（材料学专业论文）凹土对防水砂浆性能影响的研究.pdf

摘要 摘要 本文研究了在无机防水砂浆中掺入占水泥质量5 的煅烧原矿凹土对防水砂浆各项性能的影响。 结果表明：煅烧原矿凹土对防水砂浆的2 8 d 抗压强度和抗渗性都有提高，特别是掺8 5 0 煅烧原矿 凹土的防水砂浆抗渗性能显著提高；稠度、保水性和粘结强度虽有所降低，但都满足相关标准要求。 本文还研究了煅烧8 5 0 凹土与防水剂复合后对防水砂浆的性能影响，研究了掺o ，2 ，4 ， 6 ，8 的8 5 0 煅烧凹土分别与渗透结晶防水剂和微晶防水剂复合后对防水砂浆保水性，2 8 d 抗压强 度，粘结强度以及抗渗压力的影响，试验结果表明，煅烧凹土对防水砂浆的抗渗性都有显著提高。 凹土对渗透结晶防水剂的改善效果更为显著，且以8 5 0 煅烧凹土替代部分渗透结晶防水剂可以大 大降低防水砂浆的成本。同时研究了粉煤灰与这两种防水剂复合后对防水砂浆性能影响，结果表明： 粉煤灰改善效果远不及凹土，不适合与防水剂配伍。 本文采用超声波分散四种凹土，对分散的凹土进行真空冷冻干燥，通过s e m 观察，干燥后的原 矿凹土和高粘凹土达到一维纳米级分散。用纳米凹土对聚合物防水砂浆进行改性，并对纳米凹土的 作用机理进行了探讨。试验结果表明：纳米凹土掺量为2 时，聚合物防水砂浆的抗压抗折强度、 粘结强度、抗渗性等力学性能达到最佳改善效果。 本文依据相关的机理，配制出两种水泥基渗透结晶防水剂，并以不同比例掺入砂浆中研究其性 能。试验结果表明，两种防水剂除湿基面粘结强度未达标外，其他性能均满足现行标准要求。但配 方仍需优化。 本文还运用x r d 和孔结构分析的微观分析手段来对煅烧前后的凹土和掺入煅烧凹土前后水泥净 浆的微观结构进行分析，通过压汞分析可知，凹土的掺入可以有效的减少砂浆硬化体的总孔隙率， 多害孔数量减少，无害孔的数量增多，最可几孔径减小，孔径更加的细化，从而有效改善了砂浆的 抗渗性。 关键词：凹凸棒石粘土；纳米凹土；防水砂浆；防水剂；抗渗性；强度；粘结强度；微观分析 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei n f l u e n c eo fc a l c i n e da t t a p u l g i t ec l a yo nt h ei n o r g a n i cw a t e r p r o o fm o r t a rw a si n v e s t i g a t e t h e r e s u l t ss h o wt h a t ，t h ec a l c i n e da t t a p u l g i t ec l a yc a l li m p r o v et h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n di m p e r m e a b i l i t yo f w a t e rp r o o f m o r t a r ，i np a r t i c u l a r ，t h ea t t a p u l g i t ec l a ya f t e rc a l c i n i n ga t8 5 0 c f o rt w oh o u r sc a l li m p r o v et h e i m p e r m e a b i l i t yr e m a r k a b l y t h o u g ht h ec o n s i s t e n c y ，w a t e rr e t e n t i v i t ya n db o n ds t r e n g t ha r er e d u c e d s o m e w h a t ，t h e ya l lm e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e l a t e ds t a n d a r d r e s e a r c ht h ew a t e rr e t e n t i v i t y ，p r e s s i v es t r e n g t h ，b o n ds t r e n g t ha n di m p e r m e a b i l i t yo ft h ei n o r g a n i c w a t e r p r o o f m o r t a rw i t hd i f f e r e n tw e i g h tf r a c t i o n s ( o 、2 、4 、6 、8 ) o f c a l c i n e da t t a p u l g i t ec l a ym i x e d w i t hc a p i l l a r yc r y s t a