劉方宇，劉超，顧雍舟，黃琳婷（同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上?！?00092）

摻丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的整體防水混凝土研究

劉方宇，劉超，顧雍舟，黃琳婷
（同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海200092）

對(duì)摻加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的整體防水混凝土的強(qiáng)度、吸水系數(shù)以及抗氯離子侵蝕性等進(jìn)行研究。結(jié)果表明，在混凝土拌合料中摻加一定量的丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物，能夠使混凝土的毛細(xì)吸水系數(shù)降低74%以上，改善混凝土的防水性能；與素混凝土相比，摻丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的混凝土氯離子含量明顯降低，改善了混凝土的抗氯離子侵蝕能力；摻聚合物延緩了水化反應(yīng)進(jìn)行，使得混凝土強(qiáng)度降低。

丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物；整體防水混凝土；抗壓強(qiáng)度；吸水系數(shù)；氯離子含量

0　前言

隨著人們對(duì)建筑物安全問(wèn)題的日益重視，混凝土的耐久性問(wèn)題也越來(lái)越多地被人們所關(guān)注。影響混凝土耐久性的主要因素有：混凝土碳化、凍融破壞、侵蝕性介質(zhì)的腐蝕以及堿集料反應(yīng)等。研究發(fā)現(xiàn)，這些對(duì)混凝土的破壞過(guò)程都與液態(tài)水的存在直接相關(guān)，采用適當(dāng)?shù)姆浪胧┛梢詼p少上述破壞的發(fā)生［1］。而傳統(tǒng)防水措施效果不是很理想，需要一種更為高效、經(jīng)濟(jì)的防水處理方法。丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物為水分散體系，不含有機(jī)溶劑，與混凝土和易性好，可以現(xiàn)場(chǎng)施工［2］。并且，由于其產(chǎn)率較高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景［3］。因此，研究?jī)?nèi)摻丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的整體防水混凝土，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文在混凝土攪拌過(guò)程中摻加不同量的丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物，進(jìn)行整體防水混凝土的試驗(yàn)，并研究了丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度、吸水性能以及抗氯離子侵蝕性的影響。

1　試驗(yàn)

1.1原材料與試件制備

P·O42.5古城山水水泥；5～20 mm連續(xù)級(jí)配的花崗巖質(zhì)碎石，濟(jì)南章丘；河北正定河砂，細(xì)度模數(shù)2.8，中砂；德州華能電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰；山東永通實(shí)業(yè)有限公司礦粉S95；聚羧酸高效減水劑。丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物摻量分別占膠凝材料總質(zhì)量的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，具體配合比見(jiàn)表1。

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，將丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物加入到混凝土拌合料中，攪拌均勻后裝入100 mm×100 mm×100 mm的鋼模中振搗成型，為了不影響丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的防水效果，在澆注時(shí)不使用脫模劑?；炷脸尚?8 h后拆模，然后將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室 ［（20±3）℃，相對(duì)濕度大于90%］中養(yǎng)護(hù)。將試件分成2部分，一部分試件在7 d和28 d齡期測(cè)試抗壓強(qiáng)度；另一部分試件養(yǎng)護(hù)至28 d后取出。

1.2吸水性能和氯離子侵入試驗(yàn)

為了研究混凝土的毛細(xì)吸水性能，參照ISO 15148［4］對(duì)其進(jìn)行吸水試驗(yàn)，如圖1所示。試驗(yàn)前，先將試塊置于60℃烘箱內(nèi)烘干5 d至質(zhì)量基本恒定；隨后對(duì)除與水接觸面和切割面外的其余4個(gè)側(cè)面全部用石蠟密封，以確保整個(gè)吸水過(guò)程是一維的；將試塊放入平底的盛水容器中，底部用墊塊支撐，向容器中倒入水，直至液面高出試塊底面（5±1）mm；在規(guī)定的吸水時(shí)間（0、1、2、4、8、12、24、36、48、72 h）取出試塊，擦拭表面的液態(tài)水后稱量，得到混凝土試塊在不同時(shí)間內(nèi)的吸水量。

表1　試驗(yàn)用混凝土的配合比　kg/m3

圖1　吸水試驗(yàn)示意

氯離子侵入試驗(yàn)裝置與吸水試驗(yàn)裝置類似，只是將水換成3%濃度的NaCl溶液。浸泡28 d后，從接觸面開(kāi)始對(duì)試件的不同高度處進(jìn)行研磨取粉，將磨好的粉末用氯離子滴定法測(cè)試試件中氯離子的含量；同時(shí)采用傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀（FT-IR）測(cè)試摻加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的試件中丙烯酸鹽的含量。

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1丙烯酰胺-丙烯酸摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)圖2）

由圖2可知，隨著丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物摻量的增加，混凝土的28d抗壓強(qiáng)度明顯降低。這說(shuō)明摻加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物延緩了混凝土中水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，致使水化產(chǎn)物減少，使混凝土的7d、28d抗壓強(qiáng)度有所降低，并且丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的摻量越高，試塊抗壓強(qiáng)度降低的也越大。因此，單從機(jī)械性能的變化來(lái)說(shuō)，丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的摻量不宜超過(guò)膠凝土材料總質(zhì)量的1.5%。

圖2　不同乳液聚合物摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.2丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物對(duì)混凝土毛細(xì)吸水的影響（見(jiàn)圖3）

