整体刚性自防水砂浆抗冻融性能研究

李发平,刘杰胜,杜立伟，董 莪,邢珊珊

( 1.武汉轻工大学 土木工程与建筑学院 湖北 武汉430023; 2.武汉市东西湖区吴家山第一中学 湖北 武汉 430040)

整体刚性自防水砂浆抗冻融性能研究

李发平1,刘杰胜1,杜立伟2，董 莪1,邢珊珊1

( 1.武汉轻工大学 土木工程与建筑学院 湖北 武汉430023; 2.武汉市东西湖区吴家山第一中学 湖北 武汉 430040)

随着我国的土木建筑业的不断发展，水泥砂浆起着举足轻重的作用。通过在普通水泥砂浆中加入不同掺量的有机硅来研究其对水泥砂浆的抗冻融性能的影响。研究表明内掺不同掺量有机硅聚合物水泥砂浆(SPM,Silicone Polymer Mortar)与普通水泥砂浆(M, Cement Mortar)在冻融条件下相比，内掺不同掺量有机硅聚合物水泥砂浆的质量损失率减少，强度损失率增大外观剥落情况良好。当发生冻融破坏时，有机硅与水发生反应，产生化学“偶联桥键”作用，使得界面作用增强, 导致质量损失率降低。

有机硅;水泥砂浆;抗冻;SEM

1 引言

随着基础建设的大规模开展，水泥材料得到了更加广泛的应用，同时对水泥砂浆的要求越来越高[1- 3 ]。采用聚合物改性的方法制备高性能水泥基复合材料是目前研究的热点。其中，有机硅改性水泥砂浆是一种新型的水泥基复合材料，具有良好的整体刚性自防水特点, 且具有较小的弹性模量、较好的力学性能、优异的抗渗性能、抗酸侵蚀性、抗化学腐蚀性等特点，使得有机硅聚合物水泥砂浆被广泛应用在房屋建筑、道路交通、水利水电等领域[4-10]。笔者采用KH560对水泥砂浆进行改性，研究了有机硅水泥砂浆抗冻融性能，为制备高性能水泥基复合材料奠定了一定的基础[11]。

2 实验部分

2.1 原材料

采用中粗砂，细度模数为2.6；水泥：42.5号普通硅酸盐水泥，华新水泥厂生产；水∶清洁自来水；水泥∶砂：水=1∶2∶0.4。湖北武大有机硅新材料股份有限公司生产的硅烷偶联剂，包括:KH-560 γ-[(2,3)-环氧丙氧]丙基三甲氧基硅烷。

2.2 制备过程

按照上述材料分别制作普通水泥砂浆和有机硅水泥砂浆，试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，组数为10组，每组3个。将养护28天70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的试件放在养护室备用。

为了书写更加方便，将普通水泥砂浆和不同掺量的有机硅聚合物水泥砂浆做以下简称，如表1所示。

表1 普通水泥砂浆和不同掺量的有机硅聚合物水泥砂浆简称

全称简称普通水泥砂浆M掺加1%的KH⁃560有机硅聚合物水泥砂浆SPM1掺加3%的KH⁃560有机硅聚合物水泥砂浆SPM3掺加5%的KH⁃560有机硅聚合物水泥砂浆SPM5

2.3 测试与表征

将养护好的试样放入冻融循环试验机中，每冻融循环25次对试件进行一次外观检查，记录试件的破坏情况；每次冻融循环的时间应控制在2—4 h内，融化时间不得小于整个冻融时间的l/4，冻结和融化温度应分别控制在-17±2 ℃和8士2 ℃。当冻融遇到该组试件3块有2块出现明显(分层、裂开、贯通缝)即可停止试验。

