水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料的制備與性能研究

光鑒淼，吳其勝，鄒小童（.河海大學(xué)，江蘇南京　0098；.鹽城工學(xué)院，江蘇鹽城　405；.安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽淮南　00）

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水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料的制備與性能研究

光鑒淼1，吳其勝2，鄒小童3
（1.河海大學(xué)，江蘇南京210098；2.鹽城工學(xué)院，江蘇鹽城224051；3.安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽淮南232001）

摘要：以硅酸鹽水泥和?；郀t礦渣為主要原料，輔以硅灰、有機硅助劑和無機硅為硅源，以可再分散性乳膠粉改善粘結(jié)性，制備復(fù)合型水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料，對防水涂料進行XRD、SEM、FT-IR和EDS等微觀分析。結(jié)果表明，去涂層砂漿的28 d抗?jié)B壓力為1.0 MPa，28 d抗壓強度為53.8 MPa，帶涂層砂漿的28 d抗?jié)B壓力比為350%。該涂料具有較好的滲透結(jié)晶作用，形成斜方鈣沸石、鈣礬石和水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）等水化產(chǎn)物。

關(guān)鍵詞：滲透結(jié)晶；防水涂料；抗?jié)B壓力；滲透深度

0 引言

水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料是一種用于水泥混凝土的剛性防水材料，其與水作用后，材料中含有的活性化學(xué)物質(zhì)以水為載體在混凝土中滲透，與水泥水化產(chǎn)物生成不溶于水的針狀結(jié)晶體，堵塞毛細孔道和微細裂縫，從而提高混凝土的致密性與防水性。1942年由德國化學(xué)家Lauritz Jensen（勞倫斯·杰遜）在解決水泥船滲漏水的實踐中發(fā)明［1］。與其它有機或無機防水材料相比，防水涂料滲透結(jié)晶后形成的水化產(chǎn)物層能夠與基層混凝土或水泥砂漿成為一體，彌補了涂層覆蓋型無機防水材料對變形縫、應(yīng)力縫、收縮縫等因再次開裂而引起的裂縫防水缺陷，具有二次抗?jié)B性及與水泥混凝土良好的相容性［2］。水泥石結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在大量的Ca（OH）2和游離Ca2+，摻有活性化學(xué)物質(zhì)的水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料中具有良好的滲透作用，隨著水滲透進入水泥石內(nèi)部，與其中的Ca（OH）2和游離Ca2+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的針狀結(jié)晶體，增加混凝土和水泥砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實性，減小結(jié)構(gòu)中的孔隙率，以達到防水的效果。

目前國內(nèi)對這種材料的研究主要是集中在材料的應(yīng)用方面，對于涂料本身性能研究不具體，尤其是抗裂性能以及與基體的粘結(jié)性能方面［3］。水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料應(yīng)用時最大的問題是與混凝土基體的相容性，可以與基體形成一致結(jié)構(gòu)，不易開裂剝落。為此，本文研究一種粘結(jié)性高、力學(xué)性能優(yōu)異的復(fù)合型水泥基滲透結(jié)晶型防水材料，主要應(yīng)用于材料的背水面防水，使混凝土結(jié)構(gòu)致密，達到整體防水的效果，這些性能的研究可解決居民生活和工程施工方面的滲漏問題［4-6］。還進一步研究了該種材料的微觀結(jié)構(gòu)和其中的活性物質(zhì)在內(nèi)部發(fā)揮的作用和對整體結(jié)構(gòu)改善的機理。

1 實驗

1.1 原材料

所用水泥為江蘇八菱海螺水泥有限公司提供的P·O42.5水泥，?；郀t礦渣（GGBFS）經(jīng)研磨過200目篩，水泥和?；郀t礦渣（GGBFS）的主要化學(xué)組成見表1。采用硅灰調(diào)節(jié)原料的硅鈣比?？稍俜稚⑿匀槟z粉：DS-05型，乙烯、醋酸乙烯共聚物，白色粉末，固含量≥98%，鼎盛化工生產(chǎn)。有機硅助劑：甲基硅酸鈉（SMS），固含量≥25%，無色或淡黃色液體，分析純，濟南興飛隆化工生產(chǎn)。無機硅外加劑：水玻璃，固含量41.17%，含有20.25%Na2O、20.92%SiO2和58.83%的水，模數(shù)為2.0。實驗中使用的砂為ISO標準砂。

