掺丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的整体防水混凝土研究

刘方宇，刘超，顾雍舟，黄琳婷（同济大学 土木工程学院，上海　200092）

掺丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的整体防水混凝土研究

刘方宇，刘超，顾雍舟，黄琳婷
（同济大学 土木工程学院，上海200092）

对掺加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的整体防水混凝土的强度、吸水系数以及抗氯离子侵蚀性等进行研究。结果表明，在混凝土拌合料中掺加一定量的丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物，能够使混凝土的毛细吸水系数降低74%以上，改善混凝土的防水性能；与素混凝土相比，掺丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的混凝土氯离子含量明显降低，改善了混凝土的抗氯离子侵蚀能力；掺聚合物延缓了水化反应进行，使得混凝土强度降低。

丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物；整体防水混凝土；抗压强度；吸水系数；氯离子含量

0　前言

随着人们对建筑物安全问题的日益重视，混凝土的耐久性问题也越来越多地被人们所关注。影响混凝土耐久性的主要因素有：混凝土碳化、冻融破坏、侵蚀性介质的腐蚀以及碱集料反应等。研究发现，这些对混凝土的破坏过程都与液态水的存在直接相关，采用适当的防水措施可以减少上述破坏的发生［1］。而传统防水措施效果不是很理想，需要一种更为高效、经济的防水处理方法。丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物为水分散体系，不含有机溶剂，与混凝土和易性好，可以现场施工［2］。并且，由于其产率较高等优点，具有广阔的工业应用前景［3］。因此，研究内掺丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的整体防水混凝土，具有重要的现实意义。

本文在混凝土搅拌过程中掺加不同量的丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物，进行整体防水混凝土的试验，并研究了丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物对混凝土的抗压强度、吸水性能以及抗氯离子侵蚀性的影响。

1　试验

1.1原材料与试件制备

P·O42.5古城山水水泥；5～20 mm连续级配的花岗岩质碎石，济南章丘；河北正定河砂，细度模数2.8，中砂；德州华能电厂Ⅱ级粉煤灰；山东永通实业有限公司矿粉S95；聚羧酸高效减水剂。丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物掺量分别占胶凝材料总质量的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，具体配合比见表1。

试验开始时，将丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物加入到混凝土拌合料中，搅拌均匀后装入100 mm×100 mm×100 mm的钢模中振捣成型，为了不影响丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的防水效果，在浇注时不使用脱模剂。混凝土成型48 h后拆模，然后将试件放入标准养护室 ［（20±3）℃，相对湿度大于90%］中养护。将试件分成2部分，一部分试件在7 d和28 d龄期测试抗压强度；另一部分试件养护至28 d后取出。

1.2吸水性能和氯离子侵入试验

为了研究混凝土的毛细吸水性能，参照ISO 15148［4］对其进行吸水试验，如图1所示。试验前，先将试块置于60℃烘箱内烘干5 d至质量基本恒定；随后对除与水接触面和切割面外的其余4个侧面全部用石蜡密封，以确保整个吸水过程是一维的；将试块放入平底的盛水容器中，底部用垫块支撑，向容器中倒入水，直至液面高出试块底面（5±1）mm；在规定的吸水时间（0、1、2、4、8、12、24、36、48、72 h）取出试块，擦拭表面的液态水后称量，得到混凝土试块在不同时间内的吸水量。

表1　试验用混凝土的配合比　kg/m3

图1　吸水试验示意

氯离子侵入试验装置与吸水试验装置类似，只是将水换成3%浓度的NaCl溶液。浸泡28 d后，从接触面开始对试件的不同高度处进行研磨取粉，将磨好的粉末用氯离子滴定法测试试件中氯离子的含量；同时采用傅立叶转换红外光谱仪（FT-IR）测试掺加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的试件中丙烯酸盐的含量。

2　试验结果与讨论

2.1丙烯酰胺-丙烯酸掺量对混凝土抗压强度的影响（见图2）

由图2可知，随着丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物掺量的增加，混凝土的28d抗压强度明显降低。这说明掺加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物延缓了混凝土中水泥水化反应的进行，致使水化产物减少，使混凝土的7d、28d抗压强度有所降低，并且丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的掺量越高，试块抗压强度降低的也越大。因此，单从机械性能的变化来说，丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的掺量不宜超过胶凝土材料总质量的1.5%。

图2　不同乳液聚合物掺量对混凝土抗压强度的影响

2.2丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物对混凝土毛细吸水的影响（见图3）

图3　不同乳液聚合物掺量对混凝土吸水量的影响

由图3可知，掺加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的混凝土试块吸水量有明显降低，最大可降低到约为未掺加的试块的3/4。混凝土的防水性能通常是通过混凝土的渗透系数或毛细吸收系数来评价。在混凝土试块吸水试验过程中，假设混凝土各向同性、吸水过程是一维的，则吸水量与吸水时间的平方根应呈线性关系，即符合“试件开方定律”［5-6］，如式（1）所示。

式中：A——吸水系数，g（/m2·h1/2）；

△W——混凝土的单位面积吸水量，g/m2；

t——吸水时间，h；

对于图3中的各混凝土试块的吸水曲线进行线性拟合。其中，A试块（未掺加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物）取前8 h数据，即以其前期的线性系数表示其吸水能力；而对于掺加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的试块，由于表面效应［7］，在线性拟合时去掉了0时刻的数据。

