摘要: 聚合物水泥防水混凝土因掺入的聚合物能在混凝土凝结硬化过程中脱水聚合并形成一定的聚合物网络结构, 可在一定程度上堵塞水泥石孔隙, 提高混凝土断裂韧性、抗渗性以及其它耐久性能, 是一种防水性能较好的防水混凝土, 适用于抗冻、防裂及抗渗等级要求较高的防水工程。
关键词: 聚合物防水混凝土微观结构抗渗机理
聚合物水泥防水混凝土是指采用有机无机复合手段, 在混凝土拌合过程中, 加入一定量的高分子聚合物( 单聚体、双聚体或多聚体) , 利用聚合物对普通混凝土进行改性的一种防水混凝土。
用于制备聚合物水泥防水混凝土的聚合物可分三种类型: 聚合物乳液、水溶性聚合物、液体树脂。其中最常用、改性效果最好的是聚合物乳液, 主要组份是聚合物颗粒( 0.1μm~1μm) 、乳化剂、稳定剂、分散剂等, 其固相成分含量在40%~70%之间。聚合物颗粒通过乳化剂作用均匀地分散在水溶液中, 形成乳液, 并在分散剂和稳定剂的作用下使乳液保持较长时间不离析絮凝。此外, 为避免乳液带入的气泡影响混凝土质量, 一般在聚合物乳液内还加入一定的消泡剂。
1 聚合物水泥防水混凝土的微观结构与抗渗机理
聚合物水泥防水混凝土最突出的特点是其胶结材由水泥和聚合物两种成分组成, 使其具有许多不同于普通混凝土的特性。在聚合物水泥防水混凝土中, 聚合物本身的性能虽对其许多特性起到一定作用, 但最主要原因还是聚合物的掺入导致混凝土结构的变化, 从而影响到混凝土的性能。
首先, 聚合物本身在混凝土中形成聚合物网络结构, 并与硬化的水泥浆体形成的连续结构相互交织, 使混凝土的结构得到加强。当聚合物乳液在混凝土搅拌过程中掺入混凝土后, 乳液中的聚合物颗粒均匀分散在水泥混凝土体系中。随着水泥颗粒的水化, 体系中一部分水被水泥水化所结合, 聚合物悬浮液中的水分被转移, 聚合物颗粒在水化产物和未水化颗粒表面、毛细孔中絮凝, 拌合物中较大的空隙被絮凝的聚合物所填充。随着水泥水化的进一步进行, 聚合物之间的水分逐渐被水泥水化所结合, 絮凝的聚合物逐渐交叉搭接在一起。随着水泥水化的进一步深化, 聚合物几乎全部聚集在水泥浆体孔隙中, 聚合物中的水分被水泥水化吸收后, 聚合物颗粒相互靠近聚合成一个整体, 在混凝土空间内形成连续的网状结构的聚合物膜。聚合物膜网络同水泥水化产物网络相互交织缠绕在一起, 形成一种互穿网络结构, 并把混凝土骨料包裹入其中。聚合物水泥防水混凝土的结构形成过程如图1 所示。水泥产物与聚合物膜的互穿网络结构使混凝土的
抗拉强度、断裂韧性得到改善, 密实性得到提高, 从而使聚合物水泥防水混凝土具有较强的抗裂防渗能力。
其次, 聚合物与水泥水化产物间发生的相互作用, 也改善了水泥浆体及混凝土的结构。当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团可能与水泥水化产物中的Ca2+、Al3+等产生交联反应, 形成特殊的桥键作用, 可改善水泥硬化浆体微结构, 缓解内应力, 减少微裂纹的产生, 从而增强了聚合物水泥防水混凝土的致密性。聚合物与水泥水化产物之间也可通过氢键、范德华引力而相互作用, 对水泥浆体及混凝土的微结构起一定的改善作用。
此外, 绝大部分聚合物对新拌混凝土有一定的减水作用。聚合物的掺入, 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, 从而可降低混凝土的孔隙率, 改善混凝土的孔结构, 达到增强聚合物水泥防水混凝土的抗渗防水功能的效果。
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状态下, 因聚合物分散体系中所含的表面活性剂与分散体系本身的亲水性胶体作用, 其流动性、泌水性得到不同程度改善。硬化后水泥水化产物与聚合物网络相互贯穿, 形成与骨料牢固结合的整体, 因而其抗拉强度、断裂韧性提高, 抗渗性、耐久性得到改善。聚合物水泥防水混凝土的性能主要取决于聚灰比、水灰比、灰砂比、聚合物种类等因素。
