粘结强度都达到了比较高的值。达到了改善干混砂浆的目的, 起到了抗渗防水的作用。从成本上看, 也比较经济划算。
2.3 HPMC 对砂浆基本性能的影响
从表5 可知其吸水率逐渐降低, 因为加入纤维素醚后, 砂浆的保水性显著提高, 毛细孔变小或者中断, 砂浆的毛细孔吸水系数变小, 且随纤维素醚掺量的增大, 改性砂浆的吸水系数逐渐减小。
3 机理分析
3.1 可分散性乳胶粉的作用机理
为更好的理解其作用机理先分析乳胶的成膜机理。图5 所示的简化图形说明了聚合物乳液成膜过程中的不同阶段:
初始乳液——— 颗粒以布朗运动的形式自由移动。
阶段——— 随着水分的蒸发, 颗粒的移动自然受到了越来越多的限制, 水与空气的界面张力促使它们逐渐排列在一起。
第二阶段———颗粒开始相互接触时, 网络状的水分通过毛细管蒸发, 施加于颗粒表面的高毛细张力引起乳胶球体的变形使它们熔合在一起, 剩余的水分填充在孔隙中, 膜大致形成。
第三阶段——— 后阶段是聚合物分子的扩散(有时称为自粘性)形成真正的连续膜。
聚合物乳胶粉在聚合物改性砂浆中的成膜过程如图5 所示: 聚合物乳胶粉分布在搅拌均匀的干混砂浆中, 砂浆加水搅拌后聚合物粉末重新分散到新拌浆体内而再次乳化; 由于水泥的水化、表面蒸发或基层的吸收造成内部孔隙自由水分不断消耗,使乳胶颗粒干燥后在水中形成不溶于水的连续膜, 这种连续膜是通过乳液中单一分散的颗粒融合成均质体而形成的。从显微结构照片可以发现乳胶膜分布在砂浆中不同的位置, 包括基层- 砂浆界面、孔隙之间、孔壁周围、水泥水化产物之间、水泥颗粒周围、集料周围和集料- 砂浆界面。正是这些分布在聚合物改性砂浆中的乳胶粉膜使其获得了刚性水泥砂浆无法具备的特性。由于乳胶膜具有自拉伸机制, 可对其基层或砂浆锚接之处施加拉力。在聚合物改性砂浆与基层的界面, 这种作用可以改善砂浆与不同基层的粘结性能。在砂浆的内部这样的作用可以将其保持为一个整体, 换言之, 砂浆的内聚强度提高了。高柔性和高弹性聚合物区域的存在对砂浆粘结性能和柔性有明显的改善。随着可再分散胶粉掺量的增加, 砂浆与基层的粘结强度获得显著提高; 而砂浆本身的弹性模量明显下降, 说明其柔性获得了改善。
乳胶膜可对基层- 砂浆界面的收缩裂缝进行桥连并使收缩裂缝得以愈合。提高砂浆的封闭性。提高砂浆的内聚强度: 高柔性和高弹性聚合物区域的存在改善了砂浆的柔性和弹性, 为刚性的骨架提供了内聚性和动态行为。当施加作用力时, 由于柔性和弹性的改善会使微裂缝推迟, 直到达到更高的应力时才形成。互相交织的聚合物区域对微裂缝合并为贯穿裂缝也有阻碍作用。因此, 可再分散胶粉提升了材料的破坏应力和破坏应变。
3.2 VAE 的憎水机理
3.2.1 憎水概念及原理
憎水这一概念源于希腊文,也即“拒水”的意思, 也就是说,如将水洒到憎水型材料的表面, 这些水会形成许多小点滴或成珠状, 与基面材料形成一特别小的接触面, 类似于水在荷叶上面形成水珠一样。这样在材料表面所形成的水珠, 通过其在材料表面上的滚动效应, 可以将粘附在表面的脏物粒子吸附到水珠的表面, 从而对基体材料的表面起到清洁的作用。也即赋予该材料表面所谓“荷叶型自清洁效应”。通过运用现代建筑化学的先进技术将这一荷叶型自清洁原理引入到建筑材料中, 而研制的所谓憎水型建筑材料, 如憎水型防水剂, 憎水型水泥以及在德国建筑市场广泛使用的憎水型干混砂浆( 憎水型砂浆, 憎水型外墙抹灰砂浆, 砌筑砂浆, 憎水型瓷砖粘结剂, 填缝剂等) , 憎水型混凝土等系列建材产品。该类水泥基憎水型材料, 对外能抵抗外部水分对水泥基内部的侵蚀及渗透, 但同时又不封死水泥基内水汽蒸发的通道, 从而也即保持水泥基材料畅通的呼吸功能, 有利于墙体及室内潮气的向外蒸发,具有优良的防水抗渗及透气功能。荷叶自清洁效应来源于荷叶表面有一层聚合物基团, 该基团的尺寸大小介于纳米范围内, 也即在纳米数量级形成一个十分粗糙的表面针状构造, 从而使脏物很难在这样的表面有立足之地。其机理见图7 和图8。
