混凝土用聚合物改性水泥基涂料的性能研究

鄧會杰,宋 宇

(1.德州市水利工程施工與維修中心,山東 德州 253000;2.德州市水利事業發展中心,山東 德州 253000)

1 概 述

混凝土抗滲性能的改進方法主要分為基本保護和附加保護兩種,第一種方法主要通過優化配合比或添加防水劑來提高混凝土的密實度;第二種方法通過涂層保護混凝土。混凝土保護涂層可以有效防止水和其他腐蝕介質進入混凝土,可顯著提高混凝土耐久性[1]。根據已有研究,聚氨酯涂料具有附著力高、涂層透水性好、易改性等特點,但聚氨酯類型的涂層含有芳香烴基團,在腐蝕性環境中容易出現粉化、變黃、褪色等不良反應,固化反應緩慢[2]。聚合物改性水泥基涂料主要通過將乳液與水泥作為主要原料混合來制備,如可將丙烯酸酯乳液和乙烯-乙酸乙烯酯乳液與水泥混合。隨著水泥水化,逐漸形成防水涂膜,這不僅使聚合物改性水泥具有良好的耐久性,還可提高有機聚合物材料的強度和韌性[3]。

將無機顆粒摻入聚合物乳液以制備無機聚合物復合乳液,是聚合物乳液改性的重要途徑。本文將二氧化硅以3%、6%和9%的摻量改性混凝土用聚合物水泥基涂料,研究聚合物改性水泥基涂料的力學性能、耐水性和耐腐蝕性,以期為聚合物改性在水泥基材料中的復合應用提供參考。

2 材料和試驗

2.1 原材料

聚丙烯酸乳液選用濰坊某有限公司的BA-310TS型號,黏度<1 500cP,pH值為7～8,最低成膜溫度小于0℃,Tg值為-10℃,固含量為55±1%,屬于聚合物水泥防水涂料。二氧化硅粉末選用浙江某有限公司的納米二氧化硅粒子,平均粒徑25nm。水泥選用新鄉某水泥廠生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。細骨料采用細度模數為2.65的天然河砂。碎石采用粒徑范圍5～25mm的碎石,相對密度2.81,堆積密度1 636kg/m3。混凝土配合比為水泥:天然砂:粗骨料:水=350:805:985:185。

2.2 涂層混凝土試件制備

稱取一定量的聚丙烯酸乳液和二氧化硅進行混合,按照質量比0、3%、6%和9%的比例向聚丙烯酸乳液中加入納米二氧化硅,以1 000rpm的轉速攪拌20min,得到二氧化硅有機聚合物復合涂料。為了研究二氧化硅摻入對聚合物改性水泥基涂料防水效果的影響,將其涂覆在混凝土砌塊上。混凝土砌塊的設計強度等級為C35,混凝土試塊澆筑成型拆模后在20±2℃、濕度≥95%的標準養護環境下養護28d。待混凝土試塊表面干燥、打磨平整后,將聚合物改性水泥基涂料均勻涂在混凝土表面,涂層厚度1.5±0.2mm。

2.3 試驗方法

本文共對比6種不同環境下聚合物改性水泥基涂料對混凝土的影響:①無任何處理;②浸泡于普通自來水中168±1h;③浸泡于1%H2SO4溶液中168±1h;④浸泡于2%H2SO4溶液中168±1h;⑤浸泡于0.1%NaOH溶液中168±1h;⑥浸泡于0.2%NaOH溶液中168±1h。根據《建筑防水涂料試驗方法》(GB/T 16777-2008)標準,測試水泥基涂層的拉伸性能。水泥基涂層的抗拉強度計算公式如下:

(1)

式中:L為試件中部寬度,mm;H為試件厚度,mm;P為試件的最大拉力,N;T為抗拉強度,MPa。

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB /T 50082-2009),進行涂覆有二氧化硅改性水泥基涂料混凝土的氯離子滲透試驗。

