新型聚合物改性防水砂浆及其专用增强剂性能研究

陈周鹏

（科之杰新材料集团有限公司，福建 厦门 361101）

0 引 言

在国外，包括聚合物水泥防水砂浆、聚合物水泥浆料、聚合物水泥涂料等在内的聚合物水泥基材料已经得到了广泛应用，其中聚合物水泥防水砂浆作为环保型绿色建材，因其具有施工时间短、粘结性强、防水抗渗抗开裂性能优异、施工方便快捷、平整度良好等诸多优点而引起了市场的广泛关注。已有成功经验表明，聚合物水泥防水砂浆可用于地下室、建筑物屋面及内外墙面、各类水池、人防、隧道、粮仓、厂房和家装等工程的防水防渗及渗漏修复[1]。因此该种砂浆产品愈发受到人们的青睐，同时，原材料来源丰富及相关配方技术研究的深入使其成本也在逐步降低，其中再生玻璃材料以其稳定的耐酸碱性、化学惰性和低膨胀系数等特性，正在逐渐成为聚合物水泥防水砂浆原材料的研究方向。

再生玻璃材料粒径小、分散性好、透明度高、防沉效果好，且具有良好的亲和能力和较强的位阻能力，能方便地分散于砂浆体系中，成膜后可增加砂浆丰满度，并保持清晰的透明度，又提供良好的抗刮性[2-3]。但再生玻璃材料应用于聚合物水泥防水砂浆中仍存在抗压、抗折和拉伸粘结强度偏低的问题，限制了其在聚合物水泥防水砂浆中的进一步应用。针对这一问题，本文采用公司自行研制的Point-Q型聚合物水泥防水砂浆专用增强剂进行试验，探讨了三元胶凝材料体系下不同胶砂比、液料质量比和环境温度下该增强剂对聚合物水泥防水砂浆性能的影响，并对增强剂能否改善聚合物水泥防水砂浆的抗渗能力和黏度进行了研究。

1 试 验

1.1 原材料

胶凝材料：红狮P·O42.5级水泥（C1）、北极熊42.5级快硬硫铝酸盐水泥（C2）和一级硬石膏（C3），技术性能分别见表1、表2。

表1 红狮水泥和北极熊水泥的技术性能

表2 硬石膏的技术性能

细集料：325目碳酸钙粉（S1）、200目玻璃粉（S2）和70～140目玻璃砂（S3），其技术性能见表3～表5。

表3 碳酸钙粉的技术性能

表4 玻璃粉的技术性能

表5 玻璃砂的技术性能

苯丙乳液：用于聚合物水泥防水砂浆的改性，固含量45.73%，黏度1630 mPa·s，单体残留量0.6%，pH值8.0。

添加剂：KZJ-M600型防水砂浆增塑剂，主要成分为聚阴离子纤维素型流变调节剂、高级脂肪酸和多元醇，为白色粉末；Point-Q型聚合物水泥防水砂浆专用增强剂，主要成分为硝酸-硫铝酸盐复合型早强活性剂、聚醚改性脂肪酸酯及醇胺类晶核纳米增强剂，为透明液体，其技术性能见表6、表7。

表6 KZJ-M600型防水砂浆增塑剂的技术性能

表7 Point-Q型聚合物水泥防水砂浆专用增强剂技术性能

1.2 试验方法

（1）在保持砂浆干密度不变及液料质量比均为1∶3的情况下，调整三元胶凝材料体系中各组分的比例，并掺入占胶凝材料总量1.0%的Point-Q型增强剂，测试砂浆的工作性能，其配合比见表8。

表8 不同三元胶凝材料体系配比

（2）在保持砂浆干密度不变及液料质量比均为1∶3的情况下，调整砂浆胶砂比，并掺入占胶凝材料总量1.0%的Point-Q型增强剂，测试砂浆的工作性能，其配合比见表9。

