整體剛性自防水砂漿抗凍融性能研究

李發(fā)平,劉杰勝,杜立偉，董 莪,邢珊珊

( 1.武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院 湖北 武漢430023; 2.武漢市東西湖區(qū)吳家山第一中學(xué) 湖北 武漢 430040)

整體剛性自防水砂漿抗凍融性能研究

李發(fā)平1,劉杰勝1,杜立偉2，董 莪1,邢珊珊1

( 1.武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院 湖北 武漢430023; 2.武漢市東西湖區(qū)吳家山第一中學(xué) 湖北 武漢 430040)

隨著我國的土木建筑業(yè)的不斷發(fā)展，水泥砂漿起著舉足輕重的作用。通過在普通水泥砂漿中加入不同摻量的有機硅來研究其對水泥砂漿的抗凍融性能的影響。研究表明內(nèi)摻不同摻量有機硅聚合物水泥砂漿(SPM,Silicone Polymer Mortar)與普通水泥砂漿(M, Cement Mortar)在凍融條件下相比，內(nèi)摻不同摻量有機硅聚合物水泥砂漿的質(zhì)量損失率減少，強度損失率增大外觀剝落情況良好。當(dāng)發(fā)生凍融破壞時，有機硅與水發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)“偶聯(lián)橋鍵”作用，使得界面作用增強, 導(dǎo)致質(zhì)量損失率降低。

有機硅;水泥砂漿;抗凍;SEM

1 引言

隨著基礎(chǔ)建設(shè)的大規(guī)模開展，水泥材料得到了更加廣泛的應(yīng)用，同時對水泥砂漿的要求越來越高[1- 3 ]。采用聚合物改性的方法制備高性能水泥基復(fù)合材料是目前研究的熱點。其中，有機硅改性水泥砂漿是一種新型的水泥基復(fù)合材料，具有良好的整體剛性自防水特點, 且具有較小的彈性模量、較好的力學(xué)性能、優(yōu)異的抗?jié)B性能、抗酸侵蝕性、抗化學(xué)腐蝕性等特點，使得有機硅聚合物水泥砂漿被廣泛應(yīng)用在房屋建筑、道路交通、水利水電等領(lǐng)域[4-10]。筆者采用KH560對水泥砂漿進(jìn)行改性，研究了有機硅水泥砂漿抗凍融性能，為制備高性能水泥基復(fù)合材料奠定了一定的基礎(chǔ)[11]。

2 實驗部分

2.1 原材料

采用中粗砂，細(xì)度模數(shù)為2.6；水泥：42.5號普通硅酸鹽水泥，華新水泥廠生產(chǎn)；水∶清潔自來水；水泥∶砂：水=1∶2∶0.4。湖北武大有機硅新材料股份有限公司生產(chǎn)的硅烷偶聯(lián)劑，包括:KH-560 γ-[(2,3)-環(huán)氧丙氧]丙基三甲氧基硅烷。

2.2 制備過程

按照上述材料分別制作普通水泥砂漿和有機硅水泥砂漿，試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，組數(shù)為10組，每組3個。將養(yǎng)護(hù)28天70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試件放在養(yǎng)護(hù)室備用。

為了書寫更加方便，將普通水泥砂漿和不同摻量的有機硅聚合物水泥砂漿做以下簡稱，如表1所示。

表1 普通水泥砂漿和不同摻量的有機硅聚合物水泥砂漿簡稱

全稱簡稱普通水泥砂漿M摻加1%的KH?560有機硅聚合物水泥砂漿SPM1摻加3%的KH?560有機硅聚合物水泥砂漿SPM3摻加5%的KH?560有機硅聚合物水泥砂漿SPM5

2.3 測試與表征

將養(yǎng)護(hù)好的試樣放入凍融循環(huán)試驗機中，每凍融循環(huán)25次對試件進(jìn)行一次外觀檢查，記錄試件的破壞情況；每次凍融循環(huán)的時間應(yīng)控制在2—4 h內(nèi)，融化時間不得小于整個凍融時間的l/4，凍結(jié)和融化溫度應(yīng)分別控制在-17±2 ℃和8士2 ℃。當(dāng)凍融遇到該組試件3塊有2塊出現(xiàn)明顯(分層、裂開、貫通縫)即可停止試驗。

