混凝土用聚合物改性水泥基涂料的性能研究

2023-09-15邓会杰

水利科技与经济 2023年9期

邓会杰,宋宇

(1.德州市水利工程施工与维修中心,山东德州 253000;2.德州市水利事业发展中心,山东德州 253000)

1 概述

混凝土抗渗性能的改进方法主要分为基本保护和附加保护两种,第一种方法主要通过优化配合比或添加防水剂来提高混凝土的密实度;第二种方法通过涂层保护混凝土。混凝土保护涂层可以有效防止水和其他腐蚀介质进入混凝土,可显著提高混凝土耐久性[1]。根据已有研究,聚氨酯涂料具有附着力高、涂层透水性好、易改性等特点,但聚氨酯类型的涂层含有芳香烃基团,在腐蚀性环境中容易出现粉化、变黄、褪色等不良反应,固化反应缓慢[2]。聚合物改性水泥基涂料主要通过将乳液与水泥作为主要原料混合来制备,如可将丙烯酸酯乳液和乙烯-乙酸乙烯酯乳液与水泥混合。随着水泥水化,逐渐形成防水涂膜,这不仅使聚合物改性水泥具有良好的耐久性,还可提高有机聚合物材料的强度和韧性[3]。

将无机颗粒掺入聚合物乳液以制备无机聚合物复合乳液,是聚合物乳液改性的重要途径。本文将二氧化硅以3%、6%和9%的掺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学性能、耐水性和耐腐蚀性,以期为聚合物改性在水泥基材料中的复合应用提供参考。

2 材料和试验

2.1 原材料

聚丙烯酸乳液选用潍坊某有限公司的BA-310TS型号,黏度<1 500cP,pH值为7～8,最低成膜温度小于0℃,Tg值为-10℃,固含量为55±1%,属于聚合物水泥防水涂料。二氧化硅粉末选用浙江某有限公司的纳米二氧化硅粒子,平均粒径25nm。水泥选用新乡某水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥。细骨料采用细度模数为2.65的天然河砂。碎石采用粒径范围5～25mm的碎石,相对密度2.81,堆积密度1 636kg/m3。混凝土配合比为水泥:天然砂:粗骨料:水=350:805:985:185。

2.2 涂层混凝土试件制备

称取一定量的聚丙烯酸乳液和二氧化硅进行混合,按照质量比0、3%、6%和9%的比例向聚丙烯酸乳液中加入纳米二氧化硅,以1 000rpm的转速搅拌20min,得到二氧化硅有机聚合物复合涂料。为了研究二氧化硅掺入对聚合物改性水泥基涂料防水效果的影响,将其涂覆在混凝土砌块上。混凝土砌块的设计强度等级为C35,混凝土试块浇筑成型拆模后在20±2℃、湿度≥95%的标准养护环境下养护28d。待混凝土试块表面干燥、打磨平整后,将聚合物改性水泥基涂料均匀涂在混凝土表面,涂层厚度1.5±0.2mm。

2.3 试验方法

本文共对比6种不同环境下聚合物改性水泥基涂料对混凝土的影响:①无任何处理;②浸泡于普通自来水中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。根据《建筑防水涂料试验方法》(GB/T 16777-2008)标准,测试水泥基涂层的拉伸性能。水泥基涂层的抗拉强度计算公式如下:

(1)

式中:L为试件中部宽度,mm;H为试件厚度,mm;P为试件的最大拉力,N;T为抗拉强度,MPa。

按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB /T 50082-2009),进行涂覆有二氧化硅改性水泥基涂料混凝土的氯离子渗透试验。

3 结果和讨论

3.1 聚合物改性水泥基涂料的抗拉强度

聚合物改性水泥基涂料的抗拉强度随着龄期的增加而逐渐增加。未经溶液浸泡的聚合物改性水泥基涂料在未掺二氧化硅时,7d抗拉强度为2.25MPa,28d抗拉强度为3.70MPa;二氧化硅掺量为3%、6%和9%时,7d抗拉强度分别增加3.1%、23.6%和23.1%,14d抗拉强度分别增加7.8%、29.8%和15.5%,28d抗拉强度分别增加3.8%、20.5%和15.7%。聚合物改性水泥基涂料的7d强度和14d强度分别为28d强度的60.4%～64.7%和86.9%～93.7%。聚合物改性水泥基涂料的抗拉强度见图1。

图1 聚合物改性水泥基涂料的抗拉强度

由图1(a)可知,二氧化硅粉末掺量为6%的聚合物改性水泥基涂料,7、14和28d抗拉强度分别为2.78、3.72和4.28MPa;与未掺二氧化硅的聚合物改性水泥基涂料相比,抗拉强度增加约20.5%～29.8%。其原因是适当掺量的较细二氧化硅粉末具有良好的分散性,不会在聚合物改性水泥基涂料形成团聚体,有助于提高聚合物改性水泥基涂料的抗拉强度;而过量的二氧化硅颗粒会导致抗拉强度降低,图1(a)中9%掺量的二氧化硅在各龄期的抗拉强度均小于6%掺量时的聚合物改性水泥基涂料。