冻融试验主要采用抗压强度损失率和质量损失率来反映水泥砂浆表面和内部损伤严重程度。

2.3.1 质量损失率

式中：ΔW—n次冻融循环后试件的质量损失率(%)；

M0一融循环前试件的质量(kg)；

Mn—n次冻融循环后试件的质量(kg)。

2.3.2 强度损失率

式中：Δfm—n次冻融循环后砂浆试件的强度损失率(%)；

fm1—对比试件抗压强度平均值(MPa)；

fm2—n次冻融循环后3块试件的抗压强度平均值(MPa)。

2.3.3 宏观特征

通过内掺不同掺量的有机硅水泥砂浆和普通水泥砂浆的孔隙情况、麻面大小、收缩、剥落情况等进行比较，得出不同掺量的有机硅水泥砂浆较普通水泥砂浆的优势所在[11]。

2.3.4 微观机理分析

通过氮吸附实验来对砂浆体系内部致密性进行研究，主要是通过吸附脱附曲线图和孔径孔容分布图来对内部孔隙来进行反应，得出不同掺量的有机硅对普通水泥砂浆的影响。

3 结果与分析

3.1 质量损失率

M分别和SPM21、SPM23、SPM25在冻融循环下的质量损失率(%)如表2和图1所示。

表2 冻融循环下质量损失率 /%

图1 冻融循环下质量损失率

由表2可知，在冻融循环数达到200时，普通水泥砂浆质量损失率达到2.16%，而此时加了不同掺量的有机硅的质量损失率都在0.55%以下。

由图1可知随着冻融循环次数的依次增加，有机硅水泥砂浆的的质量损失率整体上要比普通水泥砂浆的质量损失率要低，且随着冻融次数的增多，普通水泥砂浆和有机硅水泥砂浆的质量损失率呈增大的趋势。对于有机硅水泥砂浆，随着有机硅掺量的增多，质量损失率有减小的趋势。由上述实验结果可知：掺加有机硅的水泥砂浆在冻融循环达到200次时，质量损失率在试验要求范围内，有机硅的加入大大提高了普通水泥砂浆的抗冻融性能。可能原因是当在水泥砂浆中内掺有机硅，有机硅能与水泥砂浆直接发生化学结合，产生化学“偶联桥键”作用，界面作用增强，一定程度上能抵御冻融破坏产生的孔洞和剥落现象的发生，导致质量损失率减少[12]。

3.2 强度损失率

普通水泥砂浆M和有机硅聚合物水泥砂浆SPM在冻融循环下的强度损失率如表3，图2所示。

表3 冻融循环下强度损失率 /%

图2 冻融循环下强度损失率

由表3可知，在冻融循环达到200次时，SPM1的强度损失率为23.72%，SPM3的强度损失率为20.87%，SPM5的强度损失率为13.3%。

由图2可知，在冻融情况下，有机硅水泥砂浆的强度损失率整体上要比普通水泥砂浆的强度损失率要高，且随着冻融循环的次数的增加，强度损失率有增大的趋势。对于有机硅水泥砂浆，随着有机硅掺量的增大，冻融循环下的强度损失率有减小的趋势。可能原因是由于有机硅和水反应生成一种聚合膜，从而包裹住水泥砂浆颗粒，一定程度上阻止了水泥水化，使水泥没有水化完全，从而使有机硅水泥砂浆的力学强度减少[12]，当受到外界冻融条件作用时，会使有机硅水泥砂浆的抗压强度损失率增大。

3.3 外观变化

经过冻融循环后，试块的表面将会出现脱落的现象，形成麻面，而且还会出现大量多的空隙，当冻融循环达到150次时脱落现象非常严重；空白样较加入有机硅后的试块脱落、孔洞现象要严重，如图3所示；而加入有机硅的量对试件外观变化的影响不是非常明显，如图4, 图5，图6所示。

3.4 微观机理分析

图7为普通水泥砂浆(M)的吸附脱附曲线图和孔径孔容分布图，由M的吸附脱附曲线图可以看出，M的等温线属于典型的Ⅳ型等温线，此外，由BJH孔径分布曲线可知,水泥砂浆的孔隙体积和平均孔径分别为0.081 71 cm3/g、8.622 59 nm,这表明水泥砂浆是一种多孔介孔材料(孔直径小于2 nm的为微孔、大于2 nm小于50 nm的为介孔、50 nm以上的为大孔)。由氮气吸附—脱附曲线可观察到,当压力低于0.2P/P0(相对压力)时,吸附等温线陡峭增加但存在明显的吸附平台(即毛细凝聚现象)。而脱附等溫线的滞后环表明水泥砂浆表面存在着丰富的介孔和微孔结构。当压力大于0.7P/P0(相对压力)时,发生了明显的吸附现象,表明该吸附过程主要存在于水泥砂浆的表面和层间。由M的孔径孔容分布图可以看出，孔径孔容曲线斜率逐渐变换，说明水泥砂浆材料中主要分布着微孔和介孔，大孔分布很少。

图3 空白样冻融前后对比

图4 SPM21冻融前后对比

图5 SPM23冻融前后对比

图6 SPM25冻融前后对比

图8至图10分别为掺加1%、3%、5%的KH-560有机硅聚合物水泥砂浆的吸附—脱附曲线图和孔径孔容分布图。由这些图中的吸附—脱附曲线图可以看出等温线仍属于典型的Ⅳ型等温线，滞后环也较普通水泥砂浆要小，可能说明添加有机硅后，形成了一种膜的结构，使得砂浆中孔隙间距变小。