l l i n ew a t e r p r o o fa g e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec a l c i n e da t t a p u l g i t ec l a yc a ni m p r o v e t h ei m p e r m e a b i l i t y r e m a r k a b l y t h ei m p r o v e m e n te f f e c t o fa t t a p u l g i t ec l a yo nc a p i l l a r yc r y s t a l l i n e w a t e r p r o o fa g e n ti sm o r er e m a r k a b l e m o r e o v e r , u s et h ec a l c i n e da t t a p u l g i t ec l a yi np l a c eo fs o m ec a p i l l a r y c r y s t a l l i n ew a t e r p r o o fa g e n t ，i tc a nr e d u c et h ec o s to fw a t e r p r o o fm o r t a re f f e c t i v e l y w h e nt h ef l ya s h m i x e dw i t hw a t e r p r o o fa g e n tu n d e rs a m ec o n d i t i o n s ，t h ee f f e c t i v e n e s si si n f e r i o rt oc a l c i n e da t t a p u l g i t e c l a y u s eu l t r a s o u n dt os c a t t e ra t t a p u l g i t e ，a n du s ef r e e z e d r y i n ge q u i p m e n tt od r ya t t a p u l g i t e t h r o u g hs e m o b s e r v a t i o n ，w ec a ns e ed r i e dg r e e no r ea t t a p u l g i t ea n dv i s c o u sa t t a p u l g i t ea c h i e v eo n e - d i m e n s i o n a l n a n o s t r u c t u r e s t h i ss t u d yu s en a n o a t t a p u l g i t et om o d i f yp o l y m e rw a t e r p r o o fm o r t a ra n dd i s c u s s e st h e m e c h a n i s mo fn a n o - a t t a p u l g i t em o d i f i e dp o l y m e rw a t e r p r o o fm o r t a r t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nl l a n o a t t a p u l g i t ec o n t e n ti s2 ，m o r t a rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss u c ha sc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n db e n d i n gs t r e n g t h ， b o n ds t r e n g t h i m p e r m e a b i l i t ya r ei m p r o v e d a c c o r d a n c ew i t hr e l e v a n tm e c h a n i s m ，t w oc a p i l l a r yc r y s t a l l i n ew a t e r p r o o fa g e n t sa r ed e v e l o p e d ，a n d s t u d yt h e i rp e r f o r m a n c eb ym i x i n gt h e mw i t hm o r t a rw i t hd i f f e r e n tw e i g h tf r a c t i o n s r e s u l t si