聚合物改性刚性防水砂浆配方优化研究

潘伟，段瑜芳［瓦克化学（中国）有限公司，上海　200233］



聚合物改性刚性防水砂浆配方优化研究

潘伟，段瑜芳
［瓦克化学（中国）有限公司，上海200233］

摘要：试验制备了不同颗粒级配、不同矿物掺合料组成、不同憎水剂改性的刚性防水砂浆，研究了颗粒级配、矿物掺合料组成和憎水方案对砂浆力学强度、抗渗和吸水率的影响。

关键词：可再分散乳胶粉；刚性防水砂浆；抗渗；吸水率

0 引言

建筑物渗漏一直是困扰建筑质量的通病，为保证建筑结构的长期耐久性，必须采取相关措施保证防水密封，在多种防水材料中，水泥基防水砂浆作为无机材料占主要组成的材料体系，具有耐久性能方面的优势。在防水砂浆中，水泥水化产生的硬化体结构作为骨架提供整体抗渗压力、与潮湿基面的粘接力，耐久性，长期的抗折和抗压强度增长［1］；聚合物通过在硬化体结构孔隙和界面区域成膜，增强体系的内聚力、密实度和柔韧性，改善砂浆的粘接强度、抗渗压力和吸水率等性能［2］。但市场上也有使用未掺聚合物的防水砂浆的情况。

根据所使用的聚合物类型，聚合物改性防水砂浆可分为单组分砂浆（使用可再分散乳胶粉）和双组份砂浆（使用聚合物乳液）2种。双组份砂浆在使用过程中会遇到计量准确性和运输、包装等方面的问题［3］。而单组份防水砂浆对施工条件适应性更强，只需加水搅拌即可使用，基于这些原因，单组份防水砂浆逐渐受到青睐。根据使用范围与技术性能的不同，单组份防水砂浆又可分为刚性和柔性2种。其中，刚性防水砂浆主要应用于尺寸稳定且无移动或开裂危险的吸水性基面上的防水工程，如地下室墙面、游泳池、潮湿房间墙地面等［4］。

1 实验

1.1 原材料与试验配方

42.5 级普硅水泥；石英砂（40～70目、50～100目、70～140目）；聚羧酸系减水剂；粉末消泡剂；MC：黏度75 000 mPa·s；N型乳胶粉，市售；重钙：325目，粉煤灰：Ⅱ级，比表面积4800 cm2/g；硅灰：平均粒度90 nm，比表面面积15～20 m2/g；S型有机硅憎水剂，某公司生产；VINNAPAS 5048H可再分散乳胶粉，瓦克化学有限公司生产。试验配方见表1。

表1 刚性防水砂浆的试验配方　g

1.2 试验方法

抗压、抗折强度按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》、拉伸粘结强度按JC/T 907—2002《混凝土界面处理剂》、抗渗压力按GB 23440—2009《无机防水堵漏材料》、吸水率按DLT 5126—2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》、凝结时间按GB/T 1346—2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行测试。

2 试验结果与讨论

2.1 砂的选择

试验之初，采用40～70目、70～140目2种粒径的石英砂（1#配方），考虑砂浆吸水率受到硬化体结构密实程度的影响，增加50～100目粒径的石英砂（2#配方），并参照富勒曲线进行最密堆积设计，比较不同颗粒级配条件下砂浆抗渗压力和吸水率的变化，试验结果如图1、图2所示。

由图1、图2可见，相比2种粒径砂级配的1#配方砂浆，采用3种粒径砂级配的2#配方砂浆，涂层7d、试件7d和28d的抗渗压力均提高，1#和2#配方砂浆3类抗渗压力均符合JC/T 984—2011《聚合物水泥防水砂浆》的Ⅱ型要求，采用3种粒径砂级配使得砂浆的吸水率明显降低，但仍无法满足Ⅰ型或Ⅱ型产品的标准要求，这表明合理的颗粒级配有助于密实砂浆硬化体结构、减小砂浆的吸水率，但单纯依靠调整颗粒级配无法达到标准要求。这是因为高水泥用量时，水泥水化所形成的硬化体结构含有较多孔隙，配方中的石英砂仅能够填充部分孔隙。通过掺加1.5%的憎水型可再分散乳胶粉5048H（3#配方），将砂浆的吸水率降至5.8%，符合标准对Ⅰ型产品的要求（＜1.6%）。

