有机硅聚合物防水抗裂砂浆性能研究

木子佳靓，刘杰胜，李继祥，刘辉凯，梁超峰，余荆城，冯 彪

(武汉轻工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430023)

水泥砂浆的防水性能十分重要，水能引起混凝土的霜冻破坏，而溶解于水中的物质，特别是氯化物，破坏作用更强。同时混凝土中的Ca2+，Mg2+，Al3+等可溶性盐易发生水溶性迁移［1］，从而造成建筑物表面腐蚀，形成盐霜，影响了建筑物的视觉美观和使用寿命［2］。科学家尝试用无机添加剂如SiO2、水玻璃［3-5］等来提高砂浆的性能，或用硅烷偶联剂加到聚合物树脂中来改善混凝土的强度和粘接性［6］，因此现在讨论有机硅添加剂与水泥砂浆结合对砂浆性能的影响具有积极的意义。

有机硅是一种具有活性烷氧基团的硅烷偶联剂，能与水发生水解反应，生成活性硅醇基团，既可以与水泥砂浆颗粒表面的OH基团发生化学偶联作用，自身也可以发生缩合反应，形成网状交联结构。目前，关于有机硅的应用主要限于外涂作为防护材料，对内掺有机硅改性水泥砂浆的制备及其综合性能还缺乏全面了解，基于此，本文系统研究该改性水泥砂浆的机械力学性能、防水性能及耐久性能，综合评价了该防水水泥砂浆的各项性能指标，以期能够对实际工程应用给予借鉴，以制备具有良好的力学性能、防水性、抗裂性和耐酸碱腐蚀性的水泥砂浆建筑材料。

1 材料与方法

1.1 实验材料

水泥:普通硅酸盐P.O 32.5水泥。砂:标准砂。有机硅烷:KH560，湖北环宇化工有限公司生产。不同KH560乳液用量改性水泥砂浆的配比，见表1。

表1 改性水泥砂浆试件的配合比

1.2 实验方法

样品制备过程:在水泥净浆中加入有机硅聚合物搅拌均匀，有机硅聚合物加入量为水泥质量的1%—5%五组，成型同样尺寸的试件。试件密封养护24 h脱模，然后放入(20±3)℃环境中持续密封养护至相应测试龄期。

1.2.1 力学性能

试件在标准养护条件下养护28 d后，试验前将试件表面擦试干净，将试件安放在试验机的下压板上，试件的承压面应与成型时的顶面垂直，试件中心应与试验机下压板(或下垫板)中心对准。开动试验机，当试件接近破坏而开始迅速变形时，停止调整试验机油门，直至试件破坏，然后记录破坏荷载。

1.2.2 吸水性

成型后将试件放入(20±3)℃、相对湿度90%的养护室中养护到28 d龄期。将试件放在(80±2)℃的烘箱中干燥48 h后取出，放在干燥器中冷却至室温，将试件5个面进行蜡封。将没有涂蜡的一面放在吸满水的饱和聚氨酯海绵上(密度为25—30 g/L)。然后测试12 h试件的吸水率。测定方法参照德国试验方法 DIN52617［7］进行。

1.2.3 抗裂性

砂浆试件的抗裂测试参照 JGJ/T70-2009，《建筑砂浆基本性能试验方法标准》。

1.2.4 抗化学腐蚀性

试件在标准养护条件下养护28 d后，分别在10%HCl溶液和10%NaOH溶液中浸泡，溶液每7 d更换一次，达到规定龄期后，研究试件化学腐蚀前后的质量变化，测其质量损失率。

2 结果与讨论

2.1 力学性能(抗压强度)

虽然砂浆的抗压强度指标相对于其他性能指标而言要求相对校低，但力学性能是其最基本及重要的性能指标之一，是反应砂浆性能优劣的最重要指标。试验结果见图1。

图1 改性水泥砂浆试件的抗压强度

在水泥中有机硅聚合物为1%—5%的用量下，我们把各种有机硅聚合物水泥砂浆的28 d抗压强度与空白试件的抗压强度数据作于图1中。由图1可见，随着有机硅聚合物掺量从1%提高5%，强度稍有下降趋势。而且，改性水泥砂浆的28 d抗压强度都低于空白的水泥砂浆试件28 d抗压强度。