n d i c a t et h a tt h e p e r f o r m a n c ec a nr e a c ht h em a r ke x c e p tf o rt h eb o n ds t r e n g t h b u tt h ef o r m u l a t i o nn e e dt ob eo p t i m i z e d x r da n dm i ph a v eb e e nu s e df o re x p l a i n i n gt h er e a s o no fi m p e r m e a b i l i t yi m p r o v e d w h e nc a l c i n e d a t t a p u l g i t ec l a yi sm i x e di nw a t e r p r o o fm o r t a r , t h ep o r es t r u c t u r ei si m p r o v e da n dp o r o s i t yi sl o w e r k e yw o r d s ：a t t a p u l g i t ec l a y ，n a n o - a t t a p u l g i t e ，w a t e r p r o o f m o r t a r ，w a t e r p r o o f a g e n t ，i m p e r m e a b i l i t y ， s t r e n g t h ，b o n ds t r e n g t h ，m i c r o - a n a l y s i s i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名翅导师签名： 期： 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 1ll 凹凸棒石粘土 凹凸棒石粘土简称凹土( a t t a p u l g i t e ) ，叉名坡蝼石( p a l y g o r s k i t e ) ，是一种层链状过渡结构的 以含水富镁硅酸盐为主的粘土矿。其分子式为m 自( m o ) t ( s l o 。) 。( 0 h ) ：，单个矿物结构是一种以s i - o 四面体为基本晶体单元形成链状结构的棒束( 其晶体结构见图1i ) ，晶体呈针状、纤维状、或纤维 状集合体，1 8 6 9 年俄国学者隆科钦夫最早在乌拉尔矿区的热液蚀变产物中发现并将它命名为坡缕 石，1 9 3 5 年法国学者d el a p p a r e n t 在美国的佐治亚洲凹凸堡的漂白土中发现一种新的粘土并命名为 凹凸棒土后来b u g g i n s 证明两种物质具有相同的结构是同一种矿物。凹土产出地质环境特殊，其广 泛的应用以及巨大的潜在应用价值使其在粘士矿物学、材料科学、物理化学、土壤科学、环境工程 受到广泛的重视“叫。 我国是世界凹土的主要资源国和生产国之一苏皖凹土矿带探明储量达近2 亿吨。作为国内最 大的资源地和生产地，盱眙已发现凹土矿山3 2 个，其中探明储量6 个，形成东部一东南部南部一 西南部两大矿床带。盱眙通过整顿和治理矿业市场秩序，推行矿业权的市场化，实施优惠的招商政 策，目前已引进大型凹凸棒石生产企业8 个，吸引投资2 亿多元，近期产能迭2 0 万t a ，美国 早在2 0 世纪4 0 年代就已经开采应用凹凸棒土。我国对凹凸棒土的研究起步比较晚，与发达国家 还有相当大的差距，且开发利用水平较低，加上国家非金属矿加工业基础相对薄弱，可以生产的凹 凸棒土产品和其它国家相比还相当的少，以致于这种经济意义重太的矿藏的席用还只限于一般的填 料，甚至以原土的形式廉价地出口，造成资源的浪费。目前开发凹土主要开发了凹土的吸附型、分 散性和其某些化学特性( 如偶联剂等) ，主要应用于环保、造纸和涂料等行业。因此，利用我国凹土资源 丰富的特点，拓展凹土的应用范围和开发高附加值产品，对于这种矿产资源的开发研究具有重大的意 义。 凹土具有独特的棒晶结构( 见图i2 ) ，是一种天然的一维无机纳米材料，对它进行有机化处理 后，可用于复合材料中的增强和增韧。但纳米棒晶在通常情况下容易聚集，导致凹凸棒土与聚合物 复台只能起到填充增量作用，不能充分发挥其应有的作用。目前纳米凹土的制备研究不多专门介 绍纳米凹土制备的文献也极少。2 0 0 8 年度江苏省科技支撑项目( 工业) 计划中列出了凹土的高端技 术研究，其中包括凹土纳米级粉碎、凹土提纯、增白等共性拄术开发与推广应用。可见纳米凹土的 制备已经引起了高度重视，本文将对这方面做一些探索。 图ii 凹凸棒土的晶体结构( 0 0 1 面投影)图i2 凹土棒晶t e m 3 0 0 0 0 x 另外，根据课题组前期的试验结论发现，8 5 05 c 煅烧原矿凹土可显著改善普通砂浆抗渗性和粘结 强度。