聚合物水泥防水混凝土的设计类似于普通水泥混凝土的设计, 根据要求的工作性、强度、抗渗性等进行设计, 所不同的是在设计过程中, 应首先确定聚合物与水泥的比值, 即聚灰比。聚合物对新拌混凝土的工作性有较大影响, 这是因为分散的聚合物颗粒同粉煤灰一样具有滚珠效应, 能提高新拌混凝土的流动性; 同时, 聚合物本身及加入到乳液中以减少聚合物悬浮颗粒聚沉的表面活性剂具有减水剂效果, 可减少混凝土用水量; 此外, 加入聚合物乳液中的表面活性剂及稳定剂在新拌聚合物水泥防水混凝土中引入许多气泡, 适量气泡的引入可改善新拌混凝土和易性。气泡还可改善硬化混凝土的抗冻能力, 但太多的气泡会使强度降低。因此, 通常在
聚合物水泥防水混凝土中加入消泡剂, 以控制引入的气泡量。由于引气作用改善了颗粒堆积状态, 提高了聚合物水泥防水混凝土中水泥颗粒的分散效果, 从而使泌水和离析现象减少。因此, 聚合物的表面活性剂作用及亲水性胶体特征等特性使得混凝土的微结构更加均匀。
聚合物的掺加使硬化聚合物水泥防水混凝土的抗拉、抗弯和抗压强度得到提高。抗压强度的提高主要归结于聚合物水泥防水混凝土需水量的减少。抗拉、抗弯强度的提高主要是因为聚合物与水泥浆体间的互穿网络的形成, 改善了骨料与水泥浆体的粘结, 减少了裂隙的形成。混凝土在应力作用下产生裂纹扩展时, 聚合物能跨越裂纹并抑制裂缝扩展, 从而使聚合物水泥防水混凝土的断裂韧性、变形性能得以提高。此外, 聚合物水泥防水混凝土的工作性和分散性的改善,使水化水泥浆体的均质性提高, 也是抗拉和抗弯强度提高的原因之一。
聚合物水泥防水混凝土与其它材料的粘接强度高于普通混凝土。亲水性聚合物与水泥颗粒悬浮液的液相一起向被粘附材料孔隙内渗透, 在孔隙内充满被聚合物增强的水泥水化产物, 使得聚合物水泥防水混凝土与被粘附材料间具有较高的粘结强度。有试验表明, 添加少量聚合物就可使粘接强度提高30%, 当聚灰比达0.2 时粘接强度可提高10 倍。
聚合物水泥防水混凝土的耐久性要比普通混凝土好。这是由于聚合物网络与水泥水化产物间的互穿网络的存在, 以及使用聚合物时较低的孔隙率及合理的孔结构所致。聚合物水泥防水混凝土弹性模量较普通混凝土低, 对改善聚合物水泥防水混凝土的变形协调性有利; 同时, 聚合物水泥防水混凝土的抗拉强度提高, 延伸性能改善, 可减少混凝土内裂缝的形成, 有利于聚合物水泥防水混凝土耐久性的提高。然而,由于混凝土内聚合物网络在高温条件下的不稳定性, 聚合物水泥防水混凝土的耐火性比普通混凝土差。除了随温度升高强度降低外, 温度上升到一定程度会对聚合物网络形成破坏, 导致混凝土抗渗性、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 丙烯酸类聚合物水泥防水混凝土
丙烯酸类聚合物水泥防水混凝土是工程上比较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类的总称, 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类单体, 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, 通过乳液共聚而制得。丙烯酸乳液的粘结性、耐水性、耐碱性及耐候性等性质均较好。由于丙烯酸类聚合物可能是多种单体的共聚物, 因此, 如果不说明聚合物的组成和性能,丙烯酸树脂这个总称不足以描述某种具体聚合物的性质。
