水泥基防水材料的制备与防水性能研究

水泥基防水材料的制备与防水性能研究

赵成斌 谭德英

洛浦天山水泥有限责任公司，新疆 和田地区洛浦县 848200

摘要：混凝土抗渗性问题一直是混凝土材料领域研究重点。混凝土渗漏原因多是由于混凝土裂缝出现，形成渗透的通道引起的。传统防水材料的使用寿命短，防水持久性差，在工程应用中修复成本高。因此水泥基防水材料的制备显得格外的重要，基于此本文开展如下研究。

关键词:水性环氧树脂改性水泥基材料；纳米高分子改性水泥基材料；防水性能

引言

探究了水性环氧树脂HY改性水泥基材料和纳米高分子GF改性水泥基材料的制备方法和性能测试，并通过SEM、XRD和FTIR对其水化硬化机理进行了分析。

一、试验

1.1原材料和配比

水泥：P·O52.5水泥和CSA42.5级快硬硫铝酸盐水泥；砂：Ⅱ区中砂，细度模数2.7；GF材料：高分子纳米吸水型树脂悬浮液；减水剂：聚羧酸减水剂；消泡剂：主要组成为液态碳氢化合物、聚乙二醇和非结晶性二氧化硅；水性环氧树脂HY：包括环氧树脂乳液和水性环氧固化剂，环氧树脂乳液的制备方法是选取聚乙二醇和环氧树脂反应合成乳化剂，然后将乳化剂与环氧树脂混合加热至合适温度，在高速搅拌下缓慢加入水制得环氧树脂乳液。水性环氧固化剂的制备是在一定温度下将聚醚多元醇二缩水甘油醚（PPDGE）缓慢加入一定量的三乙烯四胺（TETA）中进行反应，再加入环氧树脂E51进行开环反应，最后加入水溶解即制得水性环氧固化剂。分别应用HY和GF材料制作水泥净浆和水泥砂浆，具体配合比如表1所示。HY净浆中：m（P·O52.5水泥）∶m（CSA42.5水泥）=3∶1；HY砂浆中：m（P·O52.5水泥）∶m（CSA42.5水泥）=8∶2。GF防水材料的配比如表2所示，所用水泥为P·O52.5水泥。

表1HY防水材料的配合比

表2GF防水材料的配合比

1.2试验方法

1.2.1物理力学性能试验

按照JC/T984—2011《聚合物水泥防水砂浆》和JGJ70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》对HY砂浆和GF砂浆的物理力学性能进行测试。

1.2.2防水性能试验

防水性能试验分为喷水试验和静水试验。喷水试验采用单层砖的片状墙体[见图1（a）]，砖缝之间的砌筑砂浆厚度10mm，每片砖墙预制6条缝隙，缝隙的尺寸为高3mm×长10mm，防水材料施工养护后采用水喷头喷淋砖墙30d，观察渗漏情况。静水试验采用长方形砖池[见图1（b）]，高1.3m，每面砖墙灰缝中预制6条缝隙，预制的裂缝距离底面0.3m，缝隙尺寸为高3mm×长10mm，防水材料施工养护后向砖池中灌水，保持1m高的静水压，观察渗漏情况，试验时长为100d。预制缝隙如图1（c）所示。防水材料根据使用条件分为堵漏材料和背防水材料。其中，HY净浆为裂缝堵漏材料，HY砂浆和GF砂浆为背防水材料。HY净浆和HY砂浆搅拌均匀后即可直接使用；而GF砂浆涂抹完成后，需在其表面涂抹一层GF净浆。堵漏材料和背防水材料涂抹位置如图2所示。

图1防水性能试验

图2裂缝堵漏材料和背防水材料的施工方法

1.2.3微观测试

使用QuantaFEG250型扫描电镜观察样品形貌；使用Xraydiffraction-7000X型X射线衍射仪对水泥水化产物种类进行分析，扫描速度10°/min；使用NicoletIS10型红外光谱仪测试样品中的官能团种类，扫描波长为4000～400cm-1，分辨率为4cm-1。

