有机-无机复合型防水剂对砂浆性能的影响及机理分析

2022-05-31程福星周月霞邓小旭张兆楠王雨禾

新型建筑材料 2022年5期

程福星，周月霞，邓小旭，张兆楠，王雨禾

（武汉源锦建材科技有限公司，湖北武汉 430083）

0 引言

砂浆是建筑行业中常见的一种材料，具有广泛的用途，可用于墙面或地面找平层、防水层、填充层、结构层等，同时，其作为一种便捷、廉价、无毒无害的防水材料，起到较好的修补作用。但疏松多孔、非匀质是砂浆材料的固有特性，在高水压作用下，其防水效果并不理想，为了进一步降低砂浆的渗透速率，提高其抗渗性能，需在砂浆中掺入一定的防水剂[1-3]。

目前，砂浆防水剂主要可分为4 类：氯化物金属盐类、硅酸钠类、有机硅类和有机-无机复合材料类，其中氯化物金属盐类含有较多的氯离子，易造成钢筋锈蚀，目前已很少使用；硅酸钠反应速度快，制备的砂浆常用于短期、快速防堵水，但在长期水压作用下，会丧失防水功能；有机硅类防水剂价格昂贵，对砂浆工作性有一定影响，且防水效果并不显著[4-7]。有机-无机复合型砂浆防水剂具有无机材料和有机材料防水性能的叠加效果，不仅可填充砂浆密实度，还能激发胶凝材料生成更多的胶凝体来堵塞毛细孔，同时，其憎水组分可降低静压下水的渗透速率，是一种新型砂浆防水材料[8]。

基于此，本文以自主研发的有机-无机复合型防水剂为原材料，研究其对基准砂浆和抹灰砂浆防水性能和力学性能的影响，并探究其作用机理，为新型防水剂的应用提供参考。

1 试验

1.1 原材料

基准水泥：中国联合水泥集团有限公司提供；P·O42.5 水泥：华新水泥股份有限公司产，其主要化学成分见表1；机制砂、石灰石粉：武汉三源特种建材责任有限公司产；砂浆外加剂：复合型粉体材料，起增粘、保水等作用，武汉奥特龙建筑材料有限公司提供；有机-无机复合型防水剂（CWA）：武汉源锦建材科技有限公司自制，主要由保水组分、活性组分、激发组分、憎水组分、增塑组分等复配而成，其化学成分见表1，经检测，该防水剂符合JC/T 474—2008《砂浆、混凝土防水剂》中一等品技术指标要求。

表1 原材料的主要化学成分 %

1.2 试验方案

基准砂浆参照JC/T 474—2008 进行制备，其中防水剂外掺，掺量分别占基准水泥的0、1%、2%、3%、4%和5%，分别标记为JZ、CWA-1、CWA-2、CWA-3、CWA-4、CWA-5。不同强度等级的抹灰砂浆的试验配比及编号见表2，其中防水剂掺量按除机制砂外粉料质量的5%掺入。

表2 抹灰砂浆的配合比及稠度

1.3 试验方法

（1）砂浆透水压力和吸水量比均参照JC 474—2008 进行测试，抗渗试验砂浆初始流动度控制在（240±10）mm，采用JSJ 型砂浆抗渗仪测试砂浆透水压力，采用全自动压力试验机测试抗压强度。

（2）防水剂机理研究试件成型按防水剂掺量为水泥用量的5%，记作CMA，按水胶比为0.4 制成水泥净浆，采用20 mm 立方体试模成型，试件在标准条件下水中养护28 d，将试块破碎，用无水乙醇终止水化、真空烘干，制样测试。

