滲透型流體修補(bǔ)砂漿的配制及性能研究

柴石明

滲透型流體修補(bǔ)砂漿的配制及性能研究

柴石明

（南京滬聯(lián)新型建材有限公司，江蘇南京210041）

研究了膠凝材料、高活性物質(zhì)、化學(xué)添加劑用量對(duì)HCC滲透型修補(bǔ)砂漿本體強(qiáng)度、粘結(jié)性能及其耐候性的影響，通過SEM分析了修補(bǔ)砂漿水化物在不同齡期的晶體生長(zhǎng)過程，得出了HCC滲透型修補(bǔ)砂漿的最優(yōu)配比。試驗(yàn)結(jié)果表明，按最優(yōu)配比制備的HCC滲透型修補(bǔ)砂漿具有很好的技術(shù)性能和施工性能，符合或優(yōu)于JG/T 336—2011《混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)用聚合物水泥砂漿》標(biāo)準(zhǔn)中A型的要求。

納米滲透；HCC；修補(bǔ)；早期強(qiáng)度；粘接強(qiáng)度

混凝土和砂漿是我國(guó)近現(xiàn)代建筑的主體材料，容易出現(xiàn)老化和破損等情況，修補(bǔ)材料以聚合物改性水泥為主，主要的技術(shù)手段有：丁苯或丙烯酸乳膠等的有機(jī)物改性、高活性礦物的活化改性、納米材料改性等。產(chǎn)品多、性能側(cè)重強(qiáng)是目前建筑領(lǐng)域中修補(bǔ)材料的特點(diǎn)，同時(shí)建筑破損的產(chǎn)生原因不明和復(fù)雜性使得修補(bǔ)材料的選用和側(cè)重顯得愈發(fā)重要和難以取舍［1-2］。

HCC滲透型修補(bǔ)砂漿是通過乳膠粉、高活性礦物和納米物質(zhì)的共同作用，從改善其本體的力學(xué)性能、與修補(bǔ)界面的粘結(jié)強(qiáng)度、工程應(yīng)用的便捷性等作為產(chǎn)品的技術(shù)要求，具有粘結(jié)力強(qiáng)、抗?jié)B、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)指標(biāo)符合或優(yōu)于JG/T 336—2011《混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)用聚合物水泥砂漿》的要求。

1　試驗(yàn)

1.1原材料和儀器設(shè)備

水泥：南京海螺水泥有限公司產(chǎn)P·O 52.5水泥，密度3.05 g/cm3，比表面積360 m2/kg，化學(xué)成分見表1；硅粉：武漢新必達(dá)硅粉材料公司，密度2.06 g/cm3，火山灰活性指數(shù)0.91，比表面積13.4 m2/g，化學(xué)成分見表1；砂：石英砂，密度2.64 g/cm3；聚羧酸減水劑：Niyon700型，減水率22%，蘇州弗克公司；膨脹劑：HP型，南京滬聯(lián)公司產(chǎn)；可再分散膠粉：4015N型，瓦克公司產(chǎn)；納米材料：氣相白炭黑，M-5型，美國(guó)CABOT公司產(chǎn)；憎水劑：SHP50，美國(guó)道康寧公司；羧甲基纖維素（CMC）：FH9，重慶力宏精細(xì)化工有限公司。

表1　水泥和硅粉的主要化學(xué)成分%

主要試驗(yàn)儀器為：XZM100振動(dòng)型磨機(jī)，武漢探礦機(jī)械公司；TYE-300B型試驗(yàn)壓力機(jī)、NRJ-411A型膠砂攪拌機(jī)，無錫建儀儀器機(jī)械有限公司；SPZ-100型膨脹率測(cè)定儀，杭州三思儀器有限公司；恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱：PYX-150-B型，廣東韶關(guān)科力試驗(yàn)儀器有限公司；JSM-6380LV型掃描電鏡，日本島津公司。

