摘要: 聚合物水泥防水混凝土因摻入的聚合物能在混凝土凝結(jié)硬化過程中脫水聚合并形成一定的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 可在一定程度上堵塞水泥石孔隙, 提高混凝土斷裂韌性、抗?jié)B性以及其它耐久性能, 是一種防水性能較好的防水混凝土, 適用于抗凍、防裂及抗?jié)B等級(jí)要求較高的防水工程。
關(guān)鍵詞: 聚合物防水混凝土微觀結(jié)構(gòu)抗?jié)B機(jī)理
聚合物水泥防水混凝土是指采用有機(jī)無機(jī)復(fù)合手段, 在混凝土拌合過程中, 加入一定量的高分子聚合物( 單聚體、雙聚體或多聚體) , 利用聚合物對(duì)普通混凝土進(jìn)行改性的一種防水混凝土。
用于制備聚合物水泥防水混凝土的聚合物可分三種類型: 聚合物乳液、水溶性聚合物、液體樹脂。其中最常用、改性效果最好的是聚合物乳液, 主要組份是聚合物顆粒( 0.1μm~1μm) 、乳化劑、穩(wěn)定劑、分散劑等, 其固相成分含量在40%~70%之間。聚合物顆粒通過乳化劑作用均勻地分散在水溶液中, 形成乳液, 并在分散劑和穩(wěn)定劑的作用下使乳液保持較長(zhǎng)時(shí)間不離析絮凝。此外, 為避免乳液帶入的氣泡影響混凝土質(zhì)量, 一般在聚合物乳液內(nèi)還加入一定的消泡劑。
1 聚合物水泥防水混凝土的微觀結(jié)構(gòu)與抗?jié)B機(jī)理
聚合物水泥防水混凝土最突出的特點(diǎn)是其膠結(jié)材由水泥和聚合物兩種成分組成, 使其具有許多不同于普通混凝土的特性。在聚合物水泥防水混凝土中, 聚合物本身的性能雖對(duì)其許多特性起到一定作用, 但最主要原因還是聚合物的摻入導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的變化, 從而影響到混凝土的性能。
首先, 聚合物本身在混凝土中形成聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 并與硬化的水泥漿體形成的連續(xù)結(jié)構(gòu)相互交織, 使混凝土的結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng)。當(dāng)聚合物乳液在混凝土攪拌過程中摻入混凝土后, 乳液中的聚合物顆粒均勻分散在水泥混凝土體系中。隨著水泥顆粒的水化, 體系中一部分水被水泥水化所結(jié)合, 聚合物懸浮液中的水分被轉(zhuǎn)移, 聚合物顆粒在水化產(chǎn)物和未水化顆粒表面、毛細(xì)孔中絮凝, 拌合物中較大的空隙被絮凝的聚合物所填充。隨著水泥水化的進(jìn)一步進(jìn)行, 聚合物之間的水分逐漸被水泥水化所結(jié)合, 絮凝的聚合物逐漸交叉搭接在一起。隨著水泥水化的進(jìn)一步深化, 聚合物幾乎全部聚集在水泥漿體孔隙中, 聚合物中的水分被水泥水化吸收后, 聚合物顆粒相互靠近聚合成一個(gè)整體, 在混凝土空間內(nèi)形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物膜。聚合物膜網(wǎng)絡(luò)同水泥水化產(chǎn)物網(wǎng)絡(luò)相互交織纏繞在一起, 形成一種互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 并把混凝土骨料包裹入其中。聚合物水泥防水混凝土的結(jié)構(gòu)形成過程如圖1 所示。水泥產(chǎn)物與聚合物膜的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使混凝土的
抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性得到改善, 密實(shí)性得到提高, 從而使聚合物水泥防水混凝土具有較強(qiáng)的抗裂防滲能力。
其次, 聚合物與水泥水化產(chǎn)物間發(fā)生的相互作用, 也改善了水泥漿體及混凝土的結(jié)構(gòu)。當(dāng)聚合物水泥混凝土加水拌合后, 一些聚合物分子中的活性基團(tuán)可能與水泥水化產(chǎn)物中的Ca2+、Al3+等產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng), 形成特殊的橋鍵作用, 可改善水泥硬化漿體微結(jié)構(gòu), 緩解內(nèi)應(yīng)力, 減少微裂紋的產(chǎn)生, 從而增強(qiáng)了聚合物水泥防水混凝土的致密性。聚合物與水泥水化產(chǎn)物之間也可通過氫鍵、范德華引力而相互作用, 對(duì)水泥漿體及混凝土的微結(jié)構(gòu)起一定的改善作用。
此外, 絕大部分聚合物對(duì)新拌混凝土有一定的減水作用。聚合物的摻入, 能改善聚合物水泥防水混凝土的工作性,可降低混凝土的水灰比, 從而可降低混凝土的孔隙率, 改善混凝土的孔結(jié)構(gòu), 達(dá)到增強(qiáng)聚合物水泥防水混凝土的抗?jié)B防水功能的效果。
2 聚合物水泥防水混凝土的性能
聚合物水泥防水混凝土在未硬化狀態(tài)下, 因聚合物分散體系中所含的表面活性劑與分散體系本身的親水性膠體作用, 其流動(dòng)性、泌水性得到不同程度改善。硬化后水泥水化產(chǎn)物與聚合物網(wǎng)絡(luò)相互貫穿, 形成與骨料牢固結(jié)合的整體, 因而其抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性提高, 抗?jié)B性、耐久性得到改善。聚合物水泥防水混凝土的性能主要取決于聚灰比、水灰比、灰砂比、聚合物種類等因素。
聚合物水泥防水混凝土的設(shè)計(jì)類似于普通水泥混凝土的設(shè)計(jì), 根據(jù)要求的工作性、強(qiáng)度、抗?jié)B性等進(jìn)行設(shè)計(jì), 所不同的是在設(shè)計(jì)過程中, 應(yīng)首先確定聚合物與水泥的比值, 即聚灰比。聚合物對(duì)新拌混凝土的工作性有較大影響, 這是因?yàn)榉稚⒌木酆衔镱w粒同粉煤灰一樣具有滾珠效應(yīng), 能提高新拌混凝土的流動(dòng)性; 同時(shí), 聚合物本身及加入到乳液中以減少聚合物懸浮顆粒聚沉的表面活性劑具有減水劑效果, 可減少混凝土用水量; 此外, 加入聚合物乳液中的表面活性劑及穩(wěn)定劑在新拌聚合物水泥防水混凝土中引入許多氣泡, 適量氣泡的引入可改善新拌混凝土和易性。氣泡還可改善硬化混凝土的抗凍能力, 但太多的氣泡會(huì)使強(qiáng)度降低。因此, 通常在
聚合物水泥防水混凝土中加入消泡劑, 以控制引入的氣泡量。由于引氣作用改善了顆粒堆積狀態(tài), 提高了聚合物水泥防水混凝土中水泥顆粒的分散效果, 從而使泌水和離析現(xiàn)象減少。因此, 聚合物的表面活性劑作用及親水性膠體特征等特性使得混凝土的微結(jié)構(gòu)更加均勻。
聚合物的摻加使硬化聚合物水泥防水混凝土的抗拉、抗彎和抗壓強(qiáng)度得到提高。抗壓強(qiáng)度的提高主要?dú)w結(jié)于聚合物水泥防水混凝土需水量的減少。抗拉、抗彎強(qiáng)度的提高主要是因?yàn)榫酆衔锱c水泥漿體間的互穿網(wǎng)絡(luò)的形成, 改善了骨料與水泥漿體的粘結(jié), 減少了裂隙的形成?；炷猎趹?yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展時(shí), 聚合物能跨越裂紋并抑制裂縫擴(kuò)展, 從而使聚合物水泥防水混凝土的斷裂韌性、變形性能得以提高。此外, 聚合物水泥防水混凝土的工作性和分散性的改善,使水化水泥漿體的均質(zhì)性提高, 也是抗拉和抗彎強(qiáng)度提高的原因之一。