图7 普通水泥砂浆(M)的吸附脱附曲线图和孔径孔容分布图

图8 SPM21的吸附脱附曲线图和孔径孔容分布图

图9 SPM23的吸附脱附曲线图和孔径孔容分布图

图10 SPM25的吸附脱附曲线图和孔径孔容分布图

由图11可知，有机硅与水泥颗粒发生反应，可能产生化学“偶联桥键”作用，使界面作用增强，导致质量损失率降低，当发生冻融破坏时，能一定程度减小因为冻融产生的破坏情况。

图11 有机硅与水泥颗粒的界面作用

4 结论

笔者通过内掺有机硅制备整体刚性自防水砂浆,研究了对普通水泥某些的基本性能的影响规律，为制备高性能水泥基复合材料奠定了一定的基础。研究结果表明有机硅的加入一定程度上能减少水泥砂浆的质量损失率，但因内掺有机硅会导致水泥砂浆的力学强度降低，当发生冻融破坏时使水泥砂浆强度损失率增大。微观结构表明：当发生冻融破坏时，内掺有机硅砂浆的水泥试样较空白样的孔隙间距小；当有机硅与水泥颗粒发生反应时，产生化学“偶联桥键”作用，使界面作用增强，导致质量损失率降低。

[1] 张伟，史琛，项志敏，等.改性有机硅涂料对混凝土耐久性 的影响[J]. 混凝土，2010 ( 8)：73-75.

[2] 鲍旺，韩冬冬，倪坤，等.水泥基渗透结晶型防水涂料作用 机理研究进展和分析[J].新型建筑材料，2011( 9)：79-83.

[3] 电力行业水电施工标准化技术委员会.DL/T 5150—2001 水工混凝土试验规程[S].北京：中国电力出版社，2002.

[4] Zhong Shiyun，Chen Zhiyuan．Properties of latex blends and its modified cement mortars [J]．Cement Concres，2002，(32)：1515．

[5] 钟世云,谈慕华,陈志源.苯丙乳液改性水泥砂浆的抗氯离子渗透性[J]．建筑材料学报，2002，5(4)：393．

[6] A1-Zahrani M，Maslehuddin M，A1一Dulaijian S U，eta1．Mechanical properties and Durabi一1ity character—is tics of polymer and cement—based repair materials[J]．Cemconcres Comp，2003，(25)：527．

[7] Singha N K，Mishraa P C，Singhb V K，eta1．EffectS of hydroxyethyl cellulose and oxalic acid on the properties of cement[J]．Cemconcres，2003，(33)：1319．

[8] Milestone N B. Hydration of t ricalcium silicate in the presence of lignosulfonate，glucose and sodium glu—conate[J]．J Am Chem Soc 1979，(62)：321．

[9] Vinckea E，Wanseele E V，Monteny J，etal．Influence of polymer addition on biogenic sulfur—icacid attack of concrete[J]．Int Biodeteri or Biodegrad，2002，49：283．

[10] Monteny J，Belie N ，Vicncke E,et al．Chemical and micro-biological tests to simulate sulfur ic acid cot rosion of polymer—modified concrete[J]．Cem Co ncr Res，2001，31(9)：1359.

[11] 刘杰胜，木子佳靓，冯彪，等.水泥砂浆外涂有机硅烷防护效果研究[J].武汉轻工大学学报，2014(1)：19.

[12] 李发平，刘杰胜，邢珊珊，等.有机硅改性防水砂浆抗冻融性能研究 中国建筑防水，2016(22)：1-4.

Research on freeze-thawing resistance of monolithic rigid self-waterproofing mortar

LIFa-ping1,LIUJie-sheng1,DUli-wei2,DONGE1,XINGShan-shan1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Polytechnic, Wuhan 430023，China; 2.Wuhan Wujiashan No.3 Middle School in Dongxihu District,Wuhan 430040,China)

With the continuous development of china's civil construction industry, cement mortar has an important role. This study affected by adding different parameters organic silicon into ordinary cement mortar is to explore the basic properties of cement mortar. The results indicate that compared with different parameters organic silicon(SPM silicone, polymer Mortar)with the ordinary cement mortar (M, cement, Mortar)under freezing condition, the mass loss rate of organic silicon cement mortar decreases and the strength loss rate increases. Moreover, its appearance becomes fine. The results show that when subjected to freeze-thawing cycles, organic silicon reacts with water, which cause in chemical coupling effect. Meanwhile, the interface effect enhances, and it’s the mass loss rate decreases.

organic silicon; cement mortar; frost resistance; intensity；SEM

2016-12-09. 修改日期：2017-01-13.

李发平(1993-)，男，硕士研究生,E-mail:lfp0911@126.com.

刘杰胜(1980-)，男，副教授,E-mail:ljs628@163.com.

国家自然科学基金青年基金(51409203);武汉轻工大学校立科研计划重点项目(2015d3).

2095-7386(2017)01-0071-06

10.3969/j.issn.2095-7386.2017.01.015

TU 52

A