图1 防水砂浆抗渗压力随颗粒级配的变化

图2 防水砂浆吸水率随颗粒级配的变化

2.2 矿物掺合料的选择

矿物掺合料的颗粒粒径及分布与水泥有所区别，可以发挥它们的颗粒填充和密实结构作用以降低砂浆吸水率、增大抗渗压力。在本实验中，选择粉煤灰（FA）和硅灰（SF）进行单掺和复掺试验（4#～12#配方）。单掺10%、15%和20%（内掺，占水泥质量比例，下同）的粉煤灰；单掺5%、10%和20%的硅灰；复掺总掺量20%的粉煤灰+硅灰（两者质量比分别为3∶1、1∶1和1∶3），测试矿物掺合料组成对砂浆抗渗和吸水率的影响。根据JC/T 984—2011，当产品使用厚度不大于5mm时只需测试涂层试件抗渗压力，考虑到通常刚性防水砂浆的施工厚度仅2mm左右，因此后续试验中，只测试涂层7d抗渗压力，结果如图3所示。

图3 防水砂浆涂层7 d抗渗压力随矿物掺合料种类和掺量的变化

由图3可见，单掺5%硅灰时，抗渗压力保持不变，当硅灰掺量较高时，抗渗压力急剧降低；复掺粉煤灰和硅灰，当粉煤灰与硅灰质量比为1∶3时，抗渗压力有所增大，复掺其它比例的粉煤灰和硅灰，抗渗压力均大幅降低。

图4为单掺粉煤灰、硅灰，复掺粉煤灰和硅灰对砂浆吸水率的影响。

图4 吸水率随矿物掺合料种类和掺量的变化

由图4可见，单掺不同掺量的粉煤灰，防水砂浆的吸水率基本不变；单掺5%硅灰时，吸水率降低，但当掺量继续增加时，吸水率逐渐增大；复掺不同比例的粉煤灰和硅灰，吸水率基本不变。

由抗渗和吸水率测试结果可以发现，单掺粉煤灰对于吸水率基本没有影响，但却导致抗渗压力的大幅降低。

粉煤灰的主要化学成分为SiO2和Al2O3，通过扫描电镜观察［5］，粉煤灰由多种粒子构成，不规则玻璃体是粉煤灰中较多存在的颗粒。需要通过水泥水化产生的Ca（OH）2对粉煤灰进行碱激发，破坏玻璃体以释放出被包裹的活性颗粒，从而促进水化反应的进行。已有文献［6］指出，即使水泥水化产物中有充足的Ca（OH）2，粉煤灰的火山灰反应仍很慢。因此，粉煤灰取代水泥相比纯水泥体系使得早期水化产物减少，硬化体结构形成时间延长、硬化体强度发展缓慢。粉煤灰的颗粒填充和密实作用与其对于早期强度和硬化体结构形成的不利影响共同作用，总体上后者的影响更大，导致单掺粉煤灰反而产生不利影响。

硅灰是冶炼硅铁合金和工业硅时产生的SiO2和Si气体与空气中的氧气迅速氧化并冷凝而形成的一种超细硅质粉体材料，硅灰比表面积高达（1.5～2.0）×105cm2/g，平均粒径小于0.1 μm，约为水泥粒径的1/50～1/100。硅灰的主要化学成分为非晶态的无定型SiO2，一般占90%以上［7］。超细无定型SiO2具有较高的火山灰活性，即在水泥水化产物Ca（OH）2的碱性激发下，SiO2能迅速与Ca（OH）2反应，生成水化硅酸钙凝胶（CS-H），提高砂浆强度并改善砂浆性能。

硅灰虽然能够有效地改善硬化水泥浆体微结构，但是由于硅灰的粒径小，比表面积大，水泥浆体掺入硅灰后，随着硅灰掺量的增加，需水量增大，自收缩也增大。因此，一般需要将硅灰的掺量限制在一定范围内。由图3、图4测试结果可以看出，在刚性防水砂浆中单掺硅灰，掺量不宜超过5%。

将粉煤灰和硅灰复掺，可以利用硅灰高活性的特点，降低由于粉煤灰早期活性较低所导致的早期强度低、硬化体结构形成不充分的不利影响。同时，利用粉煤灰的颗粒润滑作用减少用水量，粉煤灰对于掺入硅灰可能出现的强烈收缩开裂也有一定的遏制作用。

基于前期的试验结果，在本实验中，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）这3种胶凝材料体系。

2.3 憎水方案的选择

防水砂浆中的水泥用量通常较高（＞40%），而水泥的亲水性较强，没有经过聚合物改性的砂浆硬化体表面是不憎水的。另外，由于水泥的弹性模量较高，较高的水泥用量会产生较大的收缩，增加砂浆出现开裂的风险，而砂浆开裂则会进一步加剧其防水性能不佳的缺点。

