无机填料对聚合物防水砂浆性能的影响研究

　　摘要：研究了纳米凹土、沸石与聚合物以一定配比复合后对防水砂浆凝结时间、抗压、抗折强度、粘结强度以及抗渗压力的影响。结果表明，单掺沸石8%、10%时对聚合物防水砂浆的性能改善效果最佳。

　　关键词：聚合物；纳米凹土；沸石；强度；抗渗

　　0 前言

　　随着建筑科技的进步与发展，一种新型化学建材正悄悄的，然而却又以飞快的速度在中国建筑界得到应用和发展，这就是聚合物水泥基复合材料，其中重要的一类就是聚合物防水砂浆。因为聚合物分子扩散能力强，渗透到基层材料表面的毛细孔、裂缝中，对缝隙进行堵塞，乳液凝聚时产生的细丝能在砂浆和基体之间架桥，形成机械粘接，且聚合物在水泥浆与骨料间形成具有较高粘结力的膜,并堵塞砂浆内的孔隙从而大大改善砂浆的性能^[1]。

　　利用聚合物改性防水砂浆的综合技术性能较好，发展前景乐观。然而，工程中所使用的砂浆往往只能够满足某一特定功能的要求，由于这一性能的改善可能导致了其他某些性能的下降。尤其是一些研究实践中出现强度偏低的问题，且多有不满足标准的情况。因此，如何提高砂浆的强度性能是许多聚合物防水砂浆研发人员所关心的问题。研究表明^[2]，将一些无机填料掺入聚合物中对复合材料的各项性能会有进一步的改善和提高。本文在聚合物防水砂浆中掺入无机填料（如凹凸棒土，沸石等）来改善聚合物防水砂浆的性能，主要是改善强度方面。这不但能降低特种砂浆成本、而且有利于保护环境、节约资源。

　　针对这些问题，本研究将纳米凹土、沸石与聚合物以一定比例复合，研究其对防水砂浆凝结时间、抗压、抗折强度、粘结强度以及抗渗压力的影响。为广大聚合物防水砂浆研发人员提供数据参考。

　　1 原材料及试验内容

　　1.1 原材料

　　（1）水泥: 浙江芽芽水泥实业股份有限公司生产的PⅡ42.5R硅酸盐水泥，水泥性能数据如表1所示。

　　（2）砂:中砂，产地为长江德清，细度模数为2.40，堆积密度为1580kg/m³,表观密度为2610kg/m³,含泥量为2.0%。

　　（3）粉煤灰:Ⅱ级粉煤灰，嘉兴买卖通贸易有限公司提供。

　　（4）纤维素醚：羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)，四川某化工厂生产的HK-75000S。

　　（5）凹土：由江苏盱眙某公司生产。纳米凹土系东南大学土木工程材料重点实验室制备，微观形态见图1

　　图1 纳米凹土的SEM图片

　　（6）减水剂：江苏某公司生产的JM-B萘系高效减水剂。

　　（7）聚合物：由嘉兴某公司提供。

　　（8）沸石：由浙江缙云沸石公司提供。

　　（9）消泡剂（E）：苏州某公司生产。

　　（10）水：自来水

　　1.2 试验方法

　　聚合物防水砂浆配合比见表3。聚合物防水砂浆的性能试验均按照JC/T 984-2005《聚合物水泥防水砂浆》规定进行。主要内容如下：

　　1）将原矿纳米凹土分别以水泥质量的3%、4%、5%掺入聚合物防水砂浆中，并研究不同掺量纳米凹土对聚合物防水砂浆抗压强度、抗折强度、粘结强度抗渗性和耐久性等性能的影响。

　　2）试验结果表明聚合物掺量4%时防水砂浆性能改善最佳，故将4%的聚合物分别与2%的纳米凹土^[3]， 8%、10%、12%的沸石[4]复合，研究它们对聚合物砂浆的改性效果。