圖3　不同乳液聚合物摻量對(duì)混凝土吸水量的影響

由圖3可知，摻加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的混凝土試塊吸水量有明顯降低，最大可降低到約為未摻加的試塊的3/4?；炷恋姆浪阅芡ǔＪ峭ㄟ^(guò)混凝土的滲透系數(shù)或毛細(xì)吸收系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)。在混凝土試塊吸水試驗(yàn)過(guò)程中，假設(shè)混凝土各向同性、吸水過(guò)程是一維的，則吸水量與吸水時(shí)間的平方根應(yīng)呈線性關(guān)系，即符合“試件開(kāi)方定律”［5-6］，如式（1）所示。

式中：A——吸水系數(shù)，g（/m2·h1/2）；

△W——混凝土的單位面積吸水量，g/m2；

t——吸水時(shí)間，h；

對(duì)于圖3中的各混凝土試塊的吸水曲線進(jìn)行線性擬合。其中，A試塊（未摻加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物）取前8 h數(shù)據(jù)，即以其前期的線性系數(shù)表示其吸水能力；而對(duì)于摻加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的試塊，由于表面效應(yīng)［7］，在線性擬合時(shí)去掉了0時(shí)刻的數(shù)據(jù)。

擬合數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，摻加了丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的混凝土試塊吸水系數(shù)大大降低，最大降低到未摻加的試塊的吸水系數(shù)的76.7%；但當(dāng)乳液聚合物的摻量超過(guò)1.5%時(shí)，吸水系數(shù)的減小速度明顯降低，防水效果提高不明顯。這是因?yàn)椋诘蜐舛葧r(shí)，混凝土內(nèi)部的OH-可以和乳液聚合物中的親水基團(tuán)通過(guò)氫鍵作用形成物理交聯(lián)，聚合物的空間網(wǎng)絡(luò)變小，吸水能力下降［8］，從而使得混凝土的吸水系數(shù)下降，防水效果提高。

表2　防水混凝土的吸水系數(shù)及其降低率

另外，需要說(shuō)明的是，摻入丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物只能在一定程度上阻止水分侵入混凝土，這是因?yàn)椋海?）乳液聚合物本身相互吸附形成的網(wǎng)狀絮凝體結(jié)構(gòu)并不能完全將混凝土中的微裂縫、孔隙凝結(jié)住，仍會(huì)有一部分孔隙或微裂縫暴露出來(lái)，導(dǎo)致水分侵入混凝土。（2）防水處理只能輕微影響混凝土的透氣性，水仍能以水蒸氣的形式向混凝土中擴(kuò)散［9］。

由FT-IR測(cè)試摻加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的混凝土試塊不同滲透深度處的丙烯酸鹽含量，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　混凝土試塊中的丙烯酸鹽含量

由圖4可知，試塊表面處丙烯酸鹽的含量最高，這是由于丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物分子在混凝土凝結(jié)硬化過(guò)程中隨著水分向表面的聚集形成的。另外，還需要說(shuō)明的是，在混凝土試塊內(nèi)部也含有較多的丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物，這進(jìn)一步說(shuō)明了摻加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物能改善混凝土的整體防水效果。

2.3丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物對(duì)混凝土抗氯離子侵蝕性的影響

在不同丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物摻量下，混凝土試塊在浸泡28 d后不同滲透深度處的氯離子含量見(jiàn)圖5。

圖5　混凝土試塊在3%NaCl溶液中浸泡28 d的氯離子含量

由圖5可知，摻加丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物的混凝土試塊的氯離子含量在不同滲透深度處均有明顯的下降，在10 mm深度處的氯離子含量已降到0.1%以下，而未摻加的混凝土在15 mm處含量仍為0.1%。這是因?yàn)椋海?）吸水試驗(yàn)表明摻入丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物后，混凝土試塊的吸水能力明顯下降，而氯離子侵入混凝土必須要有水為載體才能實(shí)現(xiàn)，這就使得混凝土的抗氯離子侵入性能得到提高；（2）當(dāng)水中含有電解質(zhì)時(shí)，聚合物的吸水率就明顯降低，當(dāng)電解質(zhì)濃度增大時(shí)，因其鹽效應(yīng)，對(duì)羧鈉基的離解影響增大，故吸水率隨之下降更為顯著［10］。

3　結(jié)語(yǔ)

（1）與素混凝土相比，摻入丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物延緩了水化反應(yīng)的進(jìn)行，使得混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，建議丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物摻量不宜超過(guò)1.5%。

（2）摻入丙烯酰胺-丙烯酸乳液聚合物后，能夠大大降低混凝土的吸水量，在提高混凝土防水性能的同時(shí)，也能有效改善混凝土的抗氯離子侵蝕性能。

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The study on the integral water repellent concrete with addition of acrylamide-acrylic acid emulsion polymer

LIU Fangyu，LIU Chao，GU Yongzhou，HUANG Linting
（College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Research includes experiments on concrete intensity，absorption coefficient，corrosion resistance of chlorine ion and etc of acrylamide-acrylic acid emulsion polymer ensemble water-proof concrete.The experimental result shows that mixing a certain amount of acrylamide-acrylic acid emulsion polymer retard the process of hydration reaction which may reduce the intensity of concrete；it turns out that capillary water absorption coefficient of concrete will be reduced by 74%after mixed the emulsion polymer.Comparing to plain concrete，the one mixed with acrylamide-acrylic acid emulsion polymer has a remarkably lower chlorine ion ratio，which will improve the chlorine ion corrosion resistance ability of concrete.

acrylamide-acrylic acid emulsion polymer，integral water repellent concrete，compressive strength，coefficient of water absorption，chloride ion concentration

中國(guó)分類號(hào)：TU528.32A

1001-702X（2016）04-0108-03

2015上海市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（0200107309）

2016-02-14

劉方宇，男，山東德州人。地址：上海市楊浦區(qū)四平路同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院2013級(jí)，E-mail：lfangyu@126.com。