偏高嶺土對聚合物防水砂漿性能的影響研究

蓋廣清，蘇東坡，白體新

（1. 吉林建筑大學 材料科學與工程學院，吉林 長春 130118；2. 建筑材料工業技術情報研究所，北京 100024）

0 引言

偏高嶺土（簡稱 MK，分子式 Al2O3·2SiO2），其成分 90% 以上為 SiO2和 Al2O3，是一種硅鋁無定型相活性材料[1]。偏高嶺土是由高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O）高溫煅燒脫羥基生成的一種白色粉末礦物。偏高嶺土具備火山灰活性，其活性 SiO2和活性 Al2O3能夠與水泥水化產物 Ca(OH)2反應生成 CSH 和 CASH 等凝膠物質，促進水泥水化作用，細化孔結構減小孔隙度，從而改善砂漿的強度、抗滲性和抗腐蝕性等性能[2-4]。本課題研究偏高嶺土摻入聚合物防水砂漿對其物理性能、力學性能和耐久性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

水泥：吉林鼎鹿牌 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥。

砂：細度模數 2.75，含水率 0.09%，普通河砂。

纖維：聚丙烯纖維，短切單絲束狀，長度 8mm，河北恒通。

纖維素醚：甲基羥乙基纖維素醚，赫克力士天普。

聚合物：瓦克 5010N 可分散乳膠粉。

偏高嶺土（MK）：鞏義市辰義耐磨材料有限公司生產，細度分別為：400 目、800 目、1250 目、1500目，活性指數≥110，其化學組成成分如表 1。

拌合水：自來水。

表1 偏高嶺土的化學組成 %

1.2 試驗方法

本課題主要研究偏高嶺土對聚合物防水砂漿性能的影響，性能分析指標為：工作性能（稠度、分層度）、力學性能（抗壓、抗折強度）、耐久性能（抗滲、抗硫酸鹽腐蝕、抗碳化、抗氯離子滲透）。測試砂漿稠度和分層度工作性能，依據JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》[5]；測試砂漿力學性能，依據（ISO 法）GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》[6]；測試耐久性能，依據 JC/T 984—2011《聚合物水泥防水砂漿》[7]。

2 試驗結果與分析

本試驗采用 400 目（MK-A）、800目（MK-B）、1250目（MK-C）、1500目（MK-D）四種細度的偏高嶺土進行試驗，采用等量單摻的方法取代水泥，摻量依次取：5%、10%、15%、20%、25%、30%，試驗組編號依次：MK-A-1～MK-A-6；MK-B-1～MK-B-6；MKC-1～MK-C-6；MK-D-1～MK-D-6；其空白組（M）偏高嶺土摻量為 0%。通過測試得出聚合物防水砂漿的 W/C、稠度、分層度、抗折抗壓強度、抗滲壓力的試驗數據，見表 2。

2.1 偏高嶺土對聚合物防水砂漿物理性能的影響

由圖 1 a）可以得知，偏高嶺土的加入使砂漿的需水量發生改變，同時偏高嶺土的粒徑對砂漿需水量有一定影響，細度為 400 目和 800 目的偏高嶺土加入砂漿后，砂漿需水量成線性增加；細度為 1250 目和 1500 目的偏高嶺土加入砂漿后，隨著摻量的砂漿需水量增加開始稍微有所減小，隨后開始增大 W/C 達到最大值 0.46后又開始降低。由圖 1 b）可以得知，偏高嶺土的加入影響砂漿的稠度變化，細度為 400 目和 800 目的偏高嶺土摻入增大了砂漿的稠度，細度為 1250 目和 1500 目的偏高嶺土摻入減小砂漿稠度。由圖 1 c) 可以得知，砂漿的分層度因偏高嶺土的摻入而改變，同時細度造成的影響更大，細度為 400 目和 800 目的偏高嶺土會導致分層度增大，細度為 1250 目和 1500 目的偏高嶺土會導致分層度減小。這主要是由于偏高嶺土經過高嶺土在 850℃高溫環境下煅燒，結構內部結合水損失掉，交錯相織的層狀網絡結構被破壞，同時生成較高活性產物 Al2O3、SiO2等，它們晶體形態屬于無定型相，能快速與水泥水化產物 Ca(OH)2反應，增大砂漿工作用水量，從而影響砂漿的工作性能[8]。