　　3）将4%聚合物、2%纳米凹土和10%沸石粉复合，研究聚合物防水砂浆的各性能改善效果。

　表3 无机填料对聚合物防水砂浆性能影响的试验配合比

　　2 无机填料对防水砂浆性能的影响

　　2.1 试验结果

　　无机填料对聚合物防水砂浆性能影响的试验结果见表4和表5。

　　表4 无机填料对聚合物防水砂浆性能影响的试验结果

　　表5  无机填料对聚合物防水砂浆耐久性影响的试验结果

　　2.2 试验分析

　　2.2.1 无机填料对聚合物防水砂浆凝结时间的影响

　　由表4可以看出，8组防水砂浆初凝时间均大于45 min，终凝时间均小于12 h，满足JC/T 984-2005对凝结时间的要求。聚合物掺量逐渐增大时，砂浆凝结时间有加快倾向，这可能由于聚合物对水泥有加速凝结作用。纳米凹土和沸石对聚合物防水砂浆的凝结时间影响不明显。

图2 不同无机填料掺量的聚合物防水砂浆强度（MPa）

　　2.2.2 无机填料对聚合物防水砂浆强度的影响

　　由表4可知，当聚合物掺量为4%时，防水砂浆的抗压和抗折强度明显大于聚合物掺量为3%和5%时的强度。故无机填料与聚合物复合的试验中聚合物的掺量选择4%。

　　在图2中，比较第5、6、7组数据，可以看出随着沸石掺量的增加，聚合物防水砂浆的抗压和抗折强度均有增加，在沸石掺入10%时，抗压和抗折强度均达到最大。且第5组和第6组防水砂浆的抗压强度达到了JC/T 984-2005中抗压强度不小于24 MPa的要求，而抗折强度均未达到标准中规定不小于8.0 MPa的要求。可见10%沸石与4%聚合物复合对防水砂浆的强度有较好的改善作用。

　　同时可以看出，第4、8组防水砂浆的抗压、抗折强度均不达标。这个还是纳米凹土在砂浆中未充分分散的原因。当沸石与纳米凹土同时与聚合物复合时对防水砂浆的强度并无提高，反而有降低效果。应该是因为沸石的多孔性结构被超细的纳米凹土填充一些，失去了两者本来拥有的作用，起到了相反的效果。

　　由于无机填料增强的效果受到粒子和分子链间结合的牢固程度所制约。两者在界面上的亲和性越好，结合力愈大，增强作用就越明显。在许多情况下，这种结合力可采用一定的化学处理方法或加入偶联剂加以强化，甚至使惰性填料变为活性填料^[5]。本研究尚未采取这种措施，这也是强度整体偏低的一个原因。

　　由表4可知，8组防水砂浆的压折比均不满足标准JC/T 984-2005中规定的小于3的要求，对于这个问题，西北建筑网有报道：国家发改委办公厅发改办工业[2008]1242号文中将国家行业标准《聚合物水泥防水砂浆》（JC/T 984-2005）列入了修订计划。去掉压折比指标就是本次标准修订的主要内容之一。

　　2.2.3 无机填料对聚合物防水砂浆粘结强度的影响

　　由表4可以看出，随着聚合物掺量的增加，防水砂浆粘结强度在聚合物掺量4%时出现峰值，故接下来的粘结强度试验中聚合物的掺量选择4%。

　　图3  不同无机填料掺量的聚合物防水砂浆粘结强度（MPa）

　　粘结强度整体不够高，未达到JC/T 984-2005的要求（7d粘结强度达到1.0 MPa以上，28 d粘结强度达到1.2 MPa以上）。由图3可以看出，第5组砂浆的粘结强度达到最大值，说明单掺8%沸石对聚合物防水砂浆的粘结强度改善效果最佳。因为沸石矿物形成多孔格架状构造 ,晶格内部有大量彼此连通的空腔与管道,与聚合物复合后改善了硬化后砂浆的微观结构，从而提高了砂浆的粘结强度。