与荷叶自清洁效应相类似的是由于憎水型活性化学物质的存在, 在憎水型材料的微观表面形成针尖状聚合物基团层, 由于该基团层的形成, 就大大地降低了憎水型基面的界面能。根据拉普拉斯原理, 水珠在固体材料表面形成接触角( 参照图9) 的计算公式如下:
图中
σF/W———固体与水所形成界面的界面能
σF/L———固体与空气所形成界面的界面能
σW/L———水与空气所形成界面的界面能
如α=0°也即说明水珠在固体材料表面形成单分子层的接触, 形成所谓的亲水层结构, 当α=180°时, 也即水珠与固体材料成几乎为点接触, 形成所谓的超级憎水层结构。也就是说随着固体材料界面能的降低(σF/L↓) , 其相对应的接触角, 就会逐步增大, 也即材料表面的憎水性能就会进一步提高。从拉普斯拉原理出发, 在实际工程应用中, 人们普遍利用Künzel 值, 也即材料的吸水系数W 值这一直观的物理概念。来检测判断材料的憎水性能。
如W> 2kg/m2·h1/2, 则材料为吸水型2kg/m2·h1/2 >W>0.5 kg/m2·h1/2, 则材料为疏水型0.5kg/m2·h1/2≥W, 则材料为憎水型。也就是说如果一种材料在一定的时间间隔内, 其单位面积所吸收的水份愈少, 其相应的憎水性能就愈好, 当W 值小于0.5kg/m2·h1/2 时, 该类材料就可定义为憎水型材料。
3.2.2 聚合物乳液的憎水作用机理
聚合物乳液与干粉砂浆一起拌合时, 聚合物乳液均匀的分散于水泥浆相中。由于水泥的水化凝胶逐步形成, 水相由水化过程中的氢氧化钙饱和, 氢氧化钙和骨料中的二氧化硅反应生成硅酸钙层, 而聚合物颗粒部分沉积在水泥凝胶———未水化的水泥颗粒混合物表面。由于水泥凝胶结构的增大导致排水, 聚合物颗粒逐步约束在毛细孔中, 随着水泥进一步水化, 毛细水减少,聚合物颗粒絮凝在水泥凝胶———未水化的水泥颗粒混合物表面形成聚合物颗粒连续密堆积层, 同时粘结到混合物和砂粒表面的硅酸盐层上。聚合物颗粒以化学键与水泥水化产物结合在一起, 而具有憎水性的烷基朝向外侧, 降低砂浆基体重毛细孔表面张力, 使水覆盖此表面的能量势垒增加。达到防水的目的。从试验测得其吸水系数为0.34kg/m2·h1/2 =W≤0.5kg/m2·h1/2, 则砂浆达到憎水性材料的要求。图10 为所试验得出的憎水性防水干混砂浆。
通过水泥水化使水排出, 水泥水化物表面上的密堆集聚合物颗粒聚结成连续膜, 这个膜把水泥水化物粘结在一起形成一个整体网络, 网络中聚合物形成的膜贯穿于整个水泥水化相中,形成具有结构密封性能优良的聚合物水泥砂浆。由于聚合物水泥砂浆中的微裂纹由形成的聚合物膜所搭接, 同时使水泥水化物与砂浆牢固粘结, 聚合物膜良好的柔韧性, 水泥水化物与聚合物膜的整体网络使聚合物水泥砂浆的抗压、抗折强度有所增加。
4 结论
( 1) 乳胶粉对砂浆的影响: 可再分散乳胶粉( 本试验用的是RE5010N) 可以较好的改善砂浆的粘聚性, 提高材料的粘结力、内聚力; 降低材料的吸水性、降低材料的弹性模量; 增强材料的抗折强度、抗冲性、耐磨性和耐久性; 提高材料的施工性能。其掺量为0.25%时, 既能达到预期目的, 又经济。
( 2)VAE 对砂浆性能的影响: 由于可再分散乳胶粉对砂浆抗渗性能提高不大, VAE 主要提高砂浆的抗渗防水能力, 同时提高其抗折和抗压强度。由试验得出其掺量为0.44%时, 性价比比较高。
( 3) PMC 对砂浆性能的影响: 主要是提高砂浆的保水性, 对粘结强度和抗渗性能也有所提高。降低吸水率。
( 4) 防水砂浆佳配合比: 通过以上试验, 优化出复合化学添加剂的佳配比为: 水灰比0.487: 1; 灰砂比1: 2.5; FDN 掺量0.825%; 膨胀剂掺量8%; 乳胶粉掺量0.25%; VAE 的掺量0.44%; PMC 的掺量0.6%。砂浆能获得优的综合性能, 达到抗渗防水的要求。