2结果和讨论

2.1HY砂浆和GF砂浆的物理力学性能（见表3）

表3可见，HY砂浆的凝结时间少于GF砂浆，这是因为HY砂浆中含有硫铝酸盐水泥，水化速度快。HY砂浆的抗压、抗折和粘结强度分别为44.3、10.8和2.0MPa，分别是GF砂浆的1.71倍、1.71倍和6.67倍，HY砂浆的力学性能显著高于GF砂浆。HY砂浆和GF砂浆的收缩率相差不大。HY砂浆的吸水率显著低于GF砂浆，这是因为，HY有机物掺入水泥后，形成空间网络结构阻隔水的侵入；而GF材料的防水机理为纳米高分子吸水饱和、堵塞裂纹终止渗漏，因此其吸水率较大。

2.2防水性能

HY净浆、HY砂浆和GF砂浆的喷水试验和静水试验结果表明，3种材料在30d的喷水试验和100d的静水试验中均未发生渗水和漏水现象，试验前后材料没有发生变形和脱落，说明3种材料均可以承受动水压力和静水压力，具备良好的防水性能。

2.3机理分析

HY净浆、HY砂浆和GF砂浆在防水性能试验中均表现良好，使用SEM、XRD和FTIR分析以上3种材料的水化硬化和防水堵漏机理。制备了普通硅酸盐水泥砂浆作为对照组，其配合比为：m（水泥）∶m（砂）∶m（水）=1∶2.5∶0.5。4种水泥基防水材料的SEM照片如图3所示。

图3水泥基防水材料的SEM照片

由图3可见：

（1）普通水泥砂浆裂缝多而密，裂缝宽度较大，密实度较差。造成上述现象的原因是普通水泥砂浆水灰比较大，导致密实度相对较差，此外，由于在SEM观察前，试验需要真空干燥，在干燥过程中，水分蒸发，使得水泥浆体产生收缩裂缝。

（2）HY净浆和HY砂浆裂纹数量较对照组大幅减少，并且裂缝宽度明显小于对照组，这是因为环氧树脂的加入使得水泥浆体密实度提高，同时环氧树脂形成的多维网络互穿结构使材料抵抗收缩能力大幅增强，在干燥过程中仅产生微小开裂。

（3）与HY净浆和HY砂浆相似，GF砂浆的密实程度较对照组也明显提高，几乎没有裂缝。GF砂浆中的纳米高吸水性树脂在遇水后会吸水膨胀，将孔隙、毛细管、裂纹封闭，阻止裂缝产生和扩展，密实程度大幅提高。因此，相比于对照组，HY净浆、HY砂浆和GF砂浆具有更优异的防水性能。

图4为HY净浆、HY砂浆和GF砂浆的XRD图谱。

由图4可见，这3种材料的水化产物中均含有C-S-H、Ca（OH）₂和AFt，同时还有砂集料中的SiO₂，未水化的C3S以及CaCO₃等。HY净浆和HY砂浆中AFt的峰强度较高，Ca（OH）₂的峰强度较低；而GF砂浆则相反，AFt的峰强度较低，Ca（OH）₂的峰强度较高。这是因为HY净浆和HY砂浆中含有硫铝酸盐水泥，水化产物为AFt。此外，HY和GF中的环氧树脂和纳米高分子材料为非晶态有机材料，因此在XRD图谱中没有显示出。

图5为HY净浆、HY砂浆和GF砂浆FTIR图谱。

由图5可见，623cm-1和1022cm-1处的峰分别为C-S-H中Si—O—Si的弯曲振动和Si—O的对称伸缩振动；885cm-1处的峰为CO32-平面外的弯曲振动；1120cm-1处的峰为SO₄对称伸缩振动；1490cm-1处的峰为C—O对称伸缩振动；3628cm-1处的峰为Ca（OH）₂中O—H振动。可以发现，除了C-S-H、Ca（OH）₂和CaCO₃，还有C—O峰，表明3种材料中含有有机物，有机物主要是HY和GF材料等。HY净浆、HY砂浆的Ca（OH）₂峰强度低，表明其含量较少，这与XRD结果一致。HY净浆还有明显的SO₄峰，说明其S含量较高，原因是HY净浆中掺入了大量的硫铝酸盐水泥。

结论

（1）HY砂浆的抗压、抗折和粘结强度显著高于GF砂浆，吸水率则低于GF砂浆。

（2）HY净浆、HY砂浆和GF砂浆在喷水试验和静水试验的试验期均内未出现渗水和漏水现象，防水性能良好。与传统材料相比，具有施工方便、耐久性优良等优点，预期在老旧电力隧道防水工程中具有广阔应用前景。

（3）相对于普通水泥砂浆，HY净浆、HY砂浆和GF砂浆中裂缝细，数量少，密实程度明显提高。

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