由图1(b)可知,浸入水中的聚合物改性水泥基涂料的抗拉强度均在一定程度上有所降低,这是因为聚合物改性水泥基涂料表面膜吸收的水具有塑化作用。为了评估聚合物改性水泥基涂料的耐水性,与图1(a)中无浸泡的试样相比,二氧化硅粉末掺量为6%的聚合物改性水泥基涂料在龄期7、14和28d时拉伸强度的降低率分别为9.4%、13.6%和6.5%,二氧化硅粉末掺量为9%的聚合物改性水泥基涂料在龄期7、14和28d时拉伸强度的降低率分别为11.6%、10.2%和14.5%。因此,添加分散良好的超细二氧化硅颗粒可显著提高聚合物改性水泥基涂料的耐水性,此时聚合物改性水泥基涂料的结构较为致密。

由图1(c)和图1(d)可知,浸泡于H2SO4溶液后聚合物改性水泥基涂料的抗拉强度也有一定程度的降低。在1%H2SO4溶液中,二氧化硅粉末掺量为6%的聚合物改性水泥基涂料在龄期7、14和28d时拉伸强度的降低率分别为3.2%、9.1%和2.0%。2%H2SO4溶液中,二氧化硅粉末掺量为6%的聚合物改性水泥基涂料在龄期7、14和28d时拉伸强度的降低率分别为9.7%、14.4%和7.8%。分析其原因,在酸性溶液中的水化产物如C-S-H的分解,导致混凝土在酸侵蚀下的抗拉强度显著降低,孔隙率增加。同时,适当掺量的超细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,二氧化硅粉末掺量为6%时效果最佳。

由图1(e)和图1(f)可知,在碱溶液中浸泡后,7d龄期的聚合物改性水泥基涂料的抗拉强度显著增加。二氧化硅掺量为0、3%、6%和9%时,在0.1%NaOH溶液中,与无浸泡的聚合物改性水泥基涂料相比,7d抗拉强度分别增加12.4%、16.8%、24.5%和20.2%。在0.2%NaOH溶液中,与无浸泡的聚合物改性水泥基涂料相比,7d抗拉强度分别增加23.1%、28.4%、2.2%和1.3%。分析其原因,在碱性环境中有利于水泥水化早期水化产物的形成和结构发展。同时,碱侵蚀对养护14和28d的聚合物改性水泥基涂料的抗拉强度影响较小,表明聚合物改性水泥基涂料具有优异的耐碱性。

本文试验中选用的二氧化硅粉末的粒径较小,平均粒径仅为25nm,可与聚合物更好地混合,改善了聚合物改性水泥基涂料的成膜,并增强了涂层和基材之间的黏附力。另一方面,由于比表面积大,超细二氧化硅粉末具有高的活性,促进了水泥水化进程,促进更多水化产物的形成,如C-S-H、铝酸钙水合物等,在内部形成针状或纤维状的连接。C-S-H表面存在大量不饱和化学键,水泥水化产物的化学键与聚合物的极性基团之间的交联,增强了涂膜的结构,进而增强了拉伸强度。在外力的作用下,由于二氧化硅粉末和聚合物之间的牢固连接,在聚合物改性水泥基涂料内部产生许多微变形区,这些微变形区可以存储和吸收大量能量,从而增强聚合物改性水泥基涂料的力学性能。

3.2 聚合物改性水泥基涂料对混凝土渗透性的影响

3.2.1 吸水性

对涂覆有聚合物改性水泥基涂料的混凝土进行吸水性实验。结果显示,无涂覆的混凝土30、90、150和200min吸水量分别为350、572、648和706g/m2。在二氧化硅粉末掺量为6%的聚合物改性水泥基涂料时,混凝土的吸水率在150和200min时分别降低61.4%和64.0%。在二氧化硅粉末掺量为9%的聚合物改性水泥基涂料时,混凝土的吸水率在150和200min时分别降低71.0%和71.7%。综合分析,通过涂覆良好分散的超细二氧化硅粉末的聚合物改性水泥基涂料,可以获得优异的混凝土减吸水能力。此时,混凝土表面形成较为致密的涂层,表面上的孔隙显著减少。

3.2.2 氯离子渗透性

为了研究聚合物改性水泥基涂料对混凝土渗透性的影响,测量了氯离子渗透系数。结果显示,没有涂层的普通混凝土的氯离子渗透系数为13.408×10-12m2/s。当涂覆聚合物改性水泥基涂料时,在未掺入二氧化硅情况下的氯离子渗透系数降低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离子渗透系数分别降低26.9%、36.6%和31.4%,即掺加6%二氧化硅的聚合物改性水泥基涂料涂覆混凝土的抗渗性能提升效果最佳。

分析其原因,超细二氧化硅粉末的分散程度对聚合物改性水泥基涂料的综合性能有显著影响。当二氧化硅掺量较大或者粒径较粗时,二氧化硅粉末易出现颗粒团聚现象,进而导致聚合物改性水泥基涂料膜内的缺陷增加,使二氧化硅粉末与聚合物改性水泥基涂料之间出现接触面薄弱区域。

本研究中,二氧化硅粉末为纳米级二氧化硅,颗粒较细,在聚合物改性水泥基涂料更易均匀分散,确保了聚合物改性水泥基涂料的性能随二氧化硅掺量的增加而得到改善。如果二氧化硅粉末出现团聚现象,反而会削弱二氧化硅聚合物改性水泥基涂料涂覆对混凝土抗渗性能的改善作用。