表9 不同胶砂比下的砂浆配合比

（3）在保持砂浆干密度和水胶比不变的情况下，调整砂浆液料质量比，并掺入胶凝材料总量1.0%的Point-Q型增强剂，测试砂浆的工作性能，其配合比见表10。

（4）按表10中液料比为1∶3.0组配合比，研究不同环境温度下（0～40℃）增强剂对砂浆的增强效果。

表10 不同液料质量比下的砂浆配合比

2 试验结果及讨论

2.1 不同三元胶凝体系下增强剂对砂浆性能的影响（见表11）

表11 不同三元胶凝材料下增强剂对砂浆性能的影响

由表11可知，随着三元胶凝材料体系中硫铝酸盐水泥（C2）比例的增加，采用再生玻璃材料制备的聚合物改性水泥砂浆的黏度亦随之增大，凝结时间则呈现逐渐缩短的趋势，同时基准砂浆所存在的强度不足问题得到了改善：在增强剂作用下，对比砂浆的强度及抗渗压力较基准均有所增加，并在硫铝酸盐水泥掺量达到26%时达到最大值，随后又有所降低。

分析该现象的原因：一方面，普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和硬石膏混合水化反应后能以足够快的速度释放硫酸根而无需增加用水量，保证在迅速的水化过程中可以提供足够的钙、铝和硫以形成致密的钙钒石。钙钒石的形成有形成速度快、高结合水能力和补偿收缩的能力[4-5]，可以充分激发砂浆的早期和后期强度，以此弥补再生玻璃材料因其表面形貌光滑而产生的砂浆粘结性较差、强度低的缺陷，并保留其透明度高、抗刮性强等优点；同时再生玻璃材料和碳酸钙粉的配合使用，赋予了聚合物水泥防水砂浆以良好的颗粒级配，使砂浆达到最佳的密实性效果。另一方面，水泥水化过程中其体系内仍有约20%的水泥颗粒无法充分水化，而增强剂的加入促进了这部分水泥颗粒的水化进程，有助于砂浆形成致密的晶体结构，增大砂浆与界面的粘结面积，从而在未降低水泥用量的前提下提高砂浆的强度、抗渗压力和黏度，改善砂浆的工作性能。因此，当添加增强剂且硫铝酸盐水泥掺量在0～26%时，对比砂浆的性能较基准砂浆大幅提高；当硫铝酸盐掺量超过26%时，由于水泥水化速度过快，此时砂浆强度出现倒缩现象，其可操作时间减少，砂浆黏度随之增大。

2.2 不同胶砂比下增强剂对砂浆的性能影响（见表12）

表12 不同胶砂比下增强剂对砂浆性能的影响

由表12可知，在Point-Q增强剂作用下，随着砂浆体系内胶砂比的减小，砂浆的强度和抗渗压力逐渐降低，黏度和凝结时间变化不大，当胶砂比为1∶1时，砂浆具有最佳的性价比。可以从两方面来阐述其原因：一是胶砂比越高意味着砂浆体系中胶凝材料用量越多，在同等乳液用量情况下其水胶比更小，水泥颗粒间相互连接形成骨架结构所需时间更短，凝结硬化过程中多余水分蒸发后形成的孔隙少；同时更多的胶凝材料用量意味着存在更多的未水化水泥颗粒，增强剂的分散作用可降低其表面能，增大其反应活性，最终生成的致密水化产物量更大，表现在宏观上则是砂浆的强度和抗渗能力更高。二是因为增强剂中含有的低敏感型消泡剂主要是以微粒形式渗入到砂浆体系中，具有极低的表面张力，当砂浆中的有害泡沫即将产生时，其能迅速破坏气泡的弹性膜，抑制有害气泡的产生；若有害气泡已经产生，该微粒接触泡沫后会立即捕获泡沫表面的憎水链端，而后迅速铺展形成很薄的双膜层，同时进一步扩散并层状侵入，取代原泡沫的膜壁，并在周围表面张力大的膜层强力牵引下破坏定向膜的力学平衡而起到破泡和抑泡的效果，从而提高砂浆的强度和抗渗能力。另外，由于在胶砂比降低的同时砂浆体系中的玻璃粉和碳酸钙粉用量随之提高，该措施保证了砂浆体系的级配稳定连续性，因此砂浆的凝结时间和黏度基本保持一致。