基丁这些研究结果，将煅烧即十麻用于砂浆防水，期望得到一种性价比更高的防水剂，从而 降低防水砂浆成本。 东南大学硕士学位论文 1 1 2 防水砂浆和防水剂 对于建筑构造材料来说，如混凝土、砖石和天然石料，水是最具摧毁性的影响要素。建筑防水 是- r 综合性、应用性很强的工程技术科学，是建筑工程技术的重要组成部分。防水工程质量的好 坏直接关系到建筑物和构筑物的使用寿命和人民的安居乐业，同时关系到生产能否正常进行。目前， 市场上存在的几种防水材料包括：防水卷材、防水涂料、密封材料以及防水砂浆( 混凝土) 。从国内 外多年实践证明，传统的弹性防水材料如涂料虽然呈现出了弹性或柔性的特点，耐久性也较好，但 与基面混凝土粘结力弱，尤其在基面潮湿或有渗水的情况下无法使用，不宜作背水面和潮湿基面的 防水。刚性水泥基防水材料具有柔性材料无法比拟的性能而广泛应用。防水砂浆作为防水材料的 一种，具有施工简单，污染小，耐久性高，适合于各种施工面作业等优点一直为建筑业者所青睐。 普通水泥砂浆为多成分非匀质体，其内部存在大量的毛细孔和微细裂纹，变形性能很低。而且 由于须经施工现场拌制加工，其成型质量还受到施工过程中的计量准确程度、搅拌均匀性、振捣密 实程度、施工气候条件、养护条件等诸多因素的影响，因此水泥砂浆存在着不可避免的缺陷，如抗 渗能力差，吸水率和干缩率大，易开裂等。目前广泛采用掺加微膨胀剂来提高其抗裂性，掺加减水 剂、降低用水量来减少毛细孔的形成，掺加防水剂堵塞渗水通道，这些措施对减少混凝土和水泥砂 浆的缺陷起到了一定作用但由于未改变材料的内部结构形态，因此效果仍不尽如人意，尤其作为防 水层是不能满足建筑防水要求的。可见防水砂浆的改性研究具有重要的现实意义。 防水砂浆分为普通防水砂浆( 无机防水砂浆) 和特种防水砂浆。无机防水砂浆是在砂浆中掺入 防水剂，形成高水密性的防水砂浆，涂抹到混凝土结构或建筑物表面防止漏水。特种防水砂浆主要 是指利用聚合物的优良性能对普通砂浆进行改性，提高砂浆韧性，减小砂浆收缩，改善孔隙特征以 提高防水能力。防水效果显著的无机防水砂浆价格比普通砂浆高一倍以上，因此，降低防水砂浆的 成本具有重要的经济意义。聚合物改性防水砂浆工艺简单、聚合物用量低，同时又能提高普通水泥 砂浆的粘结性、抗裂性以及耐久性，降低其脆性和成本。存在的问题是，作为防水领域，聚合物胶乳 成膜后，胶膜的稳定性、耐老化性、耐水性和物理机械性能均有待提高。基于凹凸棒土独特的物理 结构，采用简单有效的工艺技术，使凹凸棒尽可能均匀地以纳米棒晶分散在聚合物基体中，提高复 合材料的性能，降低复合材料成本，进一步拓宽凹凸棒的应用范围是未来这一领域的重要研究方向。 砂浆防水剂是指掺在水泥砂浆中与其形成统一的整体，共同产生防水作用的外加剂，它促进砂 浆的硬化，填塞孔隙或赋予砂浆憎水性，提高砂浆的水密性。目前应用于建筑砂浆的防水剂主要包 括：金属皂类、硅酸钠类、无机铝盐类、有机硅类等防水剂，但其或多或少都存在以下问题或不足 之处：防水层的有效期短，很难永久防水，外墙防水需采用附加防水层等。在国外，加拿大凯顿公 司开发的k r y s t o l 防水系统成为世界领先的“整体结晶防水”技术。其中的k 是世晃上唯一具有永 久高速生长性能的防水剂。但是每吨6 万元的价格还是让人难以适应。美国s p 无机化学公司资料利 用自己生产的专利产品微晶混合物( m i c r 0 1 i r e ) 研制出的微晶防水剂v i i a 因其独特的防水原理而 具有极佳的防水效果。但是它的效果跟k 相比稍逊一筹，且价格也较高。综上所述，开发出具有微 细裂缝自愈合、渗透结晶、可在背水面施工等特点且价格较低的砂浆防水剂势在必行。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 凹土改性的国内外研究现状 由于凹土具有良好的胶体性能和吸附性能，是一种很好的增稠材料；同时由于它独特的棒晶结 构，是一种天然的纳米材料，对它进行有机化处理后，可用于复合材料中的增强和增韧。凹土的上 述优异性能为其应用于商品砂浆改性剂提供了可能性。将这种可能性变为现实，在砂浆领域成功开 发应用凹土，关键是改性。目前改性的手段可概括为：高温煅烧、偶联剂处理，表面活性剂处理、 超声分散、与不同助剂配伍埔，。 国内外的许多专家和学者针对凹十改性问题进行了长期深入的研究。南京理工大学王连军旧1 的 实验结果表明，焙烧凹凸棒七的比表面积随着焙烧温度的增加而增人。经测定，天然凹凸棒土的比 表面积为1 8 3 8 7 m 2 g ，2 8 0 焙烧士为1 9 5 6 9i l l 2 g ，4 2 0 时为2 3 3 2 3m 2 g ，6 0 0 时为2 0 4 3 6m z g ， 2 第一章绪论 超过6 0 0 时，比表面积逐渐呈下降趋势。