3 結果和討論

3.1 聚合物改性水泥基涂料的抗拉強度

聚合物改性水泥基涂料的抗拉強度隨著齡期的增加而逐漸增加。未經溶液浸泡的聚合物改性水泥基涂料在未摻二氧化硅時,7d抗拉強度為2.25MPa,28d抗拉強度為3.70MPa;二氧化硅摻量為3%、6%和9%時,7d抗拉強度分別增加3.1%、23.6%和23.1%,14d抗拉強度分別增加7.8%、29.8%和15.5%,28d抗拉強度分別增加3.8%、20.5%和15.7%。聚合物改性水泥基涂料的7d強度和14d強度分別為28d強度的60.4%～64.7%和86.9%～93.7%。聚合物改性水泥基涂料的抗拉強度見圖1。

圖1 聚合物改性水泥基涂料的抗拉強度

由圖1(a)可知,二氧化硅粉末摻量為6%的聚合物改性水泥基涂料,7、14和28d抗拉強度分別為2.78、3.72和4.28MPa;與未摻二氧化硅的聚合物改性水泥基涂料相比,抗拉強度增加約20.5%～29.8%。其原因是適當摻量的較細二氧化硅粉末具有良好的分散性,不會在聚合物改性水泥基涂料形成團聚體,有助于提高聚合物改性水泥基涂料的抗拉強度;而過量的二氧化硅顆粒會導致抗拉強度降低,圖1(a)中9%摻量的二氧化硅在各齡期的抗拉強度均小于6%摻量時的聚合物改性水泥基涂料。

由圖1(b)可知,浸入水中的聚合物改性水泥基涂料的抗拉強度均在一定程度上有所降低,這是因為聚合物改性水泥基涂料表面膜吸收的水具有塑化作用。為了評估聚合物改性水泥基涂料的耐水性,與圖1(a)中無浸泡的試樣相比,二氧化硅粉末摻量為6%的聚合物改性水泥基涂料在齡期7、14和28d時拉伸強度的降低率分別為9.4%、13.6%和6.5%,二氧化硅粉末摻量為9%的聚合物改性水泥基涂料在齡期7、14和28d時拉伸強度的降低率分別為11.6%、10.2%和14.5%。因此,添加分散良好的超細二氧化硅顆粒可顯著提高聚合物改性水泥基涂料的耐水性,此時聚合物改性水泥基涂料的結構較為致密。

由圖1(c)和圖1(d)可知,浸泡于H2SO4溶液后聚合物改性水泥基涂料的抗拉強度也有一定程度的降低。在1%H2SO4溶液中,二氧化硅粉末摻量為6%的聚合物改性水泥基涂料在齡期7、14和28d時拉伸強度的降低率分別為3.2%、9.1%和2.0%。2%H2SO4溶液中,二氧化硅粉末摻量為6%的聚合物改性水泥基涂料在齡期7、14和28d時拉伸強度的降低率分別為9.7%、14.4%和7.8%。分析其原因,在酸性溶液中的水化產物如C-S-H的分解,導致混凝土在酸侵蝕下的抗拉強度顯著降低,孔隙率增加。同時,適當摻量的超細二氧化硅粉末在一定程度上提高了聚合物改性水泥基涂料的耐酸性,二氧化硅粉末摻量為6%時效果最佳。

由圖1(e)和圖1(f)可知,在堿溶液中浸泡后,7d齡期的聚合物改性水泥基涂料的抗拉強度顯著增加。二氧化硅摻量為0、3%、6%和9%時,在0.1%NaOH溶液中,與無浸泡的聚合物改性水泥基涂料相比,7d抗拉強度分別增加12.4%、16.8%、24.5%和20.2%。在0.2%NaOH溶液中,與無浸泡的聚合物改性水泥基涂料相比,7d抗拉強度分別增加23.1%、28.4%、2.2%和1.3%。分析其原因,在堿性環境中有利于水泥水化早期水化產物的形成和結構發展。同時,堿侵蝕對養護14和28d的聚合物改性水泥基涂料的抗拉強度影響較小,表明聚合物改性水泥基涂料具有優異的耐堿性。