聚合物水泥防水混凝土與其它材料的粘接強(qiáng)度高于普通混凝土。親水性聚合物與水泥顆粒懸浮液的液相一起向被粘附材料孔隙內(nèi)滲透, 在孔隙內(nèi)充滿被聚合物增強(qiáng)的水泥水化產(chǎn)物, 使得聚合物水泥防水混凝土與被粘附材料間具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度。有試驗(yàn)表明, 添加少量聚合物就可使粘接強(qiáng)度提高30%, 當(dāng)聚灰比達(dá)0.2 時(shí)粘接強(qiáng)度可提高10 倍。
聚合物水泥防水混凝土的耐久性要比普通混凝土好。這是由于聚合物網(wǎng)絡(luò)與水泥水化產(chǎn)物間的互穿網(wǎng)絡(luò)的存在, 以及使用聚合物時(shí)較低的孔隙率及合理的孔結(jié)構(gòu)所致。聚合物水泥防水混凝土彈性模量較普通混凝土低, 對(duì)改善聚合物水泥防水混凝土的變形協(xié)調(diào)性有利; 同時(shí), 聚合物水泥防水混凝土的抗拉強(qiáng)度提高, 延伸性能改善, 可減少混凝土內(nèi)裂縫的形成, 有利于聚合物水泥防水混凝土耐久性的提高。然而,由于混凝土內(nèi)聚合物網(wǎng)絡(luò)在高溫條件下的不穩(wěn)定性, 聚合物水泥防水混凝土的耐火性比普通混凝土差。除了隨溫度升高強(qiáng)度降低外, 溫度上升到一定程度會(huì)對(duì)聚合物網(wǎng)絡(luò)形成破壞, 導(dǎo)致混凝土抗?jié)B性、耐久性大幅度下降。
3 工程上常用的聚合物水泥防水混凝土
3.1 丙烯酸類聚合物水泥防水混凝土
丙烯酸類聚合物水泥防水混凝土是工程上比較常用的聚合物水泥防水混凝土。丙烯酸是丙烯酸及其同系物酯類的總稱, 用于配制聚合物水泥防水混凝土的是其乳液。丙烯酸乳液由丙烯酸類單體, 包括丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯以及甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯等, 通過乳液共聚而制得。丙烯酸乳液的粘結(jié)性、耐水性、耐堿性及耐候性等性質(zhì)均較好。由于丙烯酸類聚合物可能是多種單體的共聚物, 因此, 如果不說明聚合物的組成和性能,丙烯酸樹脂這個(gè)總稱不足以描述某種具體聚合物的性質(zhì)。
用于防水混凝土配制的丙烯酸類聚合物的典型特征是:固含量較高, 一般在40%~50%范圍內(nèi), 成膜溫度低于室溫。
丙烯酸用于配制聚合物水泥防水混凝土?xí)r, 除在混凝土內(nèi)部聚合形成聚合物網(wǎng)絡(luò)外, 丙烯酸還可在水泥水化產(chǎn)生的Ca2+作用下發(fā)生皂化反應(yīng), 生成的鈣鹽不溶于水, 能堵塞混凝土內(nèi)毛細(xì)孔, 增加混凝土的密實(shí)性, 增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B防水能力。
3.2 乙烯- 醋酸乙烯共聚物( EVA) 水泥防水混凝土
乙烯- 醋酸乙烯共聚物乳液是乙烯與醋酸乙烯乳液聚合而得的共聚物水分散體系, 為乳白色粘稠液體。EVA 水泥防水混凝土應(yīng)用范圍十分廣泛, 既可用作一般防水工程的防水抗?jié)B處理, 也可用作有潮濕工作面及有一定慢滲水壓的已滲漏防水工程的防水、防滲的維修。
