水泥的改性与水泥基防水材料

data-full-width-responsive="true"> 0 引言以刚毅的自然特性支撑起现代建筑大厦的水泥材料, 对于需要一些柔性的防水应用场合却屡屡暴露出其宁折不弯的缺陷。对于水泥基刚性防水材料而言, 水泥材料干缩特性和刚性冲突的结果是造成材料内部和表面可能产生应力龟裂的主要原因。缺乏必要的柔性,还可能导致水泥基防水材料出现外力脆裂。改进水泥基刚性防水材料性能的主要做法多数从减少和补偿水泥材料干缩或适当增加水泥材料柔性两方面进行。克服水泥材料干缩而进行的改性主要是针对刚性防水材料而言的,对于柔性水泥基防水材料,已缓解了水泥干缩造成的问题,此时,由于改性材料(通常为聚合物材料) 的加量相对较高,研究的重点将是改性材料自身的耐水性、耐老化性、与水泥的配伍性等。1 水泥基刚性防水材料的改性影响水泥干缩的因素,有用水量的多少(由于和易性要求, 用水量降低受到局限) , 也有水泥骨料水的不同比例、水泥和骨料的性质以及水泥改性材料的性质和用量等。在此,我们不对上述影响作详细讨论,仅简述一下利用不同外加材料克服水泥干缩的作用, 并就聚合物胶乳的改性进行讨论。1 1 克服水泥干缩的外加改性材料可用于减少或克服水泥干缩影响的常用外加材料如表1 所示。在上述改性材料中, 聚合物胶乳类材料不但因其减水性能而减少水泥干缩,更重要的是,若能加入足够改性要求的聚合物可明显提高材料应变性能, 从而彻底消除干缩的不良影响。其他类型材料则局限性较大, 很难彻底解决问题。1 2 聚合物胶乳改性材料不同聚合物加量对水泥基刚性材料干缩的补偿效果如图1 所示。由图1 可见, 聚合物加量的多少关系到对水泥干缩补偿作用的好坏, 较低改性度(聚灰比0 1 或更低) 虽在水泥硬化初期也能起到吸收部分应力的作用, 并在应力已超出未改性水泥材料应力极限范围时仍起一定桥接作用, 但随着时间推移和水泥硬化程度加深,将会出现脆裂的危险。进一步增加聚合物量可有效改进这一情况, 稍高一些改性度(聚灰比0 2 或更高) 时, 由于更多高分子链参与作用,水泥硬化所产生的应力将被增加的弹性和塑性形变所消减,从而能长期有效地彻底克服干缩问题。图中0 2 聚灰比、0 4 水灰比的丙烯酸改性情况, 在所考察时间段内, 并可预期在更长时间内,都不会有应力龟裂问题。在此仅考察了丙烯酸胶乳一种聚合物改性材料, 但其他聚合物改性的情况与此相似, 因此也必然存在改性程度高低所对应的材料性能差异。在国内众多改性水泥基刚性防水材料应用中, 我们注意到许多有意或无意回避改性程度不足的现象存在, 这无疑是将防水工程,更重要的,是将用户的利益置于一种危险的状态。诚然,提高改性度意味着材料成本增加,但若非如此, 一旦出现问题再行补救的昂贵费用不必多言, 所谓便宜即贵的教训不可谓不多(注意,问题并非立即出现!可能在几个月甚至更久,这正是容易被人忽略的) 。笔者在此呼吁防水界有识之士更加关注并切实解决一下这类问题。2 水泥基柔性防水材料的改性能改进水泥柔性的材料应具备相对柔软、性态稳定、与水泥配伍性好、应用简便等特点。作为防水应用的水泥改性材料,还应有优良的耐水性和耐老化性能。无机水泥外加剂通常无此作用。耐水性较差的水溶性或水凝胶类高分子材料(如纤维素类材料、聚乙烯醇类材料) , 由于加量的限制(加量过大会影响水泥基防水材料的耐水性) ,对提高水泥材料柔性的能力也极为有限。只有既可均匀分散于水泥材料中, 又在相聚成膜后有良好耐水和耐老化性的聚合物才是理想的改性材料。此类材料即为聚合物胶乳或可再乳化的粉状聚合物。粉状聚合物可直接加入水泥干粉中, 而不必象乳液一样须和水泥分开两组分包装,因而引起很多人的兴趣。但可再乳化的粉状聚合物材料成本较高, 同时存在再乳化效果和分散效果等有待进一步提高的技术问题, 并且在市场上也很难购得。专为水泥改性而研制的聚合物胶乳具备与水泥配伍性和分散性好、产品容易获得的优点, 尤其是丙烯酸胶乳, 因其优良的耐水性和耐老化性等特点而成为柔性水泥改性材料中极具优势和发展前景的材料。2 1 丙烯酸胶乳改性水泥材料试验图2 为利用巴斯夫公司丙烯酸胶乳改性水泥材料的部分试验结果。由图2 可见,在聚灰比由0 3 增加到0 4 时,改性水泥材料的断裂延伸率由不足0 5 %跃升至接近20 % ,从而使材料产生由刚性到柔性的突变。