2 结果与讨论

2.1 防水剂掺量对基准砂浆抗渗性能的影响（见表3）

表3 防水剂掺量对基准砂浆抗渗性能的影响

由表3 可见，防水剂掺量与砂浆抗渗性能成正相关，当其掺量分别为0、1%、2%、3%、4%、5%时，砂浆试件的透水压力分别为0.4、0.6、0.9、1.1、1.3、1.3 MPa，表明防水剂掺量对砂浆抗渗性能的影响较为显著，当其掺量为4%时，透水压力为1.3 MPa，透水压力比为325%，当掺量进一步提高至5%时，透水压力并未增大。

2.2 防水剂掺量对基准砂浆吸水量比的影响

砂浆试件的吸水量比可间接反应砂浆内部的密实程度，对砂浆防水性能的影响至关重要，表4 为防水剂掺量对基准砂浆吸水量比的影响。

由表4 可见，当防水剂掺量为1%、2%、3%、4%、5%时，砂浆试件的吸水量比分别为81%、69%、61%、52%、49%，说明防水剂可改善砂浆的密实性，不仅改善了砂浆在静压水作用下的渗透速率，还能提高其透水压力，与表3 的规律一致，且可清晰发现，随防水剂掺量的增加，吸水量比逐步减小，当防水剂掺量为5%时表现最优。

2.3 防水剂对不同强度等级抹灰砂浆力学性能和抗渗性能的影响

选择不同强度等级的抹灰砂浆为研究对象，结合前述防水剂5%的最优掺量，考察了5%掺量下防水剂对不同强度等级抹灰砂浆力学性能和抗渗性能的影响，结果分别见图1、图2。

由图1 可见，掺防水剂后抹灰砂浆7、28 d 抗压强度均有一定程度的提高，强度等级为M5、M7.5、M10、M15、M20 时，砂浆的7 d 抗压强度比分别为154%、135%、133%、121%、108%。表明防水剂对抹灰砂浆早期抗压强度有显著提高效果，且强度等级越低，抗压强度提高效果越明显。与此同时，砂浆的28 d 抗压强度比分别为133%、127%、110%、109%、107%，说明掺防水剂后，砂浆力学性能会持续提高，不同强度等级的抹灰砂浆强度发展规律与7 d 结果类似。从防水剂对抹灰砂浆抗压强度的影响来看，间接反应出防水剂可改善砂浆内部的密实度，降低内部空隙，进而改善砂浆的防水性能。

由图2 可见，未掺防水剂时，强度等级为M5、M7.5、M10、M15、M20 抹灰砂浆的透水压力分别为0.3、0.5、0.7、0.8、0.9 MPa，表现出随强度等级提升透水压力逐步升高，其原因是随强度等级提升，水泥用量增大，砂浆内部有更多的水化产物，使得内部更密实，胶材与骨料之间的粘结力增强所致。而掺入防水剂后，强度等级为M5、M7.5、M10、M15、M20 砂浆的透水压力分别为0.5、0.8、1.0、1.1、1.3 MPa，相较于未掺防水剂的抹灰砂浆分别提高了0.2、0.3、0.3、0.3、0.4 MPa，表明掺防水剂有助于提高抹灰砂浆的防水性能，且抗渗等级至少可提高2 级。

3 防水剂的作用机理分析

结合不同掺量防水剂对砂浆力学性能和抗渗性能的影响研究，选择防水剂最优掺量为5%作为机理研究对象，探讨防水剂对砂浆性能改善的作用机理。

3.1 孔径分布

图3 为掺防水剂试件和基准试件水泥净浆的压汞法孔径分布测试结果。

由图3 可见，基准试件的孔径分布主要集中在5～100 nm，其中在5～60 nm 的分布较为均匀，而掺防水剂后，孔径分布在进一步窄化为5～50 nm，其中处在20 nm 左右的孔径居多，较为集中，说明该防水剂可优化水泥基材料的孔结构，使得孔径分布进一步细化，有利提高密实度，其原因是掺防水剂后可加速水化，生成了更多的胶凝体和Ca（OH）2，填充了胶凝孔和毛细孔，使得孔结构细化，内部密实度提高，进而改善砂浆的防水性能和力学性能。