2.3 不同液料质量比下增强剂对砂浆性能的影响（见表13）

表13 不同液料质量比下增强剂对砂浆性能的影响

由表13可知，在水胶比不变的情况下，随着液料质量比减小，砂浆的抗压强度有所提高，其余指标均降低，当砂浆的液料质量比为1∶3.0时，砂浆可以较好地兼顾成本和性能。

造成该现象的原因主要是由砂浆体系的聚灰比、乳液和增强剂三者的协同作用决定的。实验选择的苯丙乳液具有减水效果好、含气量低的特点，其含有的表面活性物质可增强砂浆表面的湿润程度，降低砂浆的孔隙率和毛细孔比例，从而在砂浆表面形成粘结能力强的聚合物膜层；同时形成大量微气泡，构成连续的三维网络结构，该结构随着砂浆中水泥水化程度的加深亦会变得更加牢固，最终改善砂浆的强度和抗渗性能[6-7]。当乳液用量较多时，砂浆膜层以聚合物分子链状网络结构为主体，粉料组分在其中镶嵌分布；当乳液用量减少时，膜层结构则是由聚合物分子链和粉料共同交织分布，随着砂浆的液料质量比和聚灰比降低，膜层内部结构从由柔性聚合物分子链主导转化为由刚性水泥水化浆料主导[8]。此时增强剂中所含的醇胺类、硝酸类和硫铝酸类活性物质[9]可通过内部的原子基团与水泥颗粒进行吸附重构，赋予水泥颗粒以极性，以此增大水泥颗粒间的静电斥力，提高游离水在体系中的比例并往砂浆内引入大量微小气泡，在促进水泥水化的过程中提高砂浆抗压强度。但由于乳液含量随着砂浆聚灰比降低，其对于砂浆抗折、粘结强度和抗渗性能的改性效果也在下降，此时的刚性砂浆体系内主要是由增强剂承担促进水化和提高抗压强度的作用。

2.4 不同环境温度下增强剂对砂浆性能的影响（见表14）

由表14可知，对比0℃条件下2组掺与未掺Point-Q增强剂砂浆可知，Point-Q增强度在0℃下对砂浆也起到了一定的增强作用；相同配比时，随着温度升高，砂浆的强度、抗渗能力和黏度也随之提高，但凝结时间逐渐缩短，并在40℃时达到峰值，说明了增强剂在升温过程中其活性亦随之提高。造成该结果的原因主要是：当环境温度较低时，增强剂活性受到抑制，对于砂浆中未水化水泥颗粒的分散作用减弱，延缓了水泥颗粒水化过程；随着温度升高，增强剂开始与三元胶凝材料体系及苯丙乳液更快地发挥协同作用，促进再生玻璃材料中的活性物质在早期溶出以激发其早期活性，保证水泥与其他材料充分混合均匀，增加拌合水的有效分配和利用，提高单位体积内有效水泥颗粒的比例；同时改变砂浆中胶凝材料的分子晶形结构与排列方式，增强其包裹胶结集料的能力，进而减少砂浆内部不良的多相晶体结构、孔结构和界面过渡区，使其更加致密和均匀，有效减少砂浆内部缺陷，抑制外界水分渗透，最终提高砂浆强度、抗渗能力和黏度[10]。

表14 不同温度下增强剂对砂浆性能的影响

3 结 论

针对再生玻璃材料应用于聚合物水泥防水砂浆中存在的强度不足问题，采用三元胶凝材料体系搭配Point-Q型聚合物水泥防水砂浆专用增强剂和苯丙乳液对砂浆进行了改性增强。并研究了三元胶凝材料体系下不同胶砂比、液料质量比和环境温度下增强剂对新型聚合物改性防水砂浆的性能影响。当硫铝酸盐水泥掺量为26%、Point-Q增强剂掺量为1.0%、胶砂比为1∶1、液料质量比为1∶3、环境温度为0～40℃时，三元胶凝材料体系、苯丙乳液和增强剂搭配良好级配的再生玻璃材料和碳酸钙粉可以发挥协同作用，充分激发砂浆的早期和后期强度，改善砂浆的黏度、凝结时间和抗渗性能，弥补再生玻璃材料因其表面形貌光滑而产生的砂浆粘结性较差、强度低的缺陷，并保留其透明度高、抗刮性强等优点。