水泥基滲透結(jié)晶型防水材料的制備及性能研究

翟紅俠，谷周順，荊喆

(安徽建筑大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

混凝土抗?jié)B性問(wèn)題一直是混凝土材料領(lǐng)域研究重點(diǎn)。混凝土滲漏原因多是由于混凝土裂縫出現(xiàn)，形成滲透的通道引起的[1-3]。傳統(tǒng)防水材料的使用壽命短，防水持久性差，在工程應(yīng)用中修復(fù)成本高。水泥基滲透結(jié)晶型防水材料中的活性化學(xué)物質(zhì)能夠與水泥發(fā)生反應(yīng)，生成結(jié)晶體，滲透到孔隙內(nèi)，使其結(jié)構(gòu)更為密實(shí)。反應(yīng)的前提是在有水的情況下，且活性化學(xué)物質(zhì)更多是在反應(yīng)中起催化作用，這就實(shí)現(xiàn)了防水的自我修復(fù)和持久防水的性能。這種自修復(fù)性能剛好可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)防水材料的劣勢(shì)[4-6]。目前，我國(guó)對(duì)水泥基滲透結(jié)晶材料的研究比較多，大都停留在試驗(yàn)階段，缺少對(duì)其作用機(jī)理的研究。因此，課題組在自主研發(fā)出一種新型水泥基滲透結(jié)晶型防水材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行深入的機(jī)理分析，為其更廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)提供理論支持。

1 試驗(yàn)原材料及方法

1.1 原材料

(1)活性母料:自制，由為沉淀結(jié)晶提供SiO32-化合物、促進(jìn)水泥水化的物質(zhì)、鈣離子補(bǔ)償劑、晶體生長(zhǎng)劑以及膨脹組分等組成；

(3)砂:ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；

(4)水:滿足國(guó)標(biāo)的自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

為獲得防水效果更佳的防水材料，母料的研制是關(guān)鍵，本研究采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)初步配合比進(jìn)行優(yōu)化。其中，母料的初步配合比為:碳酸鎂鈣為13%，硅酸鈉為6%，硫酸鈉為64%，活性物B為7%，其它助劑為10%。根據(jù)抗?jié)B試驗(yàn)要求，以水泥:砂:水:纖維素醚=330:1300:260:0.5的質(zhì)量比，制備抗?jié)B試件，以六個(gè)為一組，每次成型三組，分別作為基準(zhǔn)砂漿組、帶涂層砂漿組和去除涂層砂漿組，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天；并根據(jù)GB18445-2012水泥基滲透結(jié)晶防水材料對(duì)防水母料的各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測(cè)，最后把帶涂層的水泥凈漿試件養(yǎng)護(hù)28天，選取距離涂層表面5 mm和20 mm深處的水泥凈漿試塊，放入80℃烘干箱中烘干后做SEM掃描電鏡分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，各因素水平見(jiàn)表1[7]。

通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表制備九組防水母料，并滿足一定的細(xì)度要求。在防水母料中摻入一定比例的水泥和砂，制成水泥基滲透結(jié)晶型防水材料。其中，防水母料總量占水泥基滲透結(jié)晶型防水材料質(zhì)量的8%。a1至a9組試驗(yàn)中，先根據(jù)每組涂刷量確定母料的總質(zhì)量，再根據(jù)各活性物質(zhì)占母料總量的百分比(換算后百分比)確定各活性物質(zhì)的含量。百分比換算原則為對(duì)每組母料配置中的四個(gè)活性物質(zhì)百分比進(jìn)行等倍數(shù)放大或者縮小，使其四者之和為100%，這樣既能保證每組母料總量保持不變，又能控制母料中各活性物質(zhì)比例與換算前一致。水泥基滲透結(jié)晶型防水材料的抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。其中空白組試件的28d抗?jié)B壓力值為0.3 MPa。

表1 試驗(yàn)因素水平表

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果有直觀分析法和方差分析法兩種處理方法。直觀分析法，又稱極差法，通俗易懂，使用廣泛，本文選用直觀分析法。由正交試驗(yàn)結(jié)果得出的直觀分析表見(jiàn)表3。

