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0 前言
凹凸棒土简称凹土（attapulgite），又名坡缕石，是一种层链状过渡结构的以含水富镁硅酸盐为主的黏土矿。其化学分子式为Mg5 （ H2O）4 （ Si4O10）2 （ OH）2，化学成分理论值MgO 为23.87%，SiO2 为56.93%，H2O 为19%～20%。凹土具有独特的棒晶结构，是一种天然的一维无机材料，可用于复合材料的增强和增韧[1]。如何将凹土分散到纳米级已引起广泛关注。本文选用分散剂配合超声波分散凹土[2]，将经过充分分散的悬浊液进行真空冷冻干燥从而制备出一维纳米凹土。聚合物胶乳改性防水砂浆的综合技术性能较好，发展前景乐观。但聚合物胶乳成膜后，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。将凹凸棒土掺入聚合物中对复合材料的各项性能会有进一步的改善和提高[3]，但目前尚未见有关纳米凹土对聚合物防水砂浆性能影响的研究成果公开报道。本文用原矿纳米凹土对聚合物防水砂浆进行改性，并考察了改性后聚合物防水砂浆的抗压、抗折强度、粘结强度、抗渗性和耐久性等性能。
1 原材料及试验方法
1.1 原材料
（1）水泥：江南水泥厂生产的金宁羊牌P·Ⅱ42.5R 硅酸盐水泥，性能指标见表1。
（2）砂：中砂，产地为长江上游湖北地区，细度模数2.41，堆积密度1773 kg/m3，表观密度2602 kg/m3，含泥量2.12%。
（3）粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，南京大厂区聚力粉煤灰厂生产，性能指标见表2。
（4）纤维素醚：羟丙基甲基纤维素醚（HPMC），四川某化工厂生产。
（5）可再分散乳胶粉：德国瓦克公司生产的RI554Z。
（6）凹土：由江苏盱眙某公司生产。
（7）消泡剂（E）：苏州某公司生产。
（8）减水剂：江苏某公司生产的JM-B 萘系高效减水剂。
1.2 试验方法
（1）用超声分散及真空冷冻干燥法制备4 种纳米凹土（原矿型、高黏型、蒙脱石型、吸附型），通过SEM 观察比较分散效果。
（2）防水砂浆配合比见表3。将原矿纳米凹土分别以水泥质量的1%、2%、3%掺入聚合物防水砂浆中，并研究不同掺量纳米凹土对聚合物防水砂浆抗压强度、抗折强度、粘结强度、抗渗性和耐久性等性能的影响。聚合物防水砂浆的性能试验均按照JC/T 984—2005《聚合物水泥防水砂浆》规定进行。
表3 纳米凹土对聚合物防水砂浆性能影响的试验配合比
注：nmAT 代表原矿纳米凹土。
（3）将纳米凹土掺入聚合物砂浆或聚合物类复合材料，关键是纳米颗粒的分散。本试验中先将纳米凹土与聚合物充分混合均匀，再将此混合物与砂浆的其它粉料在砂浆搅拌机中拌合均匀。
2 纳米凹土的制备
2.1 制备方法
将一定量的凹土与自来水在烧杯中配成悬浊液（质量比为1∶20），恒温下加入凹土质量3%的分散剂RI554Z，并用玻璃棒搅拌，然后将此悬浮液置于超声波清洗器中分散1 h，其间用玻璃棒中速搅拌让其充分分散，最后将悬浊液真空冷冻干燥约8 h，即制得纳米凹土。用SEM 检测分析4 种纳米凹土的形貌及分散状况。
2.2 试验结果分析
4 种凹土干燥后的SEM 照片分别见图1～图4。
通过以上SEM 微观分析可以看出，原矿凹土和高黏凹土经冷冻干燥后其超细粉末整体上可以达到一维纳米级别，而蒙脱石凹土和吸附凹土干燥后的粉末仅部分可以达到一维纳米级别，这与它们的微观结构有关。
3 纳米凹土对聚合物防水砂浆性能的影响（见表4）
3.1 纳米凹土对聚合物防水砂浆凝结时间的影响
由表4 可以看出，防水砂浆初凝时间大于45 min，终凝时间小于12 h，满足JC/T 984—2005 对凝结时间的要求。各组砂浆的凝结时间基本相同，说明纳米凹土掺量对砂浆凝结时间影响不明显。胶凝材料出现缓凝现象，这可能是聚合物对水泥的缓凝作用。
3.2 纳米凹土对聚合物防水砂浆强度的影响
