混凝土用聚合物改性水泥基涂料的性能研究.pdf

第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023收稿日期 2023-05-09作者简介 邓会杰(1979-),男,山东平原人,高级工程师,学士,研究方向为水利工程施工;宋 宇(1974-),女,山东平原人,高级工程师,研究方向为水利工程.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.09.032混凝土用聚合物改性水泥基涂料的性能研究邓会杰1,宋 宇2(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)摘 要为了提升水泥基涂料的性能,以改性混凝土用聚合物水泥基涂料为研究对象,分析聚合物改性水泥基涂料涂覆对混凝土抗渗性能的影响。结果表明,二氧化硅粉末对聚合物改性水泥基涂料的抗拉强度有显著提升;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。研究结果可为混凝土结构防渗提供参考。关键词聚合物;水泥涂层;二氧化硅;混凝土抗渗中图分类号 TV431+.6 文献标识码 B 文章编号 1006-7175(2023)09-0153-041 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 78,最低成膜温度小于 0,Tg 值为-10,固含量为 551%,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 PO 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 525mm 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351第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023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 202、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 1.50.2mm。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:无任何处理;浸泡于普通自来水中 1681h;浸泡于 1%H2SO4溶液中1681h;浸泡于 2%H2SO4溶液中 1681h;浸泡于 0.1%NaOH 溶液中 1681h;浸泡于 0.2%NaOH 溶液中 1681h。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:T=PHL(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。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451邓会杰,等:混凝土用聚合物改性水泥基涂料的性能研究第 9 期蚀对养护 14 和 28d 的聚合物改性水泥基涂料的图 1 聚合物改性水泥基涂料的抗拉强度抗拉强度影响较小,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551第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023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13.40810-12m2/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。4 结 论本文研究了混凝土用聚合物改性水泥基涂料的抗拉强度以及二氧化硅掺量对性能的影响,分析了聚合物改性水泥基涂料在水环境、酸环境和碱环境下抗拉强度的变化,对涂覆有聚合物改性水泥基涂料的混凝土进行了吸水性实验和抗氯离子试验,结论如下:1)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。二氧化硅粉末掺量为6%的聚合物改性水泥基涂料,与未掺二氧化硅的聚合物改性水泥基涂料相比,不同龄期的抗拉强度增加约 20.5%29.8%。2)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。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与无浸泡的聚合物改性水泥基涂料相比显著增加,在 0.2%NaOH 溶液中,7d 抗拉强度分别增加 1.3%28.4%。3)涂覆有聚合物改性水泥基涂料的混凝土在二氧化硅粉末掺量为 6%时,混凝土的吸水率在 150min 时降低 61.4%。同时,混凝土的抗渗性能提升效果最佳。参考文献1 王磊,王超.聚丙烯纤维快硬混凝土抗渗性能研究J.混凝土,2019(5):153-156.2 程赟,罗健林,滕飞,等.改性防水聚氨酯涂料的性能评价J.聚氨酯工业,2021,36(3):41-43.3 马骏,孙冬,张明爽,等.氧化石墨烯改性环氧树脂涂料的制备及防腐性能J.化工进展,2021,40(8):4456-4462.651