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聚合物水泥基防水材料概述

来源:福建防水网网址:http://www.xjgfs.com浏览数:3

1 前言

聚合物改性水泥基材料是指在普通水泥基材料的配合比基础上,在水泥基材料拌合制备阶段掺入单体或聚合物,浇筑后经水泥水化硬化、单体聚合或聚合物成膜,而成为的一种聚合物-水泥基复合材料。

与普通水泥基材料相比,聚合物改性水泥基材料在防水性、韧性、抗冲击性等方面具有程度的改善。本文简要介绍了聚合物改性水泥基材料的机理模型,并从分类和发展现状方面分析了聚合物改性水泥基防水材料,阐明了聚合物改性水泥基防水材料的发展方向。

2 常用聚合物

在水泥基材料中掺入不饱和单体时,必须同时配合固化剂,比例难以控制,工艺复杂,目前已较少采用。因此,聚合物改性水泥基材料使用的聚合物按状态可分为可再分散性聚合物粉末、聚合物乳液和水溶性聚合物等三类。

常用可再分散性粉末主要包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(E/VAc)、醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯共聚物(VAc/VeoVa)、丙烯酸酯-苯乙烯共聚物(A/S)、苯乙烯-丁二烯共聚物(SBR)、醋酸乙烯酯-乙烯-丙烯酸酯共聚物(VAc/E/A)、以及乙烯-氯乙烯-月桂酸乙烯酯三元共聚物(E/VC/ VL)等。

常用聚合物乳液主要包括苯乙烯-丁二烯共聚物乳液(SBR)、丙烯酸酯乳液(PAE)、聚乙酸乙烯酯乳液(PVAc)、乙烯-乙酸乙烯同聚物乳液(EVA)、氯丁橡胶乳液(CR)以及苯乙烯-丙烯酸酯乳液(SAE)等。

常用水溶性聚合物分为天然水溶性高分子(淀粉类、纤维素、动物胶、植物胶等),化学改性天然聚合物(羧甲基淀粉、羧甲基纤维素等)和合成聚合物(聚丙烯酸酯 (PAM)、聚乙烯吡咯烷酮 (PVP))

改性水泥基材料对聚合物有以下几个方面的基本要求:

(1)   储存稳定性好;

(2)   对碱性离子稳定性高;

(3)   聚合物本身机械稳定性好,在水泥基材料新拌阶段不破乳;

(4)   对水泥水化无负面影响;

(5)   与水泥水化产物和骨料粘结力好;

(6)   聚合物膜耐水、耐碱和耐候性好。

聚合物改性水泥基材料对聚合物的主要性能指标要求为最低成膜温度(MFFT)和玻璃化温度。最低成膜温度即聚合物乳液颗粒有足够活动性,能相互凝聚,干燥后形成连续膜的最低温度,当干燥温度大于MFFT时,可以形成连续的聚合物膜。其决定着聚合物改性水泥基材料的可施工温度。玻璃化温度(Tg)即聚合物由柔性向脆性转变的温度。当温度高于聚合物玻璃化温度Tg时,材料受载时产生弹性变形;当温度低于Tg时,材料易产生脆性破坏。

3 聚合物改性水泥基材料的改性机理

3.1 Ohama模型

早在1973年,Ohama在文献[1]中提出了聚合物水泥混凝土(PCC)微观结构的特征,即1987年文献[2]中的简化模型,将PCC微观结构形成过程划分为三个阶段。

第一阶段,聚合物颗粒均匀分散在新拌水泥混凝土中,形成聚合物水泥浆体。水泥水化产生C-S-H凝胶,聚合物颗粒部分沉积在C-S-H凝胶表面和未水化水泥颗粒表面。

第二阶段,C-S-H凝胶的生成量增加,聚合物颗粒逐渐被限制在毛细孔中,水泥水化导致毛细孔中的水分减少。聚合物颗粒在C-S-H凝胶表面、水泥未水化颗粒表面、集料和浆体之间聚集,形成紧密堆积的层状结构;界面部分的空隙被聚合物颗粒填充。聚合物颗粒与水泥孔溶液中Ca2+可能发生反应。