表1 水泥、?；郀t礦渣的主要化學(xué)組成　%

1.2 實驗方法與儀器設(shè)備

實驗按照GB18445—2012《水泥基滲透結(jié)晶型防水材料》進行，以L9（34）正交試驗表配比（見表2）按照配比制作40 mm×40 mm×160 mm試件進行抗折、抗壓試驗；制作標準砂漿基體試件，1 d后脫模，按照設(shè)計配比制備防水涂料涂覆至表層，2次涂刷后，移至標準養(yǎng)護箱養(yǎng)護至28 d后測試一次抗?jié)B壓力，采用8字模測量防水涂料的拉伸粘結(jié)強度。實驗優(yōu)選物理性能較優(yōu)組試樣，并采用XRD、SEM、FT-IR及EDS對其進行分析和性能表征，進一步研究水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料滲透結(jié)晶的作用機理［7-8］。

表2 正交實驗因素水平

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀物理性能

根據(jù)正交試驗表的方案，以抗壓強度和一次抗?jié)B壓力為實驗結(jié)果的考核指標來確定涂料的配方。正交實驗結(jié)果與分析見表3。

表3 實驗結(jié)果及分析

由表3可知，影響28 d抗壓強度的因素主次順序為B＞D＞C＞A，即?；郀t礦渣摻量的影響最大，其后依次為水玻璃摻量、有機硅摻量和硅灰摻量；影響一次抗?jié)B壓力的因素主次順序為B＞A＞C＞D，即?；郀t礦渣摻量的影響最大，其后依次為硅灰摻量、有機硅摻量和水玻璃摻量。?；郀t礦渣摻量對抗壓強度和抗?jié)B壓力的影響都是最大的，而且當(dāng)摻量為25%時兩方面的性能都是最優(yōu)的。硅灰摻量對抗?jié)B性能的影響較重要，但對于抗壓強度影響并不是很大，而水玻璃摻量對抗壓強度的影響較大，綜合2項指標優(yōu)選出第2組為最優(yōu)組，即?；郀t礦渣摻量為25%，硅灰摻量為2%，有機硅摻量為4%，水玻璃摻量為3%。

按照最優(yōu)組配比制備涂層，按GB 18445—2012進行相關(guān)性能測試，結(jié)果見表4。

涂料層的抗折、抗壓強度高低可以判斷涂料層承受外力的大小，實驗結(jié)果顯示，涂料層足夠承受較大的外力；基體能否與涂料之間形成整體防水，是從粘結(jié)強度來判斷，從試驗結(jié)果可知：粘接強度較高，涂料能夠與基體很好地粘結(jié)在一起形成整體防水，涂料與基體之間具有良好的粘結(jié)性，說明可再分散乳膠粉在涂料層與基體層的粘結(jié)方面發(fā)揮了一定作用。通過對比帶涂層與去涂層砂漿的抗?jié)B壓力可知，涂層能夠抵抗一定的水壓。去涂層的抗?jié)B壓力是直接衡量滲透結(jié)晶活性高低的指標［9-11］，同時反映水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料對混凝土自動修復(fù)性能的優(yōu)劣，由表4可以清楚地反映該涂料具有良好的滲透結(jié)晶性能。按照該配比進行實驗獲得的宏觀物理性能達到并遠優(yōu)于GB18445—2012標準要求，說明該涂料具有良好的力學(xué)性能，具有可施工性，在抗?jié)B堵漏方面可以發(fā)揮良好的作用。

表4 宏觀物理性能與GB 18445—2012要求

2.2 XRD物相分析

通過XRD對28 d的試樣水化產(chǎn)物的物相進行分析。圖1分別為涂層、中間過渡層、基體層的XRD圖譜。

圖1 XRD圖譜分析

由圖1可見，主要的水化產(chǎn)物為斜方鈣沸石、鈣礬石和水化硅酸鈣凝膠（C-S-H），涂層在衍射角2θ在25°～35°范圍出現(xiàn)了C-S-H彌散峰，說明有未定型的膠凝材料生成；對比發(fā)現(xiàn)，中間過渡層水化產(chǎn)物的衍射峰最強，說明水化產(chǎn)物的結(jié)晶度最高，數(shù)量也最多，說明此界面上的水化效果最佳，原料之間的反應(yīng)最完全，涂層與基體層之間完成了較好的過渡，涂料層的活性物質(zhì)完成了一定量的滲透［12-13］。