凍融試驗主要采用抗壓強度損失率和質(zhì)量損失率來反映水泥砂漿表面和內(nèi)部損傷嚴(yán)重程度。

2.3.1 質(zhì)量損失率

式中：ΔW—n次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量損失率(%)；

M0一融循環(huán)前試件的質(zhì)量(kg)；

Mn—n次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量(kg)。

2.3.2 強度損失率

式中：Δfm—n次凍融循環(huán)后砂漿試件的強度損失率(%)；

fm1—對比試件抗壓強度平均值(MPa)；

fm2—n次凍融循環(huán)后3塊試件的抗壓強度平均值(MPa)。

2.3.3 宏觀特征

通過內(nèi)摻不同摻量的有機硅水泥砂漿和普通水泥砂漿的孔隙情況、麻面大小、收縮、剝落情況等進(jìn)行比較，得出不同摻量的有機硅水泥砂漿較普通水泥砂漿的優(yōu)勢所在[11]。

2.3.4 微觀機理分析

通過氮吸附實驗來對砂漿體系內(nèi)部致密性進(jìn)行研究，主要是通過吸附脫附曲線圖和孔徑孔容分布圖來對內(nèi)部孔隙來進(jìn)行反應(yīng)，得出不同摻量的有機硅對普通水泥砂漿的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)量損失率

M分別和SPM21、SPM23、SPM25在凍融循環(huán)下的質(zhì)量損失率(%)如表2和圖1所示。

表2 凍融循環(huán)下質(zhì)量損失率 /%

圖1 凍融循環(huán)下質(zhì)量損失率

由表2可知，在凍融循環(huán)數(shù)達(dá)到200時，普通水泥砂漿質(zhì)量損失率達(dá)到2.16%，而此時加了不同摻量的有機硅的質(zhì)量損失率都在0.55%以下。

由圖1可知隨著凍融循環(huán)次數(shù)的依次增加，有機硅水泥砂漿的的質(zhì)量損失率整體上要比普通水泥砂漿的質(zhì)量損失率要低，且隨著凍融次數(shù)的增多，普通水泥砂漿和有機硅水泥砂漿的質(zhì)量損失率呈增大的趨勢。對于有機硅水泥砂漿，隨著有機硅摻量的增多，質(zhì)量損失率有減小的趨勢。由上述實驗結(jié)果可知：摻加有機硅的水泥砂漿在凍融循環(huán)達(dá)到200次時，質(zhì)量損失率在試驗要求范圍內(nèi)，有機硅的加入大大提高了普通水泥砂漿的抗凍融性能?？赡茉蚴钱?dāng)在水泥砂漿中內(nèi)摻有機硅，有機硅能與水泥砂漿直接發(fā)生化學(xué)結(jié)合，產(chǎn)生化學(xué)“偶聯(lián)橋鍵”作用，界面作用增強，一定程度上能抵御凍融破壞產(chǎn)生的孔洞和剝落現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致質(zhì)量損失率減少[12]。

3.2 強度損失率

普通水泥砂漿M和有機硅聚合物水泥砂漿SPM在凍融循環(huán)下的強度損失率如表3，圖2所示。

表3 凍融循環(huán)下強度損失率 /%

圖2 凍融循環(huán)下強度損失率

由表3可知，在凍融循環(huán)達(dá)到200次時，SPM1的強度損失率為23.72%，SPM3的強度損失率為20.87%，SPM5的強度損失率為13.3%。

由圖2可知，在凍融情況下，有機硅水泥砂漿的強度損失率整體上要比普通水泥砂漿的強度損失率要高，且隨著凍融循環(huán)的次數(shù)的增加，強度損失率有增大的趨勢。對于有機硅水泥砂漿，隨著有機硅摻量的增大，凍融循環(huán)下的強度損失率有減小的趨勢。可能原因是由于有機硅和水反應(yīng)生成一種聚合膜，從而包裹住水泥砂漿顆粒，一定程度上阻止了水泥水化，使水泥沒有水化完全，從而使有機硅水泥砂漿的力學(xué)強度減少[12]，當(dāng)受到外界凍融條件作用時，會使有機硅水泥砂漿的抗壓強度損失率增大。

3.3 外觀變化

經(jīng)過凍融循環(huán)后，試塊的表面將會出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象，形成麻面，而且還會出現(xiàn)大量多的空隙，當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到150次時脫落現(xiàn)象非常嚴(yán)重；空白樣較加入有機硅后的試塊脫落、孔洞現(xiàn)象要嚴(yán)重，如圖3所示；而加入有機硅的量對試件外觀變化的影響不是非常明顯，如圖4, 圖5，圖6所示。