第三阶段,随着水泥水化,分子间力导致聚合物颗粒融合成膜,与水化产物一起形成贯穿的网状结构。

Ohama模型[2]从微观角度解释了PCC材料力学性能及耐久性能的变化机制,并预测了聚合物与水泥浆体间存在化学反应,为PCC材料开发和后续研究指明了方向。

1 Ohama模型[2]

3.2 B-O-V模型

Ohama在提出模型[2]时已经意识到存在的诸多不足,故将其命名为简化模型。随着认识的不断深入,对Ohama模型的修改工作也随之开始。经过Beeldens等与Ohama充分论证后,在2003年第11届国际水泥化学会议上提出了综合模型[3]2012年又将其命名为B-O-V模型[4],将PCC微观结构的形成过程改为四个阶段。

第一阶段,新拌PCC中,水泥水化使溶液呈碱性,材料中存在集料、水泥未水化颗粒、聚合物颗粒及少量早期水化产物。

第二阶段,部分聚合物颗粒沉积在水泥颗粒表面和集料表面,聚合物/水泥质量比决定了孔溶液中和集料表面的聚合物颗粒数量,聚合物颗粒、集料与水泥颗粒间存在相互影响。干燥养护条件下,可形成连续的膜结构。水泥水化造成颗粒表面局部的吸力增加,促进了附近的聚合物颗粒融合成膜。部分聚合物颗粒与水泥颗粒形成胶囊结构,导致被包裹的水泥颗粒水化延缓或逐渐终止。

第三阶段,聚合物颗粒团聚和融合成膜。干燥条件养护可促进聚合物颗粒成膜过程的完成,潮湿条件养护效果相反;这一阶段大面积成膜导致水泥水化延缓。在材料中存在有机-无机复合的水化产物,聚合物和无机离子可能会相互掺杂进对方的分子结构中。

第四阶段,水化产物间隙和表面的剩余聚合物颗粒继续成膜,最终形成连续的膜结构。材料中仍存在聚合物颗粒,聚集在毛细孔、聚合物-水泥浆体-集料的界面处,养护温度低于最低成膜温度MFFT时,聚合物颗粒不会融合成膜。

Ohama模型最大的不同是,B-O-V模型提出了养护条件的作用。无论湿度还是温度的定量表达都为PCC施工条件的确定奠定了理论基础。

2 BeeldensOhamaVan Gemert模型[4]

4 聚合物改性水泥基防水材料的产品分类

聚合物改性水泥基防水材料按照产品可分为涂料、浆料和砂浆等。

4.1 聚合物改性水泥基防水涂料

聚合物改性水泥基防水涂料(简称JS(J-聚合物;S-水泥))是以聚合物乳液和水泥为主要原料,加入填料及其他助剂配制,经水分挥发和水泥水化反应固化成膜、适用于房屋建筑及土木工程涂膜防水用的一类双组分柔性防水材料。

聚合物改性水泥基防水涂料基于聚合物乳液失水而成为具有粘结性和连续性的弹性膜层,水泥吸收乳液中的水而水化硬化,柔性聚合物膜层与水泥硬化体相互贯穿而牢固地粘结成一个坚固有弹性的防水层。柔性聚合物填充在水泥硬化体的孔隙中,使水泥硬化体更加致密而富有弹性,涂膜具有较好的延伸率。水泥硬化体又填充在聚合物体相中,使其具有更好的耐候性和更好的基层适应性。因此,JS涂料是一种高韧性、高耐久性的弹性涂膜防水层。

4.1.1 乳液的选择

聚合物乳液是防水涂料的主要成膜物质,是影响涂料性能的主要因素,关系到涂膜的耐水性、硬度及柔韧性等性能,因此聚合物乳液作为防水涂料的基料起着非常关键的作用[5,6]。当温度高于聚合物玻璃化温度Tg时,材料受载时产生弹性变形;当温度低于Tg时,材料易产生脆性破坏。因此聚合物的玻璃化温度是影响乳液性能的主要因素。聚合物的玻璃化温度越低,聚合物改性水泥基防水涂料的柔韧性、断裂伸长率和低温性能越好。