在EVA 乳液分子中, 因乙烯基的引入使得高分子主鏈變得柔軟, 塑性增強(qiáng), 避免了外加低分子量增塑劑產(chǎn)生的遷移、滲析、揮發(fā)等缺點(diǎn); EVA 乳液最低成膜溫度低于醋酸乙烯酯乳液, 其表面張力也較低, 有很快的固化速度和較好的濕粘性; EVA 乳液形成的聚合物膜耐水性高于醋酸乙烯酯乳液, 耐酸堿、耐高溫性能均較優(yōu)。
由EVA 乳液配制的聚合物防水混凝土具有良好的力學(xué)性能和較好的抗裂性能。在適當(dāng)?shù)呐浜媳认? EVA 聚合物水泥防水混凝土的抗壓強(qiáng)度較相同配合比的普通水泥混凝土有所提高, 抗拉強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度提高1.5 倍左右。EVA 聚合物分子鏈上的極性基團(tuán)對(duì)水有一定的吸附作用, 在水的作用下, 適度交聯(lián)的聚合物仍有一定的遇水溶脹作用。這種溶脹作用可使水泥石孔隙中的聚合物發(fā)生體積膨脹, 阻止水進(jìn)一步的滲透, 使混凝土具有良好的防水抗?jié)B性能。因聚合物分子鏈上的極性基團(tuán)會(huì)與水泥無機(jī)相產(chǎn)生化學(xué)吸附作用, 可提高兩相的粘結(jié)力。聚合物特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)使得其混凝土對(duì)普通砂漿和混凝土材料具有良好的濕態(tài)粘結(jié)性, 這在防水工程中尤其是已發(fā)生滲漏和潮濕的工作面上施工具有特殊的意義。
3.3 環(huán)氧聚合物乳液水泥防水混凝土
環(huán)氧聚合物乳液是將環(huán)氧樹脂單體在水中進(jìn)行乳液聚合而獲得的, 乳液中聚合物粒子很小, 是低分子化合物。配制防水混凝土?xí)r, 各組分材料混合以后, 在水泥水化的同時(shí), 小分子環(huán)氧樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)生成交聯(lián)的體形大分子。聚合形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)穿插水泥硬化漿體中, 與水泥形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 增強(qiáng)了防水混凝土的強(qiáng)度及抗?jié)B性。
通常環(huán)氧聚合物是雙組分的, 一個(gè)組分含環(huán)氧樹脂, 另一個(gè)組分含固化劑。兩個(gè)組分一般都配制成乳液; 也可配制時(shí)加入一定的乳化劑, 當(dāng)它們與水混合時(shí)才形成乳液, 從而分散在水泥漿體中。最常用的環(huán)氧樹脂是雙酚A 環(huán)氧樹脂,當(dāng)環(huán)氧樹脂與固化劑配比( 一般按官能團(tuán)的摩爾比進(jìn)行配比) 適當(dāng), 固化得到的環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度及耐久性比較好。
環(huán)氧聚合物乳液防水混凝土的聚灰比為0.1~0.2。加入環(huán)氧聚合物乳液的防水混凝土抗折和抗拉強(qiáng)度比未摻混凝土提高近一倍, 收縮率只有未摻混凝土的40%左右, 混凝土抗?jié)B性有較大提高。
4 結(jié)語
由于聚合物的改性作用, 聚合物水泥防水混凝土的斷裂韌性、抗?jié)B性、抗凍性以及耐腐蝕性等方面優(yōu)于普通防水混凝土, 但聚合物成分的加入, 增加聚合物水泥防水混凝土的成本, 因此, 一般用于對(duì)抗凍、防裂及抗?jié)B等級(jí)要求較高的防水工程。
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