3.4 微觀機理分析

圖7為普通水泥砂漿(M)的吸附脫附曲線圖和孔徑孔容分布圖，由M的吸附脫附曲線圖可以看出，M的等溫線屬于典型的Ⅳ型等溫線，此外，由BJH孔徑分布曲線可知,水泥砂漿的孔隙體積和平均孔徑分別為0.081 71 cm3/g、8.622 59 nm,這表明水泥砂漿是一種多孔介孔材料(孔直徑小于2 nm的為微孔、大于2 nm小于50 nm的為介孔、50 nm以上的為大孔)。由氮氣吸附—脫附曲線可觀察到,當(dāng)壓力低于0.2P/P0(相對壓力)時,吸附等溫線陡峭增加但存在明顯的吸附平臺(即毛細(xì)凝聚現(xiàn)象)。而脫附等溫線的滯后環(huán)表明水泥砂漿表面存在著豐富的介孔和微孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)壓力大于0.7P/P0(相對壓力)時,發(fā)生了明顯的吸附現(xiàn)象,表明該吸附過程主要存在于水泥砂漿的表面和層間。由M的孔徑孔容分布圖可以看出，孔徑孔容曲線斜率逐漸變換，說明水泥砂漿材料中主要分布著微孔和介孔，大孔分布很少。

圖3 空白樣凍融前后對比

圖4 SPM21凍融前后對比

圖5 SPM23凍融前后對比

圖6 SPM25凍融前后對比

圖8至圖10分別為摻加1%、3%、5%的KH-560有機硅聚合物水泥砂漿的吸附—脫附曲線圖和孔徑孔容分布圖。由這些圖中的吸附—脫附曲線圖可以看出等溫線仍屬于典型的Ⅳ型等溫線，滯后環(huán)也較普通水泥砂漿要小，可能說明添加有機硅后，形成了一種膜的結(jié)構(gòu)，使得砂漿中孔隙間距變小。

圖7 普通水泥砂漿(M)的吸附脫附曲線圖和孔徑孔容分布圖

圖8 SPM21的吸附脫附曲線圖和孔徑孔容分布圖

圖9 SPM23的吸附脫附曲線圖和孔徑孔容分布圖

圖10 SPM25的吸附脫附曲線圖和孔徑孔容分布圖

由圖11可知，有機硅與水泥顆粒發(fā)生反應(yīng)，可能產(chǎn)生化學(xué)“偶聯(lián)橋鍵”作用，使界面作用增強，導(dǎo)致質(zhì)量損失率降低，當(dāng)發(fā)生凍融破壞時，能一定程度減小因為凍融產(chǎn)生的破壞情況。

圖11 有機硅與水泥顆粒的界面作用

4 結(jié)論

筆者通過內(nèi)摻有機硅制備整體剛性自防水砂漿,研究了對普通水泥某些的基本性能的影響規(guī)律，為制備高性能水泥基復(fù)合材料奠定了一定的基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明有機硅的加入一定程度上能減少水泥砂漿的質(zhì)量損失率，但因內(nèi)摻有機硅會導(dǎo)致水泥砂漿的力學(xué)強度降低，當(dāng)發(fā)生凍融破壞時使水泥砂漿強度損失率增大。微觀結(jié)構(gòu)表明：當(dāng)發(fā)生凍融破壞時，內(nèi)摻有機硅砂漿的水泥試樣較空白樣的孔隙間距??；當(dāng)有機硅與水泥顆粒發(fā)生反應(yīng)時，產(chǎn)生化學(xué)“偶聯(lián)橋鍵”作用，使界面作用增強，導(dǎo)致質(zhì)量損失率降低。

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Research on freeze-thawing resistance of monolithic rigid self-waterproofing mortar

LIFa-ping1,LIUJie-sheng1,DUli-wei2,DONGE1,XINGShan-shan1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Polytechnic, Wuhan 430023，China; 2.Wuhan Wujiashan No.3 Middle School in Dongxihu District,Wuhan 430040,China)

With the continuous development of china's civil construction industry, cement mortar has an important role. This study affected by adding different parameters organic silicon into ordinary cement mortar is to explore the basic properties of cement mortar. The results indicate that compared with different parameters organic silicon(SPM silicone, polymer Mortar)with the ordinary cement mortar (M, cement, Mortar)under freezing condition, the mass loss rate of organic silicon cement mortar decreases and the strength loss rate increases. Moreover, its appearance becomes fine. The results show that when subjected to freeze-thawing cycles, organic silicon reacts with water, which cause in chemical coupling effect. Meanwhile, the interface effect enhances, and it’s the mass loss rate decreases.

organic silicon; cement mortar; frost resistance; intensity；SEM

2016-12-09. 修改日期：2017-01-13.

李發(fā)平(1993-)，男，碩士研究生,E-mail:lfp0911@126.com.

劉杰勝(1980-)，男，副教授,E-mail:ljs628@163.com.

國家自然科學(xué)基金青年基金(51409203);武漢輕工大學(xué)校立科研計劃重點項目(2015d3).

2095-7386(2017)01-0071-06

10.3969/j.issn.2095-7386.2017.01.015

TU 52

A