通过以上实验，可对凹凸棒土的高温焙烧改性机理作以 下推断：在不同温度下焙烧活化的凹凸棒土可以脱除晶体结构中不同状态的水，使其杂乱堆积的针 棒状团变得疏松多孔，增加孔隙容积和比表面积。焙烧超过6 0 0 时，则会引起凹凸棒土孔洞塌陷、 纤维束堆积，针状纤维束紧密烧结在一起，孔隙容积和比表面积减小，其吸附能力减弱。美国的j r p u r c e l l u 州等人研究了凹土的提纯技术。初步实验表明，在超声水热法纯化凹土的基础上，添加少量 分散剂六偏磷酸钠可显著提高提纯效果，产品纯度可接近1 0 0 。金叶玲n 选用六偏磷酸钠作为分散 剂，采用分散剂六偏磷酸钠协同超声水热法共同提纯，实现凹凸棒石粘土的纯化和超细化，具有较 高的工业可行性。试验表明：分散剂六偏磷酸钠协同超声水热法能有效提纯和细化凹土，且具有良 好的脱色功效，最佳工艺条件为：加热温度4 0 ，六偏磷酸钠用量是凹土用量的3 ，搅拌方式为超 声波加中速搅拌；所得纯化凹土为疏松白色针状晶体，粒度d 1 7 5 m 3 t ，2 0 0 目筛余量 8 ，水份 1 6 脱色力1 7 0 ，p i j 值7 i - 0 2 ，水份 5 ，2 0 0 通过率9 5 脱色力1 5 0 1 7 0 ，p h 值7 土0 2 ，水份 5 ，2 0 0 通过率9 5 脱色力1 2 0 1 5 0 ，p h 值7 i - 0 2 ，水份 5 ，2 0 0 通过率9 5 固体含量3 0 ，粘度3 0 3 5 秒。，细度 吣t 1 r 一 o2468 煅烧凹土掺量( ) 图3 6 两种防水砂浆抗压强度( m p a )图3 7 两种防水砂浆抗折强度( m p a ) 由图3 6 ，图3 7 可知，加入煅烧凹土后，渗透结晶型防水砂浆抗压强度都有所降低。这主要 是因为8 5 0 煅烧凹土的掺入，使砂浆的黏度增大，在保持相同的砂浆流动度时，需要加入更多的 水，使砂浆的强度略有降低。随着煅烧凹土掺量的增加，抗折抗压强度都在第3 组产生峰值，这说 明煅烧凹土的掺量在4 左右时强度达到最佳。这是因为砂浆的强度不仅取决于初始水灰比，同时 8 5 0 煅烧凹土具有火山灰活性，掺入砂浆中的煅烧凹土的火山灰物质反应后生成的物质填充了砂浆 内部的毛细孔从而降低了砂浆的孔隙率，增加了砂浆的强度，故在掺量到达4 时砂浆的强度提高。 继续加大掺量，由于水灰比增大对砂浆强度的影响超过煅烧凹土活性对砂浆强度的影响，故砂浆强 度有所降低。 由图3 7 可知，加煅烧入凹土后，微晶防水砂浆抗折有所降低，而抗压强度有所增加。抗折强 度降低是由于水灰比增大，因而强度有所降低。而抗压强度升高与微晶防水砂浆的结构有关。微晶 粒子内部具有蜂巢状均匀d , z e l 穴结构，加大了砂浆的孔隙率，从而使抗压强度降低，而随着粉末状 凹土的均匀混合，降低了其孔隙率，使之密实性有所提高，从而强度增加。 3 4 2 3 煅烧凹土对无机防水砂浆抗渗性的影响 2 2 g ； ； 舛 s 采v 静鼍拳 8 5 7 5 6 5 5 7 6 5 罡h)刨爱翠嚣 第三章煅烧改性凹土对无机防水砂浆性能影响的研究 试验中的十组试件抗渗压力达到最高压力1 6 m p a 时均未渗出水，无法比较抗渗性的好坏。为了 探明煅烧凹土对防水砂浆抗渗性的影响，在抗渗试验后取出试件，沿圆台体试件中心轴垂直劈开，量 得1 0 点的渗水高度，并取其平均值，用平均渗水高度来比较抗渗眭，结果见图3 8 。 官 3 嫠 惺 蹬 3 0 5 o 一 一掺渗透结阜防水剂 一掺微晶防水剂 一， 一、 一 1 ， o24 68 煅烧凹土掺量( ) 图3 8 两种防水砂浆的渗水高度( r u m ) 由图3 8 可以看出，渗透结晶防水砂浆和微晶防水砂浆渗水高度都随着凹土掺量的增加而降低， 基本成线性变化。凹土掺量越多，渗水高度越低，其抗渗性能越好。由此可知，8 5 0 煅烧凹土对这 两种防水剂配制的防水砂浆抗渗性具有显著的改善作用，可以进一步改进两种防水剂的抗渗性能。 吴中伟院士将水泥石的孔分成四级：无害孔( 孔径 2 0 0 n m ) 。其中小于5 0 n t o 的孔是对抗渗无害的。有研究表明，在砂浆中掺 入8 5 0 煅烧凹土时，孔隙率较空白砂浆降低了3 0 9 ，而且孔径分布趋向于微小化。掺8 5 0 煅烧 凹土后，砂浆中小于5 0 n m 的无害孔增加到了2 0 1 2 ( 空白砂浆为1 1 8 8 ) ，大于l o o n m 的有害孔降 低到7 2 2 3 ( 空白砂浆为8 2 0 8 ) 。这是因为凹土在8 5 0 温度煅烧后，晶格塌陷，生成了顽辉石、 透辉石、c a o 、m g o 和玻璃体类物质，结晶性很不稳定，具有很高的火山灰活性。砂浆中水泥水化产 物里的c a ( o h ) 。因同煅烧凹土中的活性氧化硅与活性氧化铝作用而大大减少。这些火山灰物质反应后 生成的物质填充了砂浆内部的毛细孔从而降低了砂