表2 試驗結果

圖1 偏高嶺土對聚合物防水砂漿物理性能的影響

2.2 偏高嶺土對聚合物防水砂漿力學性能的影響

由圖 2 可以得知，砂漿的力學性能因偏高嶺土的摻入得到改善，但不同細度偏高嶺土對其改善程度也不同。圖 2 a）所示，試件組 MK-A、MK-B 反映細度為 400 目和 800 目偏高嶺土對砂漿抗折強度改善程度不高，試件 MK-A-1 組 400 目偏高嶺土摻量 5% 砂漿抗折強度提高了 14.3%，試件 MK-B-2 組 800 目偏高嶺土摻量 10% 砂漿抗折強度提高了 12.5%，1250 目和 1500目偏高嶺土其摻量 15% 試件 MK-C-3、MK-D3 組砂漿抗折強度分別提高了 32.1%、35.7%。圖 2 b）所示，試件組 MK-A、MK-B 其細度為 400 目和 800 目偏高嶺土對砂漿抗壓強度不利，試件組 MK-C、MK-D 其細度為 1250 目和 1500 目偏高嶺土改善砂漿的抗壓強度，試件 MK-C-3、MK-D3 組摻量 15% 砂漿的抗壓強度分別提高了 7%、4.9%。由此可見，偏高嶺土顆粒極細具備填充效應，包含活性物質發揮火山灰發揮特性，改善砂漿力學性能，其活性 Al2O3和 SiO2與水泥水化產物 Ca(OH)2反應，生成絮狀 CSH 和 CASH 凝膠體，絮狀凝膠體在漿體內形成網狀結構，可以改善砂漿水化產物和微觀結構，從而砂漿的力學強度得到增加[9]。但偏高嶺土的粒徑一定程度上影響著其活性，粒徑越小分散性越好，當粒徑過小時比表面積增大，微粒容易產生團聚，進而影響砂漿的力學性能[10]。

圖2 偏高嶺土對聚合物防水砂漿力學性能的影響

2.3 偏高嶺土對聚合物防水砂漿抗滲性能的影響

由圖 3 可以得知，偏高嶺土的摻入大幅度提高砂漿的抗滲性能，細度為 400 目和 800 目偏高嶺土對砂漿抗滲性能有一定影響，其摻量控制在 5% 以內抗滲性能有所提高，反之降低，其摻量 5% 達到最大值 1.1MPa，提高了 22.2%；1250 目和 1500 目偏高嶺土最有利于砂漿的抗滲性能，隨著摻量的增加砂漿的抗滲壓力不斷增大，當摻量 20% 時分別達到最大值 1.6MPa、1.8MPa，分別提高了 77.8%、100%。這是由于，偏高嶺土中富含活性 Al2O3、SiO2等物質，具有較高的火山灰活性，快速與水泥水化反應的產生的 Ca(OH)2發生反應，生成的絮狀 CSH、CASH 凝膠體，砂漿毛細孔被凝膠體交錯網絡填充，砂漿的微觀結構得到大大改善，聚集在砂漿內部的大量有害氣孔消除，破壞孔道的連通性，使砂漿更加密實[11]。同時偏高嶺土具備的層狀結構填充于空隙中，阻斷水分的進入，從而大大提高砂漿的抗滲性能。

圖3 偏高嶺土對聚合物防水砂漿抗滲壓力的影響

2.4 偏高嶺土對聚合物防水砂漿其他耐久性能的影響

2.4.1 偏高嶺土對聚合物防水砂漿抗硫酸鹽侵蝕性的影響

結果見表 3 和圖 4。

表3 腐蝕后砂漿試塊強度損失

圖4 腐蝕后砂漿試塊強度損失

由表 3 和圖 4 可以得知，砂漿的抗壓、抗折強度隨著腐蝕時間推移不斷發生變化，腐蝕后的強度被一定程度上削弱，摻入偏高嶺土，砂漿的力學強度可以得到提高，同時減小砂漿腐蝕過程伴隨產生的強度損失。圖 4 a）所示，與空白對照組 M 相比，偏高嶺土的摻入提高了砂漿的抗折強度，各組砂漿腐蝕 90d 后的抗折強度降到 7.3MPa（34.8%）、9.8MPa（20.3%）、11.1MPa（18.9%）、12.5MPa（11.3%）、12.8MPa（12.3%）、13.5MPa（11.9%）、12.9MPa（11.4%），砂漿腐蝕后抗折強度損失量伴隨偏高嶺土的摻入大大折減。圖 4b）所示，與空白對照組 M 相比，砂漿的抗壓強度伴隨偏高嶺土的摻入得到提高，各組砂漿腐蝕 90d 后的抗壓強度降到 36.4MPa（13.9%）、38.9MPa（10.6%）、40.9MPa（8.1%）、42.5MPa（5.9%）、42.5MPa（7.2%）、42.1MPa（6.7%）、40.7MPa（8.7%），砂漿腐蝕后抗壓強度損失量伴隨偏高嶺土的摻入得到改善。由此可見，在聚合物防水砂漿加入偏高嶺土，伴隨砂漿抵抗硫酸鹽侵蝕能力得到提高，在硫酸鹽環境下促使偏高嶺土水化后的 C3A、Ca(OH)2和 SO42-離子反應，生成特殊球形形貌的鈣礬石，鈣礬石的球形結構減少質體的不均勻性，大大減小砂漿的膨脹破壞，同時偏高嶺土中富含的活性物質 Al2O3、 SiO2與漿體中的 Ca(OH)2生成絮狀 CSH 凝膠體，毛細孔被交錯相織的絮狀 CSH凝膠體填充，同時阻斷有害界面的傳遞作用，從而降低砂漿腐蝕后的強度損失[12]。