用于防水混凝土配制的丙烯酸类聚合物的典型特征是:固含量较高, 一般在40%~50%范围内, 成膜温度低于室温。
丙烯酸用于配制聚合物水泥防水混凝土时, 除在混凝土内部聚合形成聚合物网络外, 丙烯酸还可在水泥水化产生的Ca2+作用下发生皂化反应, 生成的钙盐不溶于水, 能堵塞混凝土内毛细孔, 增加混凝土的密实性, 增强混凝土的抗渗防水能力。
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与醋酸乙烯乳液聚合而得的共聚物水分散体系, 为乳白色粘稠液体。EVA 水泥防水混凝土应用范围十分广泛, 既可用作一般防水工程的防水抗渗处理, 也可用作有潮湿工作面及有一定慢渗水压的已渗漏防水工程的防水、防渗的维修。
在EVA 乳液分子中, 因乙烯基的引入使得高分子主链变得柔软, 塑性增强, 避免了外加低分子量增塑剂产生的迁移、渗析、挥发等缺点; EVA 乳液最低成膜温度低于醋酸乙烯酯乳液, 其表面张力也较低, 有很快的固化速度和较好的湿粘性; EVA 乳液形成的聚合物膜耐水性高于醋酸乙烯酯乳液, 耐酸碱、耐高温性能均较优。
由EVA 乳液配制的聚合物防水混凝土具有良好的力学性能和较好的抗裂性能。在适当的配合比下, EVA 聚合物水泥防水混凝土的抗压强度较相同配合比的普通水泥混凝土有所提高, 抗拉强度及抗折强度提高1.5 倍左右。EVA 聚合物分子链上的极性基团对水有一定的吸附作用, 在水的作用下, 适度交联的聚合物仍有一定的遇水溶胀作用。这种溶胀作用可使水泥石孔隙中的聚合物发生体积膨胀, 阻止水进一步的渗透, 使混凝土具有良好的防水抗渗性能。因聚合物分子链上的极性基团会与水泥无机相产生化学吸附作用, 可提高两相的粘结力。聚合物特殊的化学结构使得其混凝土对普通砂浆和混凝土材料具有良好的湿态粘结性, 这在防水工程中尤其是已发生渗漏和潮湿的工作面上施工具有特殊的意义。
3.3 环氧聚合物乳液水泥防水混凝土
环氧聚合物乳液是将环氧树脂单体在水中进行乳液聚合而获得的, 乳液中聚合物粒子很小, 是低分子化合物。配制防水混凝土时, 各组分材料混合以后, 在水泥水化的同时, 小分子环氧树脂发生聚合反应生成交联的体形大分子。聚合形成的三维网状结构穿插水泥硬化浆体中, 与水泥形成互穿网络结构, 增强了防水混凝土的强度及抗渗性。
通常环氧聚合物是双组分的, 一个组分含环氧树脂, 另一个组分含固化剂。两个组分一般都配制成乳液; 也可配制时加入一定的乳化剂, 当它们与水混合时才形成乳液, 从而分散在水泥浆体中。最常用的环氧树脂是双酚A 环氧树脂,当环氧树脂与固化剂配比( 一般按官能团的摩尔比进行配比) 适当, 固化得到的环氧树脂的强度及耐久性比较好。
环氧聚合物乳液防水混凝土的聚灰比为0.1~0.2。加入环氧聚合物乳液的防水混凝土抗折和抗拉强度比未掺混凝土提高近一倍, 收缩率只有未掺混凝土的40%左右, 混凝土抗渗性有较大提高。
4 结语
由于聚合物的改性作用, 聚合物水泥防水混凝土的断裂韧性、抗渗性、抗冻性以及耐腐蚀性等方面优于普通防水混凝土, 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, 一般用于对抗冻、防裂及抗渗等级要求较高的防水工程。
参考文献
1 姚国芳等. 柔性水泥防水材料的开发与应用. 工业建筑,2000.9
2 申爱琴等. 聚合物改性超细水泥修补混凝土结构物微裂缝的性能及机理. 中国公路学报, 2006.4
3 薛振东. 我国地下防水工程应用技术发展概况. 建筑技术,2003.7
4 刘生海等. 聚合物乳液改性混凝土应用研究. 北方交通,2006.12
5 熊剑平, 申爱琴. 聚合物水泥混凝土改性机理研究. 郑州大学学报(工学版), 2006.3