1.2試驗(yàn)方法

HCC滲透型修補(bǔ)砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度，凍融循環(huán)，凝結(jié)時(shí)間，粘結(jié)強(qiáng)度按照J(rèn)G/T 336—2011進(jìn)行測(cè)試；抗?jié)B壓力按照GB 23440—2009《無機(jī)防水堵漏材料》進(jìn)行測(cè)試；流動(dòng)性按照GB/T50448—2008《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行測(cè)試。

2　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果

在對(duì)如上的技術(shù)指標(biāo)要求中，以單組份現(xiàn)場(chǎng)加水施工方案的Ⅰ類產(chǎn)品作為產(chǎn)品最終形態(tài)時(shí)，選取出影響強(qiáng)度的膠凝材料、影響凝結(jié)時(shí)間的減水劑和膠粉、影響拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的膠粉和納米材料、影響流態(tài)性能的高分子聚合物添加劑等因素，設(shè)計(jì)的6因素5水平L25（65）正交試驗(yàn)表見表2，用砂補(bǔ)齊至100%。其它指標(biāo)如凝結(jié)時(shí)間和收縮率屬于微量化學(xué)試劑可控指標(biāo)，在試驗(yàn)后期予以調(diào)整。

表2　正交試驗(yàn)因素水平

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試結(jié)果見表3，各因素對(duì)強(qiáng)度影響的極差分析見圖1。

表3　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試結(jié)果

圖1　各因素對(duì)強(qiáng)度影響的極差分析

由表3和圖1可以看出，各因素對(duì)修補(bǔ)砂漿7 d和28 d抗折強(qiáng)度的影響分為3個(gè)主要遞減梯度，水泥＞膠粉≈硅粉＞納米材料≈減水劑≈CMC；對(duì)修補(bǔ)砂漿7 d和28 d抗壓強(qiáng)度的影響也分為3個(gè)主要遞減梯度，水泥＞硅粉＞膠粉≈納米材料≈減水劑≈CMC。

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

水泥和硅粉作為膠凝材料提供HCC滲透型修補(bǔ)砂漿的主要強(qiáng)度性能，因而其對(duì)抗折、抗壓強(qiáng)度影響最大，但隨著其用量的繼續(xù)增大而效力趨于減弱?；驹?yàn)?，提高水泥用量可以視為?qiáng)度趨于水泥凈漿的強(qiáng)度，同時(shí)過高的水泥量在修補(bǔ)應(yīng)用中沒有產(chǎn)業(yè)化意義，并可能引發(fā)薄層修補(bǔ)工程的表面龜裂和本體貫穿型開裂。對(duì)比水平A1～A5的性能曲線，參照J(rèn)G/T 336—2011要求的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度不低于30、45 MPa、7 d、28d抗折強(qiáng)度不低于6、12 MPa，預(yù)留20%的指標(biāo)富余量，選用A4水平作為優(yōu)選值。硅粉作為依據(jù)水泥用量的摻合料，用量在3%～7%時(shí)，體現(xiàn)出與強(qiáng)度的正相關(guān)線性關(guān)系，能提高試件的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)抗折強(qiáng)度具有改善作用，在B4水平時(shí)，具有較好的28 d折壓比（0.208），從而認(rèn)為在因素A4B4時(shí)具有很好的強(qiáng)度性能和柔韌性。

膠粉用量可以影響凝結(jié)時(shí)間，同時(shí)對(duì)抗折強(qiáng)度有較大的影響，從圖1得出膠粉用量與抗折強(qiáng)度具有正相關(guān)線性關(guān)系，但對(duì)7d和28d抗壓強(qiáng)度分別為負(fù)相關(guān)和輕微影響，從抗折強(qiáng)度出發(fā)，優(yōu)選C5作為最佳摻量。D與E因素是作為調(diào)節(jié)用水量和操作性能的指標(biāo)，聚羧酸減水劑通過促進(jìn)水泥水化放熱而提高水化物生成量，有提高強(qiáng)度的作用［2］，當(dāng)處于D2和E3水平時(shí)，具有很好的施工和攪拌性能。在本體的抗折、抗壓強(qiáng)度中不對(duì)F因素的水平做出判定。