4.1.2 养护龄期对JS拉伸性能的影响

董峰亮等[7]研究了白水泥、普通硅酸盐水泥及硫铝酸盐水泥不同养护龄期对JS拉伸性能的影响。随着养护龄期的增加,三种不同水泥涂料的延伸率都明显下降,其中硫铝酸盐水泥复合涂料的28d延伸率甚至低于100%;而抗拉强度均随养护龄期的增加而增大。三种水泥比较而言,以白水泥涂料性能最佳。

4.1.3 液粉比对JS拉伸性能的影响

液粉比是涂料中聚合物乳液的量与所用粉料量的比值。王娴[6]总结出随着液粉比的增大,涂料的拉伸强度呈现出先升后降的趋势,并在液粉比为1时达到峰值1.15MPa,如图3。这是因为液粉比的提高可以使水泥水化反应比较完全;而乳液量继续增加,体系中填料体积浓度减小,容易导致涂料拉伸强度的急剧下降。涂料断裂伸长率逐渐上升,是因为柔性成分不断上升,而且改善了无机粉料与聚合物的界面粘结性能。

3 液粉比对JS拉伸性能的影响[6]

4.2 聚合物改性水泥基防水浆料

聚合物改性水泥基防水浆料(简称JJ(J-聚合物;J-浆料))是以水泥、细骨料为主要原材料,以聚合物和添加剂等为改性材料并以适当配比混合而成的具有一定韧性的柔性防水材料。产品按组分可分为单组分型(D)和双组分型(S)两种。其中,单组分型由水泥、细骨料和可再分散性粉末、添加剂等组成;双组分型由水泥、细骨料和聚合物乳液、添加剂等组成。

Roger Zurbriggen[8]的研究表明,在砂浆中提高聚合物的掺量可以提高柔性。试验结果显示(如图5),在聚合物用量约为15%(质量分数)时,砂浆柔性发生了显著的变化,高于这一阈值用量时,柔性随乳胶粉掺量的增加而提高的幅度明显加大。因此,聚合物改性水泥基防水浆料(JJ浆料)便由此产生。

4 聚合物掺量对柔韧性及横向变形的影响[8]

徐龙贵等[9]通过桥接裂缝能力和横向变形都可以发现,随着乳胶粉掺量的增加(10%增加到16),浆料的柔性在逐渐增加,动态的桥接裂缝能力(7d)0.19mm增加到0.67mm,而横向变形(28d)2.5 mm增加到6.3mm

刘晓斌等[10]采用断裂伸长率对JJ的柔韧性进行表征,发现当聚灰比小于0.35时,防水浆料涂膜没有延伸,显刚性特征;当聚灰比达到0.40时,涂膜的断裂伸长率为8%,开始显现柔性特征;随着聚灰比的增大,涂膜的断裂伸长率逐渐增大,如图5和图6。因此,如果要使防水浆料具有延伸性能,就要保证可再分散粉末的用量达到聚灰比0.35以上。

5 防水浆料的柔韧性测试[10]

6 灰聚比对JJ柔韧性的影响[10]

这是因为在亲水性的保护胶体和机械剪切力的作用下,可再分散粉末分散到水中,并迅速成膜,随着水分的消耗(包括蒸发和无机胶凝材料水化反应的消耗),聚合物粒子渐渐靠近,界面渐渐模糊,形成连续的高分子薄膜,降低了弹性模量,从而提高了浆料的柔韧性,使得砂浆整体上变形能力增强,粘结能力增加。较高的粘结强度对收缩能产生一定的抑制作用,所以浆料的收缩率也相应降低[11]

4.3 聚合物改性水泥基防水砂浆

聚合物改性水泥基防水砂浆(简称JF(J-聚合物;F-防水))是由水泥、细骨料和可再分散性粉末或乳液以及稳定剂、消泡剂等助剂经搅拌混合均匀配制而成的一类刚性防水材料。