2.2 吸水性

水泥砂浆吸水率试验结果如图2所示。

由图2可见，S0试件12 h后的吸水率是9.5%，表明硬化水泥中水化不充分，且内部孔隙较多。而加了有机硅聚合物的水泥砂浆水化充分，内部孔隙较少，其良好的疏水性使其吸水率大大降低，不同掺量的有机硅对试件吸水性的影响不同。与标准试块相比，S1试块的吸水率只有7.2%，性能增加了24.2%;S2、S3试块的吸水率只达到了6.3%和5.5%，性能提升了33.7%和42.1%;当有机硅的加入量增到水泥砂浆质量的4%和5%时，试块的吸水率达到最低4.5%和3.8%，性能提升了52.6%和60%。

图2 改性水泥砂浆试件的吸水率

由图2可看出:有机硅聚合物水泥砂浆试件组较空白样试件吸水率明显偏低，这是因为水泥砂浆的吸水过程主要是毛细管吸附作用，通过吸收液体来填充水泥砂浆内部的孔隙，因此，吸水性能在很大程度上取决于水泥砂浆本身的微观结构。有机硅聚合物使水泥砂浆密实性变强，填充内部缺陷和孔隙。有机硅掺量越多，水泥砂浆内部水泥的水化越充分，吸水率梯度就会相应地减少。

2.3 抗裂性研究

普通砂浆的弹性模量大，容易开裂，致使水泥砂浆的抗渗性、耐久性受到很大影响。已有研究表明，有机硅的加入可以改善水泥砂浆的抗裂性能［8］。本实验除了在砂浆中加入有机硅，还研究不同掺量对其影响，以改善水泥砂浆的抗裂性能。试验结果见表2。

表2 改性水泥砂浆试件的抗裂试验数据

有机硅在水泥砂浆中的最主要作用是减少或抑制早期塑性裂缝的产生或发展。因为有机硅与砂浆之间存在牢固的化学物理键合作用，当发生水泥砂浆干缩作用时，可对收缩裂缝起到一定的抑制作用［7］。整体而言，从表2中裂缝条数、平均裂缝长度及平均裂缝宽度数据来看，不同浓度的有机硅对抗裂性能均有不同程度的提高，我们可以判断随着有机硅聚合物用量适当的增加，水泥砂浆的抗裂性能会提高。图3是S0、S5水泥砂浆试件裂缝实际效果图。从图中可以清晰的看到从S0到S5裂缝的减少，这足以证明有机硅的使用抑制了裂缝的产生。

2.4 抗酸碱腐蚀

表3给出了水泥砂浆试件的质量损失率与试件有机硅添加量的关系。图4为水泥砂浆试件浸泡酸碱溶液后效果图。从表3中可以看出，S0试件的质量损失率较大，而S5试件的质量损失率较小。由于试件的差别只是有机硅加入量的不同，所以可以近似推断有机硅的掺入有助于减少水泥砂浆应对酸碱情况下的质量损失。而具体表现为随着有机硅掺入量的增加，水泥砂浆的抗酸碱腐蚀性能也逐步提高。

表3 改性水泥砂浆试件抗酸碱腐蚀试验的质量损失

图3 S0、S5水泥砂浆试件裂缝实际效果图

图4 S0、S1和S5水泥砂浆试件浸泡酸碱溶液后实际效果图

3 结论

本文采用有机硅改性水泥砂浆制备有机硅聚合物防水水泥砂浆，并从表观抗压强度、吸水率、抗裂性和抗酸碱腐蚀性等角度，系统研究了其水泥砂浆的相关性能。研究结果表明:随着有机硅聚合物掺量从1%提高5%，强度稍有下降趋势。而且，改性水泥砂浆的28 d抗压强度都低于空白的水泥砂浆试件28 d抗压强度;有机硅聚合物水泥砂浆的12 h吸水率都远比空白试件的9.5%低，具有显著的防水功能，并且有机硅掺量从1%提高到5%时，改性水泥砂浆的吸水率大大降低;随着有机硅聚合物用量适当的增加，水泥砂浆的抗裂性能会提高;有机硅的掺入有助于减少水泥砂浆应对酸碱情况下的质量损失。而具体表现为随着有机硅掺入量的增加，水泥砂浆的抗酸碱腐蚀性能也逐步提高。总得来说，有机硅掺量为5%的有机硅聚合物水泥砂浆的耐久性满足标准要求，力学性能良好，特别是吸水率低，抗裂、抗酸碱腐蚀性高，若要求抗裂砂浆防水性能好，可优先考虑作防水剂。对于如何再减少有机硅防水水泥砂浆的抗压强度损失，提高其防水性能有待进一步的深入研究。

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