掺加可再分散乳胶粉，可以提高砂浆的柔韧性，减少砂浆由于体积收缩、温湿度变化或外应力作用而导致的开裂，减少了外部水进入硬化体结构的通道。可再分散乳胶粉中的乳胶粒子在水泥及其它粉体界面过渡区空隙中凝聚成膜，使砂浆体系界面过渡区更为致密，改善其耐水性。同时，可再分散乳胶粉再分散后产生的活性基团，可与水泥水化产物中的Ca2+、Al3+等发生交联反应，形成特殊的桥键作用，改善水泥砂浆硬化体的物理组织结构，增强砂浆界面的致密性［8］。然而，对于防水砂浆而言，为了达到JC/T 984—2011要求的吸水率（Ⅰ型≤6%，Ⅱ型≤4%），需要较高掺量的通用型胶粉［9］，也可以通过复掺通用型胶粉和憎水剂来提高砂浆的憎水性能。

本试验中，采用了2种憎水性方案：（1）复掺2.5%通用型可再分散乳胶粉（N）和0.2%S型有机硅憎水剂（HA）（14#、16#、18#配方）；（2）单掺2.5%憎水型可再分散乳胶粉5048H（13#、15#、17#配方）。比较2种憎水性方案对防水砂浆拉伸粘结强度、抗折抗压强度、抗渗压力和吸水率的影响，结果分别见图5～图8。

由图5可见，在纯水泥体系、水泥+硅灰体系、水泥+粉煤灰+硅灰体系中，相比复掺通用型可再分散乳胶粉和有机硅憎水剂，单掺憎水型可再分散乳胶粉5048H防水砂浆的7 d 和28 d拉伸粘结强度均提高100%左右。在3种胶凝材料体系中，复掺通用型可再分散乳胶粉和有机硅憎水剂，7 d和28 d拉伸粘结强度均不符合JC/T 984—2011中Ⅰ型要求的0.8 MPa和1.0 MPa。

图5 防水砂浆拉伸粘结强度随憎水性方案的变化

图6 抗折、抗压强度随憎水方案的变化

由图6可见，在纯水泥体系、水泥+硅灰体系、水泥+粉煤灰+硅灰体系中，复掺通用型可再分散乳胶粉和有机硅憎水剂，抗折和抗压强度仅能达到Ⅰ型产品标准的要求，相比之下，单掺憎水型可再分散乳胶粉5048H，抗折和抗压强度均有所提高，其中抗压强度增幅明显，抗折和抗压强度均符合Ⅱ型产品标准的要求。这与文献［10］的研究结果相吻合，这可能是因为该有机硅憎水剂缺少聚合物的包裹。

图7 防水砂浆涂层7 d抗渗压力随憎水方案的变化

由图7可见，在水泥+硅灰体系中，采用不同憎水方案的砂浆涂层7 d抗渗压力相同。在纯水泥体系、水泥+粉煤灰+硅灰体系中，相比复掺通用型可再分散乳胶粉和有机硅憎水剂，单掺憎水型可再分散乳胶粉5048H的砂浆，涂层7 d抗渗压力大幅升高。

图8 防水砂浆吸水率随憎水方案的变化

由图8可见，在纯水泥体系、水泥+硅灰体系、水泥+粉煤灰+硅灰体系中，复掺通用型可再分散乳胶粉和有机硅憎水剂的吸水率均达不到JC/T 984—2011对Ⅰ型产品的要求，而单掺憎水型可再分散乳胶粉5048H可以获得明显低于Ⅰ型标准要求（≤6%）的吸水率，但若要符合Ⅱ型（≤4%）要求，需进一步增加憎水型可再分散乳胶粉5048H的掺量。

综合图5～图8测试结果，相比复掺通用型可再分散乳胶粉和有机硅憎水剂，单掺憎水型可再分散乳胶粉5048H，防水砂浆7 d和28 d拉伸粘结强度、28 d抗折和抗压强度、涂层7 d抗渗压力、吸水率等性能均能更好地符合标准对Ⅰ型产品的要求。

有机硅憎水剂的憎水机理在于：在水泥水化后的高碱性环境下，有机硅憎水剂分子中亲水的有机官能团水解形成具有高反应活性的硅烷醇基团，一部分硅醇基团能与水泥砂浆颗粒表面的—OH发生化学偶联作用；另一部分的硅醇基团自身可发生缩合反应，形成网状交联结构［10］。

然而，文献［11-13］也指出，有机硅憎水剂对砂浆具有缓凝作用，并且随其掺量的增加，缓凝作用进一步增强。这可能是因为有机硅防水剂在水泥颗粒表面形成疏水的网状交联结构，延缓了水泥的水化速度，使C-S-H凝胶和Ca（OH）2的形成速度变慢。为了验证这一结论，本实验测试了3种胶凝材料体系在不同憎水性方案下的初凝和终凝时间，结果如图9所示。