拟合数据见表2，掺加了丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的混凝土试块吸水系数大大降低，最大降低到未掺加的试块的吸水系数的76.7%；但当乳液聚合物的掺量超过1.5%时，吸水系数的减小速度明显降低，防水效果提高不明显。这是因为，在低浓度时，混凝土内部的OH-可以和乳液聚合物中的亲水基团通过氢键作用形成物理交联，聚合物的空间网络变小，吸水能力下降［8］，从而使得混凝土的吸水系数下降，防水效果提高。

表2　防水混凝土的吸水系数及其降低率

另外，需要说明的是，掺入丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物只能在一定程度上阻止水分侵入混凝土，这是因为：（1）乳液聚合物本身相互吸附形成的网状絮凝体结构并不能完全将混凝土中的微裂缝、孔隙凝结住，仍会有一部分孔隙或微裂缝暴露出来，导致水分侵入混凝土。（2）防水处理只能轻微影响混凝土的透气性，水仍能以水蒸气的形式向混凝土中扩散［9］。

由FT-IR测试掺加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的混凝土试块不同渗透深度处的丙烯酸盐含量，结果见图4。

图4　混凝土试块中的丙烯酸盐含量

由图4可知，试块表面处丙烯酸盐的含量最高，这是由于丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物分子在混凝土凝结硬化过程中随着水分向表面的聚集形成的。另外，还需要说明的是，在混凝土试块内部也含有较多的丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物，这进一步说明了掺加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物能改善混凝土的整体防水效果。

2.3丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物对混凝土抗氯离子侵蚀性的影响

在不同丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物掺量下，混凝土试块在浸泡28 d后不同渗透深度处的氯离子含量见图5。

图5　混凝土试块在3%NaCl溶液中浸泡28 d的氯离子含量

由图5可知，掺加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的混凝土试块的氯离子含量在不同渗透深度处均有明显的下降，在10 mm深度处的氯离子含量已降到0.1%以下，而未掺加的混凝土在15 mm处含量仍为0.1%。这是因为：（1）吸水试验表明掺入丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物后，混凝土试块的吸水能力明显下降，而氯离子侵入混凝土必须要有水为载体才能实现，这就使得混凝土的抗氯离子侵入性能得到提高；（2）当水中含有电解质时，聚合物的吸水率就明显降低，当电解质浓度增大时，因其盐效应，对羧钠基的离解影响增大，故吸水率随之下降更为显著［10］。

3　结语

（1）与素混凝土相比，掺入丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物延缓了水化反应的进行，使得混凝土的抗压强度降低，建议丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物掺量不宜超过1.5%。

（2）掺入丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物后，能够大大降低混凝土的吸水量，在提高混凝土防水性能的同时，也能有效改善混凝土的抗氯离子侵蚀性能。

［1］詹洪，李玲.高渗透溶剂型有机硅防水涂料在混凝土防水中的应用［J］.商品混凝土，2015（6）：33-34.

［2］王胜先，林薇薇，成少安，等.丙烯酸系乳胶用于钢筋混凝土的防腐蚀研究［J］.中国腐蚀与防护学报，1998，18（3）：198-202.

［3］官建国，何平，谢洪泉.AA反相乳液聚合稳定性的研究［J］.石油化工，1994，23：514-518.

［4］ISO 15148.Hygrothermal Performance of Building Materials and Products-Determination of Water Absorption Coefficient by Partial Immersion［S］.

［5］Hall C.Barrier performance of concrete-a review of fluid transport theory［J］.Materials and Structures，1994，27：291-306.

［6］ Daniel A Q.Microstructure and transport properties of porous building materials［J］.Materials and Structures，1998，31（5）：317-324.

［7］Kreijger P C.The skin of concrete composition and properties［J］. Materials and Structures，1983，31（5）：317-324.

［8］徐玉文.聚丙烯酸-丙烯酰胺/有机插层改性膨润土超吸水性复合材料的合成及性能研究［D］.厦门：华侨大学，2006.

［9］Wittmann F H，Xian Y Z，Zhao T J，et al.Moisture diffusion and siloxanedistributioninintegralwaterrepellentconcrete［J］. Restoration of Buildings and Monuments，2008，14（1）：15-26.

［10］何培新，肖卫东，罗晓峰，等.丙烯酸-丙烯酰胺的反相悬浮聚合及吸水性能的研究［J］.高分子材料科学与工程，1993（4）：23-28.

The study on the integral water repellent concrete with addition of acrylamide-acrylic acid emulsion polymer

LIU Fangyu，LIU Chao，GU Yongzhou，HUANG Linting
（College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Research includes experiments on concrete intensity，absorption coefficient，corrosion resistance of chlorine ion and etc of acrylamide-acrylic acid emulsion polymer ensemble water-proof concrete.The experimental result shows that mixing a certain amount of acrylamide-acrylic acid emulsion polymer retard the process of hydration reaction which may reduce the intensity of concrete；it turns out that capillary water absorption coefficient of concrete will be reduced by 74%after mixed the emulsion polymer.Comparing to plain concrete，the one mixed with acrylamide-acrylic acid emulsion polymer has a remarkably lower chlorine ion ratio，which will improve the chlorine ion corrosion resistance ability of concrete.

acrylamide-acrylic acid emulsion polymer，integral water repellent concrete，compressive strength，coefficient of water absorption，chloride ion concentration

中国分类号：TU528.32A

1001-702X（2016）04-0108-03

2015上海市大学生创新创业训练计划（0200107309）

2016-02-14

刘方宇，男，山东德州人。地址：上海市杨浦区四平路同济大学土木工程学院2013级，E-mail：lfangyu@126.com。