通過(guò)正交試驗(yàn)直觀分析表，得出對(duì)防水產(chǎn)生影響的因素從大到小為:碳酸鎂鈣、硅酸鈉、活性物B、硫酸鈉，并且與試件是否帶涂層無(wú)關(guān)。帶涂層試件的防水最優(yōu)方案為A2B1C1D2，去除涂層試件的防水最優(yōu)方案為A2B1C1D2或A2B1C2D2。由分析可知，A2B1C1D2為母料的最優(yōu)組合，其配合比為:碳酸鎂鈣為13%，硫酸鈉為42%，硅酸鈉為3%，活性物B為7%，其它助劑為10%。

2.2 防水材料性能檢測(cè)

依據(jù)《水泥基滲透結(jié)晶型防水材料》(GB18445-2012)對(duì)研制的水泥基滲透結(jié)晶型防水材料Z進(jìn)行各項(xiàng)性能分析，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

首先，棗樹(shù)開(kāi)甲后，若甲口愈合較晚，并內(nèi)有蟲(chóng)糞，可清理后噴一次48%毒死蜱400倍液，晾曬1 d，將報(bào)紙縛在甲口上，再用膠帶或塑料膜條封閉，一般7 d可愈合，愈合后17：00左右可把膜去掉，留下報(bào)紙；若未愈合期間，遇雨水淋濕報(bào)紙，可天晴后把甲口包裹物去掉，晾干甲口，次日可用報(bào)紙及膠帶封閉，促使其愈合。其次，甲口已愈合，樹(shù)勢(shì)較弱，甲口不需特殊處理。最后，甲口過(guò)早愈合，且樹(shù)勢(shì)偏旺，可在主枝進(jìn)行窄環(huán)剝（0.5 cm），或間隔7～10 d連割數(shù)次，防止幼果脫落［1］。

在防水材料上述性能滿足國(guó)家規(guī)范的基礎(chǔ)上，對(duì)其抗?jié)B性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。從市場(chǎng)銷售業(yè)績(jī)較好的進(jìn)口母料中選擇三種產(chǎn)品，分別簡(jiǎn)稱為S1、S2、S3，以及自主研發(fā)的防水母料Z，制備抗?jié)B試件，并進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)。砂漿抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，研制的和市售防水材料的抗?jié)B壓力均符合國(guó)標(biāo)要求，并且自制防水材料的抗?jié)B性能優(yōu)于市售產(chǎn)品。

表2 抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)直觀分析表

表4 防水材料性能檢測(cè)

表5 砂漿抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

3 齡期試驗(yàn)

考慮到不同齡期的砂漿水化程度不同，在涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的防水效果。本試驗(yàn)以質(zhì)量吸水率為指標(biāo)，對(duì)不同齡期涂刷防水母料的試件進(jìn)行了研究。

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

以m水:m灰:m砂=0.6:1:3比例稱量，制備基體試件，并按標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)，分成兩大組，在3d、7d、14d、28d齡期分別涂刷S1母料和Z母料，并測(cè)定規(guī)定齡期的質(zhì)量吸水率。把試件養(yǎng)護(hù)到56 d齡期后，放入80℃烘干箱中烘干。待烘干試件冷卻到室溫后，稱取烘干后質(zhì)量，用石蠟對(duì)吸水面垂直的四個(gè)側(cè)面進(jìn)行密封，然后將試件吸水面朝下橫向浸沒(méi)四分之一在水中，分別于 0.25、0.5、1、2、4、8、12、24、48、72、96、120 h 時(shí)測(cè)試件的吸水量。吸水率為不同時(shí)刻的吸水量與空白試塊120 h吸水量的百分比[8]。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

S1與Z試樣吸水率試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 Z試樣吸水率試驗(yàn)結(jié)果