在HCC滲透型修補(bǔ)砂漿的滲透性粘結(jié)性能中，水泥、硅粉、膠粉、納米材料都是影響粘結(jié)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，其中納米材料對(duì)滲透粘結(jié)的影響最關(guān)鍵，F(xiàn)3和F5為優(yōu)選出的水平。設(shè)計(jì)如下補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)：5個(gè)因素水平A4B4C5D2E3固定不變，通過再摻入微量的憎水劑來改善修補(bǔ)砂漿的浸水和凍融性能，對(duì)比F3、F5（納米材料用量分別為0.030%、0.040%），憎水劑用量分別為0.06%、0.08%時(shí)，HCC滲透型修補(bǔ)砂漿的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果見表4。

表4　粘結(jié)強(qiáng)度性能優(yōu)化試驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果

由表4可以看出，憎水劑的加入可以很好地改進(jìn)修補(bǔ)砂漿浸水和凍融后的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。另一方面，納米材料的堆積密度是40 kg/m3、憎水劑的堆積密度720 kg/m3，在性能相似時(shí)具有較大體積量的原料更利于工業(yè)化產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定，選用納米材料用量0.030%、憎水劑用量0.08%作為粘結(jié)性能優(yōu)化的最佳摻量。

經(jīng)過優(yōu)化后，每1000 g修補(bǔ)砂漿中水泥用量為420 g、硅粉為420×6%=25 g、膠粉為40 g、減水劑為420×2%=8.4 g、CMC為1 g、納米材料為0.3 g、憎水劑為0.8 g，其余為砂時(shí)，制備的HCC滲透型修補(bǔ)砂漿具有如表5所示的性能。

表5　HCC滲透型修補(bǔ)砂漿的性能測(cè)試結(jié)果

3　修補(bǔ)砂漿的修補(bǔ)機(jī)理分析

當(dāng)修補(bǔ)砂漿中的粉體顆粒與攪拌水接觸后，通過減水劑的作用降低漿料里游離水的量，從而降低修補(bǔ)砂漿固化后因游離水揮發(fā)后留下的毛細(xì)孔道，提高微觀結(jié)構(gòu)下孔隙率。在硅粉與水泥水化產(chǎn)生的CH、CSH作用形成新的晶核填充在水泥漿體里，提高了修補(bǔ)砂漿的本體強(qiáng)度［3-4］。可再分散膠粉是一種具有柔性的熱塑性樹脂，已有研究表明［5］，膠粉可以提高抗折強(qiáng)度，另一方面膠粉會(huì)或多或少地降低抗壓強(qiáng)度，從而調(diào)節(jié)了修補(bǔ)砂漿的柔韌性。

按最優(yōu)配比（除砂外）制備了水泥凈漿，對(duì)固化后的水泥石進(jìn)行SEM電鏡分析，結(jié)果見圖2。

圖2　修補(bǔ)砂漿在不同齡期的SEM照片

由圖2可見，在第12 h時(shí)，各原料已經(jīng)開始水化并成核生長(zhǎng)，生成了很多直徑在50～200 nm的細(xì)小顆粒，在24 h時(shí)已經(jīng)固化并成膜，初步形成了穩(wěn)定的水泥固化物［4，6］。

按照GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》標(biāo)準(zhǔn)，采用P·O42.5水泥和標(biāo)準(zhǔn)砂，膠砂比為1∶3、水膠比為0.5制備M40水泥砂漿試件，28 d抗壓強(qiáng)度為47 MPa。按優(yōu)化后最優(yōu)配比制備的HCC滲透型修補(bǔ)砂漿對(duì)M40砂漿的實(shí)際粘結(jié)后拉拔試件照片見圖3。