进一步增加聚合物量可获得性能更加优异的柔性水泥, 这就为防水材料生产者在十分宽广的范围内提供了材料改性的灵活性。2 2 聚合物改性水泥由刚性向柔性突变的机理初探聚合物改性水泥材料的柔性随聚合物加量的增加而提高; 如果以延伸率为衡量指标的话, 按照一般的推理, 其增加过程应该是连续的。然而图1 在聚灰比由0 3 到0 4 时出现了一个阶跃。虽然将试验进一步细化可使由刚性到柔性的过程更接近, 但笔者认为这一刚性柔性的突变过程即使不能说是一种理论的必然, 也应该视为一条实用性规律,并在此给出理论解释,有待进一步实验印证。需要说明的是,这种推理是对于应用测量单位而言的,将聚灰比精确到若干小数位之后的作法显然不合实际应用情况,不在本文讨论之列。另外,本文试验仅基于一种丙烯酸胶乳, 其他材料在水泥改性过程中的刚性柔性转变的临界聚灰比会有差异。材料性能还受水泥和骨料性质以及砂灰比、水灰比等影响(除胶乳外, 未考虑还有其他外加改性材料) ,在此不作详述。聚合物胶乳对水泥材料改性机理前人已有论述, 常见的理论为: 聚合物微粒附着在水泥凝胶和骨料颗粒表面并相聚成膜, 聚合物胶膜的胶接能力及柔性明显改善了水泥材料的机械性能。同时,聚合物胶膜还有延阻水汽蒸发的能力,从而对水泥进一步养护十分有利。依据这一理论,对刚性柔性突变机理假设如下:A 当聚合物加量很小时,聚合物微粒非连续地团聚在水泥凝胶和骨料颗粒表面并相聚成膜, 但不足以形成完整的柔性链胶膜网络,此时,水泥凝胶形成的刚性链网络起主导作用。从总体上讲,此时刚性链多于柔性链,并起抵抗应力的主导作用。随应力增大,刚性链网络的缺陷不断扩大,当达到或超过应力极限时, 刚性链突然整体性脆断将导致强大的脉冲型应力作用于数量相对较少的柔性链, 并导致其断裂。由于这一过程伴随很小的应变发生,因此材料呈刚性;B 当聚合物加量很大时, 聚合物微粒完全包裹在水泥凝胶和骨料颗粒表面并形成完整的柔性链胶膜网络,此时,从总体上讲柔性链多于水泥凝胶形成的刚性链, 并起抵抗应力的主导作用。随着应力增大,柔性链通过自身良好的应变部分吸收应力作用, 而其中的刚性链则因应变不足相继断裂,由此逐渐增加材料缺陷,并最终导致材料断裂。由于这一过程伴随较大的应变发生,因此材料呈柔性;C 在由A 到B 的过程中, 可通过逐步增加聚合物加量,不断补足其形成完整柔性链网络所需,但在聚合物粒子数目的不足和多余之间很难以实际可计量的质量份数进行递增。换句话说,减少一个实际最小质量单位则刚性链起主导作用,从而导致小应变情况下的刚性链整体断裂(刚性) ;增加一个实际质量单位则柔性链起主导作用, 从而使刚性链逐渐遭到破坏并体现出较大的应变(柔性) 。反之,由B 到A 亦然。3 聚合物胶乳改性水泥材料应该注意的问题根据上述聚合物改性水泥材料机理, 仅从所加入的聚合物角度考虑,主要的影响因素有:3 1 聚合物成膜后胶膜的机械性能和其他性能聚合物胶膜网络是改性材料实现其柔性的关键,因此,聚合物胶膜本身的机械性能(延伸率、强度、塑性等) 对材料改性起至关重要的作用。对防水应用而言,胶膜的耐水性、耐老化性对改性材料的重要意义更不必赘述。3 2 聚合物加量及乳液粒子粒径分布聚合物加量与改性水泥柔性的关系已在上文有所论述。相同聚灰比加量时, 乳液粒径分布越窄且平均粒径越小,则其比表面积越大,对水泥凝胶和骨料表面的覆盖能力也越大,材料改性效果就越好。对于以微米为单位的胶乳粒子而言, 粒径的微小差异可导致胶乳粒子总表面积几千倍甚至更大的差异。所以选择生产控制严格、质量稳定的胶乳产品是十分重要的。3 3 聚合物乳液稳定性及分散性聚合物胶乳的机械稳定性以及与水泥材料的配伍性也非常重要,如果胶乳与水泥及骨料接触时凝聚、破乳或者较难分散, 则很难保证其均匀分布在水泥凝胶和骨料之中并形成柔性网络。胶乳粒子分散性好坏还取决于搅拌条件, 这对于较低聚合物加量的情况更为重要。4 结论本文对刚性和柔性水泥基防水材料的改性问题进行了讨论,重点为聚合物胶乳材料的改性。对于刚性防水材料, 着重强调了改性程度不足可能导致防水失败的严重危险。基于丙烯酸胶乳改性水泥材料的试验结果, 提出了可能存在一刚性柔性突变的临界聚灰比的观点,并给出了理论解释。