本文試驗中選用的二氧化硅粉末的粒徑較小,平均粒徑僅為25nm,可與聚合物更好地混合,改善了聚合物改性水泥基涂料的成膜,并增強了涂層和基材之間的黏附力。另一方面,由于比表面積大,超細二氧化硅粉末具有高的活性,促進了水泥水化進程,促進更多水化產物的形成,如C-S-H、鋁酸鈣水合物等,在內部形成針狀或纖維狀的連接。C-S-H表面存在大量不飽和化學鍵,水泥水化產物的化學鍵與聚合物的極性基團之間的交聯,增強了涂膜的結構,進而增強了拉伸強度。在外力的作用下,由于二氧化硅粉末和聚合物之間的牢固連接,在聚合物改性水泥基涂料內部產生許多微變形區,這些微變形區可以存儲和吸收大量能量,從而增強聚合物改性水泥基涂料的力學性能。

3.2 聚合物改性水泥基涂料對混凝土滲透性的影響

3.2.1 吸水性

對涂覆有聚合物改性水泥基涂料的混凝土進行吸水性實驗。結果顯示,無涂覆的混凝土30、90、150和200min吸水量分別為350、572、648和706g/m2。在二氧化硅粉末摻量為6%的聚合物改性水泥基涂料時,混凝土的吸水率在150和200min時分別降低61.4%和64.0%。在二氧化硅粉末摻量為9%的聚合物改性水泥基涂料時,混凝土的吸水率在150和200min時分別降低71.0%和71.7%。綜合分析,通過涂覆良好分散的超細二氧化硅粉末的聚合物改性水泥基涂料,可以獲得優異的混凝土減吸水能力。此時,混凝土表面形成較為致密的涂層,表面上的孔隙顯著減少。

3.2.2 氯離子滲透性

為了研究聚合物改性水泥基涂料對混凝土滲透性的影響,測量了氯離子滲透系數。結果顯示,沒有涂層的普通混凝土的氯離子滲透系數為13.408×10-12m2/s。當涂覆聚合物改性水泥基涂料時,在未摻入二氧化硅情況下的氯離子滲透系數降低13.5%;添加3%、6%、9%二氧化硅的聚合物改性水泥基涂料涂覆混凝土的氯離子滲透系數分別降低26.9%、36.6%和31.4%,即摻加6%二氧化硅的聚合物改性水泥基涂料涂覆混凝土的抗滲性能提升效果最佳。

分析其原因,超細二氧化硅粉末的分散程度對聚合物改性水泥基涂料的綜合性能有顯著影響。當二氧化硅摻量較大或者粒徑較粗時,二氧化硅粉末易出現顆粒團聚現象,進而導致聚合物改性水泥基涂料膜內的缺陷增加,使二氧化硅粉末與聚合物改性水泥基涂料之間出現接觸面薄弱區域。

本研究中,二氧化硅粉末為納米級二氧化硅,顆粒較細,在聚合物改性水泥基涂料更易均勻分散,確保了聚合物改性水泥基涂料的性能隨二氧化硅摻量的增加而得到改善。如果二氧化硅粉末出現團聚現象,反而會削弱二氧化硅聚合物改性水泥基涂料涂覆對混凝土抗滲性能的改善作用。

4 結 論

本文研究了混凝土用聚合物改性水泥基涂料的抗拉強度以及二氧化硅摻量對性能的影響,分析了聚合物改性水泥基涂料在水環境、酸環境和堿環境下抗拉強度的變化,對涂覆有聚合物改性水泥基涂料的混凝土進行了吸水性實驗和抗氯離子試驗,結論如下:

1)聚合物改性水泥基涂料的抗拉強度隨著齡期的增加而逐漸增加。二氧化硅粉末摻量為6%的聚合物改性水泥基涂料,與未摻二氧化硅的聚合物改性水泥基涂料相比,不同齡期的抗拉強度增加約20.5%～29.8%。

2)適當摻量的超細二氧化硅粉末在一定程度上提高了聚合物改性水泥基涂料的耐酸性,二氧化硅粉末摻量為6%時效果最佳。在堿溶液中浸泡后,7d齡期的聚合物改性水泥基涂料的抗拉強度與無浸泡的聚合物改性水泥基涂料相比顯著增加,在0.2%NaOH溶液中,7d抗拉強度分別增加1.3%～28.4%。

3)涂覆有聚合物改性水泥基涂料的混凝土在二氧化硅粉末摻量為6%時,混凝土的吸水率在150min時降低61.4%。同時,混凝土的抗滲性能提升效果最佳。