2.4.2 偏高嶺土對聚合物防水砂漿抗碳化性能的影響

結果見表 4 和圖 5。

表4 偏高嶺土對砂漿抗碳化性能的影響 mm

圖5 偏高嶺土對聚合物防水砂漿碳化深度的影響

由表 4 和圖 5 可以得知，砂漿的碳化深度值隨砂漿齡期不斷演變，齡期增加伴隨著碳化深度值增大，偏高嶺土的摻入明顯減小砂漿不同齡期的碳化深度值，聚合物防水砂漿具備較高的抗碳化能力。與空白對照組 M相比，試件組 MK5、MK10、MK15、MK20、MK25、MK30 摻偏高嶺土 14d 齡期砂漿的碳化深度值，各試件組碳化深度值都降低 28% 左右，然而伴隨齡期持續增加，試驗組后期碳化深度值卻趨于平緩。這是由于偏高嶺土的摻入優化了砂漿孔徑分布，減少有害連通孔，阻斷外界空氣 CO2的侵入，降低 CO2的吸附作用，從而降低砂漿的碳化作用[13]。

2.4.3 偏高嶺土對聚合物防水砂漿抗氯離子滲透性的影響

結果見表 5 和圖 6。

表5 偏高嶺土對砂漿抗氯離子滲透性的影響

圖6 偏高嶺土對砂漿抗氯離子滲透性的影響

由表 5 和圖 6 可以得知，偏高嶺土的摻入削減砂漿氯離子滲透系數，因而砂漿抗氯離子滲透性能得到優化。砂漿偏高嶺土摻量增加，氯離子滲透系數不同趨勢下降，試件 MK15 組摻量 15% 砂漿氯離子滲透系數為1.25×10-11m2/s，與空白對照組 M 相比下降了 33.2%；試件 MK20 組偏高嶺土摻量控制在 20%，砂漿氯離子滲透系數下降速率趨于平緩，試件 MK30 組摻量達到30% 時氯離子滲透系數為 1.08×10-11m2/s，與空白對照組相 M 比僅下降了 42.3%。這是由于，偏高嶺土內富含活性氧化物，與漿體內水化產物 Ca(OH)2生成的絮狀凝膠體，改善砂漿的孔結構缺陷，降低砂漿的孔隙率，同時砂漿的孔徑分布由有害大孔轉移均勻微孔，形成一種屏障阻礙氯離子水溶液侵入，砂漿抗氯離子滲透性提高[14]。同時，偏高嶺土對 Cl-離子具有天然的物理吸附性能，以及二次水化產物具備的物理化學吸附性能，保證砂漿對 Cl-離子的固化能力優化，從而大大提高砂漿的氯離子抗滲性能。

3 結論

本文研究了 400目、800 目、1250 目、1500 目四種細度的煅燒偏高嶺土對改性聚合物防水砂漿的物理性能、力學性能以及抗滲、抗凍、抗硫酸鹽侵蝕、抗碳化、抗氯離子滲透耐久性能的影響。得出結論：

（1）偏高嶺土經過高溫煅燒后失去結合水而導致層狀結構遭到破壞，從而影響砂漿的 W/C，導致砂漿需水量增加，影響砂漿的工作性能。

（2）偏高嶺土摻量和細度對砂漿的力學性能造成一定影響，細度為 400 目和 800 目偏高嶺土摻量為 5%左右時，對砂漿抗折強度有一定提高，對砂漿抗壓強度有一定程度降低；細度為 1250 目和 1500 目的偏高嶺土摻量控制為 15% 左右時，可以提高砂漿抗壓、抗折強度。

（3）偏高嶺土的摻入能改善砂漿的微觀結構，減少有害大空隙，破壞孔道的連通性，大幅度提高砂漿的抗滲性能，以細度 1250 目摻量在 15% 效果最佳。

（4）偏高嶺土摻量為 10% 左右可以明顯改善砂漿的抗硫酸鹽腐蝕性能、抗碳化能力和砂漿抗氯離子滲透性能。