　　比较表5中第2和8组可以明显的看出，双掺纳米凹土和沸石后，聚合物防水砂浆的粘结强度明显降低了，这是因为超细颗粒的纳米凹土没有发挥到自身优势反而对沸石的多孔性结构有一定反面作用，起到了相反的效果。

　　2.2.4 无机填料对聚合物防水砂浆抗渗性的影响

　　JC/T 984-2005要求聚合物防水砂浆7d抗渗压力达到1.0MPa以上，28d抗渗压力达到1.5 MPa以上。试验结果表明，8组防水砂浆的7d抗渗压力均达到要求，2、3、4、5、6组防水砂浆的28d抗渗压力达标。为了探明沸石掺量对聚合物防水砂浆抗渗性的影响，在抗渗压力达到1.6 MPa后取出试件，沿圆台体试件中心轴垂直劈开，量得10点的渗水高度，并取其平均值，用平均渗水高度（见表5）比较抗渗性。从测得的渗水高度来看，沸石掺量为10%时渗水高度较低，也就是抗渗性较好。

　　总的看来，单掺沸石粉比单产纳米凹土对聚合物防水砂浆的改善效果好。由于沸石具有特殊的格架状晶体结构,决定了它具有吸附性、离子交换性和较高的火山灰活性等物理化学性质。沸石粉的活性是因活性成分SiO2和Al2O3 与水泥化过程中释放的CH发生反应,使其转化为CSH凝胶和铝酸盐。与聚合物复合后，填充了砂浆内部的毛细孔，降低了砂浆的孔隙率，并使得砂浆内部孔隙更加细小化，硬化后砂浆的微观结构得以改善，从而提高防水砂浆的抗渗性。而双掺凹土与沸石对防水砂浆的抗渗性几乎没有改善效果。

　　2.2.5 无机填料对聚合物防水砂浆耐久性的影响

　　表5中的试验结果表明，8组聚合物防水砂浆砂浆的耐热性、耐碱性和抗冻性均满足JC/T 984-2005规定要求。说明无机填料对聚合物防水砂浆没有不利的影响。

　　4 结论

　　（1）无机填料对聚合物防水砂浆的凝结时间影响不明显。

　　（2）随着沸石掺量的增加，聚合物防水砂浆的抗压和抗折强度均有增加，在沸石掺量为10%时，砂浆抗压和抗折强度均达到最大。压折比也较小，柔性较佳。纳米凹土对聚合物防水砂浆的强度改善效果不明显。

　　（3）掺入无机填料的聚合物防水砂浆的粘结强度提高幅度不大。沸石掺量为8%时，聚合物防水砂浆的粘结强度达到一个峰值。

　　(4) 单掺沸石粉比单产纳米凹土对聚合物防水砂浆的改善效果好。当单掺沸石10%时，渗水高度最低，也就是抗渗性最好。

　　(5) 8组试件经过耐热、耐碱、抗冻性试验均未发生开裂、剥落。说明无机填料对聚合物防水砂浆没有不利的影响。

　　目前尚未有聚合物与沸石复合方面的研究报道，通过本研究可以得出，沸石对聚合物防水砂浆的强度、抗渗性有一定改善作用，但是，沸石与纳米凹土复合后对聚合防水砂浆的改善性能不明显。

　　参考文献

　　[1]李玉海.聚合物在防水砂浆中的应用.建筑节能，2008（4）：54-57

　　[2]何益艳，杜仕国.无机填料的改性及其在复合材料中的应用.化工新型材料，2001（12）：14-17

　　[3]薛力梨，潘钢华，潘文佳. 纳米凹凸棒土对聚合物防水砂浆性能的影响.新型建筑材料，2008（10）：69-72

　　[4]李淑进，吴科如.沸石粉及其在高性能混凝土中的应用.山东建材，2004（2)：40-42

　　[5]金日光，华幼卿.高分子物理.北京：化学工业出版社，2000：194-198

　　[6] Th. Perraki ,G Kakali ,F Kontoleon. The effect of natural zeolites on the early hydration of Portland cement. Microporous and Meso-porous Materials. 2003（61）：205-212