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新型绿色聚合物防水砂浆的研制

来源:河北科技大学化学与制药工程学院 作者:胡倩倩,赵风清,刘少杰 时间:2014-10-28 点击:
导读:用无皂乳液聚合方法制备的核壳结构交联苯丙聚合物乳液(PS-DVB-HEMA)作改性剂,以水泥为胶凝材料,以钢渣、铁尾矿、粉煤灰等固体废弃物代替河砂作为骨料,添加消泡剂及减水剂等,配制出新型绿色聚合物防水砂浆。研究了灰砂比、聚灰比、消泡剂掺量对砂浆性能
0 前言
建筑工程的渗漏问题是长期困扰建筑行业的一个难题,防水技术和防水材料的研究一直是科研人员着力研究解决的重要课题。聚合物改性水泥防水砂浆是在传统的刚性水泥砂浆的基础上,通过加入聚合物成分,利用无机、有机材料的合理复合,调整水化硬化体的内部结构,达到提高材料力学性能、防水与粘接性能的目的。常见的改性用聚合物有聚醋酸乙烯-乙烯酯类(EVA)、聚丙烯酸酯类(PAE)、苯丙类(SAE)等。其中,传统苯丙乳液可以改善砂浆的粘接、抗折等性能,价格低廉、污染小;然而,传统苯丙乳液以小分子表面活性剂为乳化剂,对水泥有较强的缓凝作用,影响固结体的强度和抗渗性能,限制了其应用。近年来,对苯丙乳液进行改性研究成为热点。
传统砂浆采用天然砂作为骨料,消耗大量的资源,对生态环境造成破坏。利用工矿企业排放的低品质铁尾矿、钢渣、粉煤灰等代替河砂作骨料制备砂浆,不仅可以明显改善砂浆的力学性能、施工性能、耐水性,降低砂浆的成本,并且大大降低固体废弃物堆积存放造成的环境危害,实现变废为宝与资源的合理利用。采用无皂乳液聚合技术合成核壳结构的功能性苯丙聚合物,工艺绿色,有利于兼顾聚合物的低成本与高功能性。因此,本课题用无皂乳液聚合方法制备的核壳结构交联苯丙聚合物乳液作为改性剂与胶凝材料、骨料、外加剂共混均匀制备绿色聚合物防水砂浆,具有实现区域循环经济的特征,开发的产品具有较好的环境效益、社会效益和可观的经济效益。

1 实验
1.1 原材料
水泥:鹿泉金隅鼎鑫水泥有限公司产42.5 级普通硅酸盐水泥。
河砂:细度模数为2.73 的中砂。
铁尾矿:承德铜兴矿业有限公司,参照GB/T 14684—2001《建筑用砂》测得其细度模数为0.81。
钢渣:过0.3 mm 筛,遵化市中环固体废弃物综合利用有限公司。
粉煤灰:石家庄华能上安电厂。
苯乙烯(St)、二乙烯苯(DVB)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、过硫酸钾(KSP)、NaOH、NaHCO3、磷酸三丁酯、萘磺酸盐、传统苯丙乳液、聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物乳液(EVA)等,市售。
1.2 核壳结构交联苯丙聚合物乳液(PS-DVB-HEMA)的合成
在带有冷凝管、温度计、机械搅拌器的1000 ml 夹套玻璃反应釜中预先通氮气15 min,然后投入27 g 苯乙烯、315 g 去离子水、0.72 g/l 的NaOH 溶液75 ml,0.72 g/l 的NaHCO3 溶液75 ml。氮气保护,待体系温度达到75 ℃后,添加0.5 g 引发剂KSP 和75 ml 去离子水的混合液,体系出现乳状物时,向其中加入交联剂DVB 1.3 g,反应5 h。之后向其中加入HEMA 2.6g,反应3 h,得到核壳结构的交联苯丙聚合物乳液。
1.3 砂浆制备及测试方法
(1)骨料配制:采用Φ500 mm×500 mm 试验磨,将钢渣、粉煤灰等粉磨至要求的细度。
(2)水泥和砂浆胶砂强度测试按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》,其它指标按GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》。
(3)砂浆成型和养护:执行JC/T 984—2011《聚合物水泥防水砂浆》。
(4)稠度测试:参照JGJ 70—90《建筑砂浆基本性能试验方法》,控制在(70±5)mm。
(5)抗渗性测试:参照DL/T 5126─2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》。
(6)SEM 分析:通过扫描电镜观察聚合物及砂浆产品的微观结构。
 
2 结果与讨论
2.1 不同骨料配比对砂浆力学性能的影响
采用铁尾矿、钢渣和粉煤灰等替代河砂配制具有合理级配的骨料,并用其配制砂浆。固定水泥的使用量[m(水泥)∶m(骨料)=1∶3],减水剂(萘磺酸盐)掺量0.5%(按水泥质量计),控制稠度为(70±5)mm 条件下,探索了不同骨料配比对砂浆力学性能的影响,试验结果见表1。
不同骨料配比的砂浆力学性能
由表1 可以看出,保持铁尾矿掺量不变,随着钢渣掺量的掺加,砂浆的抗折、抗压强度均增大,说明钢渣可以很好地提高砂浆的力学性能;但当钢渣完全取代河砂时(配方4),砂浆的抗折、抗压强度又急剧下降,而且砂浆中的钢渣达到60%时会出现安定性的问题,经过在高压釜中高温蒸压7 h 左右,砂浆试样出现开裂现象。综合考虑能大量利用固体废渣同时保证砂浆的安定性,又能提高砂浆性能,选用配方5 配制骨料。后续试验中均按铁尾矿40%、钢渣40%、粉煤灰20%为骨料配制聚合物防水砂浆。
2.2 灰砂比对聚合物防水砂浆性能的影响
水泥和骨料的不同配比(灰砂比)对砂浆性能有较大影响。试验用聚合物为自制的PS-DVB-HEMA 乳液,控制其掺量为10%,消泡剂(磷酸三丁酯)掺量0.2%,减水剂掺量0.5%,需水量通过控制稠度为(70±5)mm 确定。不同灰砂比的砂浆在28 d时的抗压、抗折和抗渗强度变化如图1 所示。
灰砂比对聚合物防水砂浆力学性能和抗渗性能的影响
由图1(a)可知,砂浆的抗压强度随灰砂比的减小而降低,灰砂比小于1∶2.5 时抗压强度降低程度变缓;由图1(b)可知,砂浆的抗折强度随灰砂比的减小而提高,改变灰砂比对改性砂浆的力学性能影响较大;由图1(c)可知,聚合物改性砂浆的抗渗强度先随灰砂比的减小先提高后降低;灰砂比从1∶2.5 降到1∶3.0 时,抗渗强度基本无变化;当灰砂比继续减小,聚合物改性砂浆的抗渗强度急剧下降。灰砂比较小和较大都会降低砂浆的抗渗性能,当灰砂比较大时由于水泥掺量大,改性砂浆的后期干收缩性较大,导致浆体内部和表面会产生大量细小裂纹,水分通过时阻力下降,所以较容易渗水;当灰砂比较小时,水泥掺量较少,不足以将所有的骨料颗粒包裹起来,水化产物不能将全部骨料粘接形成一个整体,裸露和松散堆积的骨料间存在的缝隙成为水分通过的无阻力通道。适宜的灰砂比为1∶2.5~1∶3.0。
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