其中,刚性是指材料有一定抗压强度、使用年限较长,但自重大、构造形式受限、受损后不易修复;相对应,柔性是指材料有韧性、适应一定的变形和胀缩、不易开裂,但使用年限较短。

4.3.1 液粉比对JF性能的影响

聚合物水泥防水砂浆中,不同掺量的乳液对聚合物水泥防水砂浆的抗渗压力、抗压强度及抗折强度等性能影响非常大。韩朝辉[12]通过试验对比发现,随着乳液用量的增加,所有砂浆试件的7d抗渗压力都能达到1.5MPa,没有差别,但水渗入的深度呈减小的趋势。这主要是由于随着乳液用量增加,高分子聚合物形成的连续聚合物膜堵塞砂浆中的空隙,砂浆中连续空隙减少,进而抗渗性能提高。而且,随着乳液用量增加,材料抗压强度呈现减小的趋势,而抗折强度呈现增大的趋势。这主要是由于随着乳液掺量增加,砂浆的刚性降低、柔性增加,呈现出抗压强度降低、抗折强度增加的趋势。

4.3.2 细骨料级配对JF性能的影响

石英砂在聚合物水泥防水砂浆中主要起到骨架的作用,其粗细及合理的级配对砂浆的柔韧性、抗压及抗折强度等性能都有影响。韩朝辉[12]通过试验发现,砂浆中石英砂级配在一定范围内变化,所有试件抗渗压力都能达到1.5MPa以上,没有明显差别;但水渗入砂浆的深度有明显差别,随着细砂所占比例增加,水渗入的深度明显减小。这可能是由于随着细砂用量增加,砂浆体系的密实度增加,从而使水更难深入到砂浆内部。随着细砂用量增加,抗折强度及抗压强度都增加,但抗折强度增加不明显,而抗压强度增加比较明显,从而造成压折比逐渐增加。

4.3.3 憎水性聚合物对JF性能的影响

使用憎水性聚合物可以提高砂浆的防水能力[13]。憎水性聚合物对防水砂浆的新拌性能及强度影响较小,但对砂浆的抗渗性能有较大影响。随着憎水性聚合物掺量的增加,砂浆水渗透深度逐渐减小,同时羟基与水泥水化产物C-S-H发生聚合反应,使其以化学键与水泥水化产物结合在一起,而具有憎水基的烷基朝向外侧,从而降低砂浆基体中毛细孔表面张力,使水覆盖此表面的能量势垒增加,达到防水的目的。

7 憎水性聚合物与水泥砂浆结合示意图[13]

5 聚合物改性水泥基防水材料的展望

随着国家经济的稳定快速发展和人民生活水平的不断提高,我国防水建材行业迅猛发展,生产更多高质量的环保型防水材料已经成为建筑行业的研究目标。聚合物改性水泥基防水涂料是一种环境友好型建筑防水涂料,具有无毒、无害、无污染及施工简便等独特性能,符合材料科学的发展趋势,是涂料工业目前最活跃的研究领域之一。聚合物改性水泥基防水材料的发展方向主要从以下几个方面考虑:

(1) 研发高性能聚合物改性水泥基防水材料。我国现阶段的聚合物改性水泥基防水涂料,在外墙防水、厕浴间防水和半地下室背水面的防水工程中展示了自身的优势,但在较深的地下防水工程中,选用此类材料失败的案例很多。这是由于在长期潮湿或水浸泡环境下,材料体积膨胀,密度降低,防水性能变差。因此未来的聚合物改性水泥基防水材料将向着防水性能更好、对环境适应性更强的方向发展。

(2) 研发多功能聚合物改性水泥基防水材料。由于目前使用的聚合物改性水泥基防水材料功能比较单一,只注重防水性能,这对防水材料的应用领域有很大的限制,因此拓展聚合物改性水泥基防水材料的功能,是未来防水材料发展的必然趋势,例如在环保防水的基础上研究聚合物改性水泥基防水材料的保温性、隔热性及装饰性等。