图9 防水砂浆凝结时间随憎水性方案的变化

由图9可见，在纯水泥体系、水泥+硅灰体系、水泥+粉煤灰+硅灰体系中，单掺憎水型可再分散乳胶粉5048H，砂浆的初凝和终凝时间均符合JC/T 984—2011标准要求，而复掺通用型可再分散乳胶粉和有机硅憎水剂的初凝和终凝时间明显延长，其中，终凝时间均超出标准要求的范围（＜24 h）。由此推断，有机硅憎水剂较强的缓凝作用导致防水砂浆的7 d、28 d拉伸粘结强度、抗折和抗压强度出现大幅降低。同时，由于水泥水化不充分，形成的水化产物不足以充分填充硬化体结构内部孔隙，使得硬化体结构致密程度较低，导致抗渗压力较低、吸水率较高。虽然有机硅憎水剂可以通过其分子水解产生的硅烷醇基团同水泥水化产物中的羟基发生化学反应，并且硅烷醇基团缩合形成疏水性交联网状结构，发挥一定的憎水作用，但仍然不足以消除由于其强烈缓凝作用所导致的水泥硬化体结构缺陷对于憎水性的负面影响。

VINNAPAS 5048H作为一款憎水型可再分散乳胶粉，具备传统胶粉的柔韧性，并且新增了较强的憎水性。与未掺胶粉的防水砂浆试样相比，掺入5048H，使得防水砂浆的抗折强度有所提高、抗压强度小幅减小、抗渗压力明显提高、吸水率大幅降低。随着5048H掺量的增加，抗折、抗渗和吸水率性能进一步得到改善，而抗压强度继续小幅降低［9］。相比复掺通用型胶粉和有机硅憎水剂，单掺5048H更适合用于配制高性能刚性防水砂浆。

3 结论与展望

（1）通过调整砂浆颗粒级配、掺加1.5%憎水型可再分散乳胶粉5048H，使得防水砂浆的吸水率符合JC/T 984—2011对Ⅰ型产品的要求；

（2）单掺5%硅灰，复掺质量比1∶3、总掺量20%的粉煤灰和硅灰，均使得砂浆的抗渗压力和吸水率得到明显改善；

（3）在纯水泥体系、水泥+硅灰体系、水泥+粉煤灰+硅灰体系中，相比复掺2.5%通用型可再分散乳胶粉和0.2%有机硅憎水剂，单掺2.5%憎水型可再分散乳胶粉5048H，防水砂浆可以获得更低的吸水率、更高的拉伸粘结强度、抗折抗压强度和抗渗压力。

参考文献：

［1］李玉海.聚合物在防水砂浆中的应用［J］.建筑节能，2008，36（4）：54-57.

［2］路国忠.浅析聚合物水泥防水砂浆的研制［J］.水泥工程，2010（1）：33-36.

［3］路国忠，李海.干粉类聚合物水泥防水砂浆的研制［J］.化学建材，2008，24（4）：42-44.

［4］李迎春.可再分散乳胶粉在刚性防水砂浆中的应用研究［J］.江苏建筑，2010（S1）：92-94.

［5］程光甫，宋存义.粉煤灰性能的基本分析［J］.粉煤灰综合利用，1992（1）：39-44.

［6］李伟刚，李文哲，汪振双.粉煤灰双掺混凝土冻融循环试验研究［J］.低温建筑技术，2009（1）：17-19.

［7］刘斌云，李凯，赵尚传.复掺粉煤灰和硅灰对混凝土抗氯离子渗透性和抗冻性的影响研究［J］.混凝土，2011（11）：83-85.

［8］刘志勇.聚合物水泥基材料研究综述［J］.新型建筑材料，2000，27 （1）：26-28.

［9］潘伟，段瑜芳.聚合物改性刚性防水砂浆性能研究［J］.新型建筑材料，2015，42（2）：30-35.

［10］黄月文，刘伟区，罗广建.有机硅防水剂改性水泥砂浆的研究［J］.化学建材，2003，19（1）：27-29.

［11］刘杰胜，张娟，夏琳，等.有机硅改性水泥砂浆强度变化特性及抗裂性能研究［J］.中国建筑防水，2014（20）：19-22.

［12］张娟，刘杰胜，夏琳.有机硅防水剂改性水泥砂浆的性能研究［J］.中国建筑防水，2014（12）：27-29.

［13］周述光，刘红叶，王振军.改性有机硅防水剂对混凝土性能影响［J］.新型建筑材料，2006，33（4）：63-65.

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

中图分类号：TU57+8.12

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）03-0053-05

收稿日期：2016-01-16

作者简介：潘伟，男，1981年生，江苏金湖人，博士。