圖3　修補(bǔ)砂漿對(duì)M40砂漿的28 d粘結(jié)拉拔破壞

由圖3可見，破損的界面為M40砂漿本體，這充分說明HCC滲透型修補(bǔ)砂漿對(duì)水泥基材料具有非常好的粘結(jié)性能和滲透能力，通過納米材料的滲透并水化，實(shí)現(xiàn)界面的粘接［7］。當(dāng)用于破損砂漿、破損混凝土的修補(bǔ)時(shí)，具有比本體材料更高的力學(xué)性能，不會(huì)產(chǎn)生再破損。

4　結(jié)語

（1）采用水泥、硅粉、膠粉、聚羧酸減水劑、CMC、納米材料和砂等配制而成單組份HCC滲透型修補(bǔ)砂漿。體系中的活性成分滲透到原破損砂漿混凝土的微孔或毛細(xì)孔中，形成牢固的粘結(jié)力，從而實(shí)現(xiàn)修補(bǔ)。

（2）當(dāng)水泥用量為42.0%、硅粉為2.5%、膠粉為4.0%、減水劑為0.84%、CMC為0.1%、納米材料為0.03%、憎水劑為0.08%，其余為砂時(shí)，制備的修補(bǔ)砂漿7 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為38.9、7.23 MPa，28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為55.2、12.41 MPa，28 d粘結(jié)強(qiáng)度為2.20 MPa，浸水和凍融后的粘結(jié)強(qiáng)度分別為2.15、2.14 MPa。

（3）HCC滲透型修補(bǔ)砂漿可以廣泛應(yīng)用于混凝土和砂漿的高粘結(jié)的滲透修補(bǔ)，與有機(jī)修補(bǔ)材料相比，具有成本低、相容性好的特點(diǎn)。

［1］張秀芝，孫偉，戎志丹，等.活性礦物摻合料對(duì)超高性能水泥基材料的影響［J］.深圳大學(xué)學(xué)報(bào)：理工版，2008，25（4）：338-343.

［2］董思勤，劉家平，冉千平.兩性聚羧酸側(cè)鏈結(jié)構(gòu)對(duì)水泥漿體早期性能的影響［J］.新型建筑材料，2015（1）：25-29.

［3］Sidney Mindness，J Francis Young，David Darwin.混凝土［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［4］盧忠遠(yuǎn)，徐迅.納米SiO2對(duì)硅酸鹽水泥水化特性的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2006（5）：581-586.

［5］張明飛.聚合物改性硫鋁酸鹽水泥修補(bǔ)砂漿的研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

［6］JenningsHM，ThomasJJ，GevrenovJS，etal.Amultitechnique investigation of the nanoporosity of cement paste［J］. Cement and Concrete Research，2007，37（3）：329-336.

［7］華騰飛，吳芳，馬曉杰.組成材料對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)砂漿力學(xué)性能的影響分析［J］.硅酸鹽通報(bào)，2014，33（12）：3186-3191.

Study on preparation and performance of permeable HCC repairing mortar

CHAI Shiming（Nanjing Hulian New Building Materials Co.Ltd.，Nanjing 210041，Jiangsu，China）

This paper researched the influence of content of cementitious materials，high active substance，and trace chemical additives on the strength，adhesive strength and weather resistance of permeable HCC polymer mortar，and analyzed the repair mortar hydrate crystal growth process at different ages by SEM，finally obtained the optimal ratio.The results showed that the permeable HCC repairing mortar prepared with optimal ratio has good technical performance and application properties，which meets or exceeds type A requirements as specified in standard JG/T 336—2011"Polymer cement mortar for concrete structure repairing".

nano materials penetration，HCC，repair，early strength，adhesive strength

TU58

A

1001-702X（2015）12-0056-04

2015-06-28；

2015-08-11

柴石明，男，1984年生，吉林松原人，從事水泥建材的開發(fā)與應(yīng)用。