由表4 可以看出，当纳米凹土掺量为1%时，抗压和抗折强度增幅不到1%，影响不显著。随着纳米凹土掺量增加抗压强度逐渐增大，而抗折强度在掺量为2％时增幅趋于最大，达到5%，掺量超过2％后增幅开始减小，为4%。同时，试验结果显示，第3 组和第4 组的抗压强度达到了JC/T 984—2005 中抗压强度不小于24 MPa 的要求，而抗折强度均未达到标准中规定不小于8.0 MPa 的要求，这主要是因为纳米凹土在砂浆中未充分分散，通过SEM 可观测到的纳米颗粒在砂浆中没达到均匀分散，为了达到较好的分散效果应采用新型的搅拌设备，如超声分散设备。另外，无机填料增强的效果受到粒子和分子链间结合的牢固程度所制约。两者在界面上的亲和性越好，结合力愈大，增强作用就越明显。在许多情况下，这种结合力可采用一定的化学处理方法或加入偶联剂加以强化，甚至使惰性填料变为活性填料[4]。本研究中未加偶联剂，这也是强度整体偏低的一个原因。
3.3 纳米凹土对聚合物防水砂浆粘结强度的影响
从表4 可以看出，掺入纳米凹土后聚合物防水砂浆的粘结强度提高，在掺量为2％时，聚合物砂浆的7 d 和28 d 粘结强度均最高，分别提高26%和18%，粘接性能也最好。这是因为纳米材料粒径小，比表面积大，与聚合物混合后，不但能提高材料的刚性和硬度，还可以起到增韧的效果，刚性无机纳米粒子的加入，促使机体在断裂过程中发生剪切屈服，吸收大量塑性形变功，促进基体脆-韧转变[4]。但继续增加凹土的含量，由于凹土棒晶之间过于接近，又会引起应力集中，使复合材料的性能有所下降。粘结强度整体不够高，未达到JC/T 984—2005 的要求（7 d 粘结强度达到1.0 MPa 以上，28 d 粘结强度达到1.2 MPa 以上）。无机粒子能否增强增韧，与它在基体中的分散有关。当无机粒子均匀而个别地分散在基体中时，无论无机粒子与基体聚合物是否有良好的界面结合（化学作用），都会产生一定的增韧效果，这主要是两相间的物理作用即它们之间存在范德华力引起的。换言之，纳米粒子可以改变高分子链之间的作用力。因为纳米粒子尺寸与大分子链的尺寸属同一数量级，甚至纳米粒子尺寸更小，粒子与大分子链之间呈分子水平分散[5]。
3.4 纳米凹土对聚合物防水砂浆抗渗性的影响
JC/T 984—2005 要求聚合物防水砂浆7 d 抗渗压力达到1.0 MPa 以上，28 d 抗渗压力达到1.5 MPa 以上。试验结果表明，防水砂浆的抗渗性均达到要求。为了探明纳米凹土的掺量对聚合物防水砂浆抗渗性的影响，在抗渗压力达到1.6 MPa后取出试件，沿圆台体试件中心轴垂直劈开，量得10 点的渗水高度，并取其平均值，用平均渗水高度（见表4）比较抗渗性。从测得的渗水高度来看，聚合物防水砂浆中掺入纳米凹土后渗水高度是降低的，且纳米凹土掺量为2%时，渗水高度最低，也就是抗渗性最好。这是因为，纳米凹土与聚合物之间的物理和化学作用[5]，物理作用也就是它们之间存在范德华力。
纳米粒子与高分子之间存在化学作用是因为当粒子尺寸在1~100 nm 时，粒子表面原子数大增，由于量子隧道效应等原因在粒子的表面形成活性很大的活性点，即粒子表面有的原子处于不饱和状态，有孤电子存在，从而使粒子和大分子之间可以形成化学键的结合，即所谓的化学作用，使得其与水泥砂浆间的粘结力进一步提高，很好地抑制了早期微裂纹的产生，从而提高了聚合物防水砂浆的抗渗性。
3.5 纳米凹土对聚合物防水砂浆耐久性的影响
由表4 的试验结果可知，4 组砂浆的耐热性、耐碱性和抗冻性均较好，满足JC/T 984—2005 规定要求。
4 结论
（1）纳米凹土对砂浆凝结时间影响不明显。
（2）聚合物防水砂浆的抗压强度随纳米凹土掺量增加而增大，在纳米凹土掺量为2％时，抗折强度最大，压折比也小，柔性较佳。
（3）掺入纳米凹土后聚合物防水砂浆的粘结强度提高，在掺量为2％时，聚合物砂浆的7 d 和28 d 粘结强度均最高，分别提高26%和18%，粘接性能最好。
（4）聚合物防水砂浆中掺入纳米凹土后渗水高度降低，纳米凹土掺量为2%时，渗水高度最低，抗渗性最好。
（5）4 组试件经过耐热、耐碱、抗冻性试验均未发生开裂、剥落。说明纳米凹土对聚合物防水砂浆没有不利的影响。纳米材料对建筑材料进行改性的应用过程中都存在纳米微粒的分散性差、易团聚凝聚的问题。为此，应当对纳米粒子的表面进行处理，降低其表面能，对颗粒表面进行表面化学改性和表面吸附包覆改性处理。本研究中，若要纳米凹土在聚合物砂浆中达到较好的分散效果应采用新型的搅拌设备，如无重力搅拌机。如何均匀地把纳米微粒分散到目标物中仍然是目前纳米微粒应用研究的热点之一。