2.3 傅立葉紅外光譜分析

圖2（a）為有機硅原料的紅外分析圖譜，在1647 cm-1處出現(xiàn)的伸縮峰是結(jié)合水的吸收峰；3379 cm-1處為Si—OH基團的伸縮動特征峰；架狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽中主要存在的Si—O—Si（或Si—O—Al），在950～1200 cm-1范圍內(nèi)有Si—O—Si的非對稱性振動，983 cm-1即屬于此范圍內(nèi)，為Si—O—Si的非對稱性振動峰；圖2（b）為28 d涂層的紅外分析，1419 cm-1處為羧酸中的O—H彎曲振動峰；958 cm-1處為Si—O—Si的非對稱性振動。與有機硅特征峰對比可知，3379 cm-1處Si—OH基團的伸縮動特征峰消失了，說明其中的硅元素已經(jīng)與水泥中的元素反應(yīng)，形成硅氧四面體結(jié)構(gòu)。涂層的Si—O—Si鍵與有機硅的Si—O—Si鍵的位置發(fā)生了偏移下降至958 cm-1，證實了涂層中的有機硅發(fā)生了反應(yīng)。

圖2 有機硅原料和涂層的FT-IR圖譜

2.4 掃描電鏡照片及X射線能譜分析（見圖3、圖4）

圖3 涂層、過渡層和基體層的掃描電鏡照片

圖4 涂料層、過渡層和基體層的X射線能譜分析

由圖3掃描電鏡照片分析［14］可得：涂層主要水化產(chǎn)物的形狀為不規(guī)則的板狀，成簇生成或呈花朵狀，為鈣礬石和Ⅰ型C-S-H凝膠，中間過渡層其水化產(chǎn)物的形狀主要為針棒狀，為Ⅱ型C-S-H凝膠和鈣礬石；基體層水化產(chǎn)物的形狀為水泥顆粒向外輻射生長的細長條狀物質(zhì)和片狀物質(zhì)，為Ⅰ型C-S-H凝膠和Ca（OH）2。

由圖4分析可知，能譜圖顯示出各層次的主要元素為Ca、Si、O、Al，涂層中Si元素的含量為6.47%，中間過渡層Si元素的含量為7.49%，基體層Si元素的含量只有1.15%。對比分析得出的結(jié)論為：水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料在不同的層次上生成不同的水化產(chǎn)物，主要在中間過渡層出現(xiàn)較好的水化效果，說明涂層的活性化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生了滲透結(jié)晶作用，滲透到基體試件內(nèi)部與其中的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，生成新的膠凝產(chǎn)物。

3 結(jié)論

（1）按照最佳配比制備的復(fù)合型水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料具有良好的力學(xué)性能和高粘結(jié)性以及優(yōu)異的抗?jié)B堵漏作用。

（2）傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜（FT-IR）分析表明，涂層中有機硅原料的加入提供了活性硅源，并與其它原料反應(yīng)生成了Si—O—Si鍵，形成了硅氧四面體結(jié)構(gòu)。

（3）通過采用XRD、掃描電鏡、X射線能譜分析等微觀機理分析，對宏觀性能的優(yōu)異性進行了較好的佐證。涂層的主要水化產(chǎn)物為斜方鈣沸石、鈣礬石和水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）。綜合掃描電鏡與能譜分析定性地說明出了涂料的滲透作用，具體的滲透深度有待進一步研究。

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The preparation and performance study of the cementitious capillary crystalline waterproofing coating

GUANG Jianmiao1，WU Qisheng2，ZOU Xiaotong3
（1.Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224051，China；3.School of Material Science and Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

Abstract：With Portland cement and granulated blast furnace slag（GBFS）as main ingredients，prepared the composite cementitious capillary crystalline waterproofing coating，supplemented by silica fume，organic silicon fertilizer and inorganic silicon as the silicon source，redispersible emulsion powder，which can improve the cohesiveness. Microscopic mechanism was analyzed by X-ray diffraction（XRD），scanning electron microscopy（SEM），fourier transform infrared spectrometer（FT-IR）and X ray energy spectrum analysis（EDS）. The experimental results show that the 28 d mortar permeability with coat is 3.5 times as high as that of the reference mortar，28 d permneabilty after removal of sample coat is 1.0 MPa，28 d compressive strength is 53.8 MPa. This coating has better permeable crystallization effect，forming hydrated products such as gismondine，ettringite（AFt）and hydrated calcium silicate gel（C-S-H）and so on.

Key words：capillary crystalline，waterproofing coating，permeability，penetration depth

中圖分類號：TU56+1.65

文獻標識碼：A

文章編號：1001-702X（2016）03-0058-04

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（55572234）

收稿日期：2015-09-21；

修訂日期：2015-11-25

作者簡介：光鑒淼，男，1989年生，江蘇南京人，碩士，主要從事無機非金屬材料研究。