圖2 S1試樣吸水率試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于不同齡期的基體試件，涂刷S1、Z試樣，其中3d齡期試件防水效果最好。這可能是因?yàn)榍捌诘乃喔艹浞峙c防水材料中的活性成分充分反應(yīng)，生成更多晶體，更加密實(shí)。并且無(wú)論試件處于哪個(gè)齡期，Z試件吸水率總是小于S1，這也說(shuō)明了研制的防水材料防水效果優(yōu)于市場(chǎng)銷售的。

4 防水機(jī)理探討

4.1 X射線衍射分析

將Z、S1試件分別涂刷在3d齡期的水泥凈漿試件表面，分別制成M基體、F基體，還有未涂刷的空白基體。養(yǎng)護(hù)28d后，相對(duì)于空白基體，M基體、F基體表面出現(xiàn)了白色晶體，如果把表面的白色晶體去除，將試件放于干燥的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間，則不會(huì)出現(xiàn)白色晶體，把試件重新放入水中養(yǎng)護(hù)(完全浸沒(méi)在水中)，過(guò)一段時(shí)間后，又會(huì)出現(xiàn)白色晶體生成，這表明母料中活性物質(zhì)需要在有水情況下才會(huì)滲透結(jié)晶。因?yàn)樵诟稍锖惋柡退?，碳化反?yīng)幾乎終止，可以排除試件碳化反應(yīng)產(chǎn)生的晶體可能。取下白色晶體，烘干后研磨成粉，進(jìn)行X射線衍射分析。分析結(jié)果見(jiàn)圖3。尖銳的衍射峰主要為碳酸鈣，結(jié)晶度很高，表明基體表面的白色晶體物質(zhì)為碳酸鈣。關(guān)于反應(yīng)生成的碳酸鈣白色晶體，推測(cè)是碳酸鎂鈣復(fù)鹽在激發(fā)劑作用下產(chǎn)生碳酸根離子、鈣離子和鎂離子，碳酸根離子與水泥中鈣離子反應(yīng)而變成碳酸根晶體；鎂離子與氫氧根離子也容易結(jié)合產(chǎn)生晶體，這些產(chǎn)物都會(huì)對(duì)水泥基孔結(jié)構(gòu)起到填充作用。

圖3 晶體生成物的XRD譜圖

4.2SEM分析

利用SEM觀察空白基體、Z試件(自制)、S1試件(市售)表面內(nèi)5 mm、20 mm處水化28 d的結(jié)構(gòu)。

考慮到掃描電鏡只能做表面處理，為了探究水泥基滲透結(jié)晶型防水材料的滲透深度影響，選定了5 mm深和20 mm深的不同模具，通過(guò)觀察涂刷防水材料的對(duì)面，分析防水材料的滲透深度影響。水泥砂漿中砂在其中起填充作用，并不參與實(shí)質(zhì)反應(yīng)，試驗(yàn)采用以水泥凈漿代替水泥砂漿成型試件，來(lái)提高掃描電鏡取樣的準(zhǔn)確性和代表性。觀察結(jié)果如圖4所示。

4.3 結(jié)果分析

圖(4a)、(4b)中，存在大量的裂縫和孔隙，無(wú)枝蔓狀晶體，大多是水化硅酸鈣凝膠和少量氫氧化鈣晶體，并且圖(4a)試樣更加致密。圖(4c)、(4d)比圖(4a)、(4b)存在更多的枝蔓狀晶體，更加密實(shí)，這要?dú)w因于防水材料中活性成分與水泥水化產(chǎn)物的相互反應(yīng)。圖(4e)比(4f)的晶體多，但都沒(méi)有(4c)、(4d)的密實(shí)。不過(guò)，也存在著大量的枝蔓狀結(jié)晶體。

自主研發(fā)的防水材料Z中的碳酸鎂鈣隨水滲入到混凝土內(nèi)部，與其中的鈣離子生成碳酸鈣晶體。氫氧化鈣、水化鋁酸鈣等水泥水化產(chǎn)物可與防水母料中的硫酸根離子反應(yīng)，形成不溶性的硫酸鈣和鈣礬石結(jié)晶體。并且，防水母料中的硅酸根離子可以滲透入基體，和鈣離子反應(yīng)生成硅酸鈣結(jié)晶體。活性物B起到催化作用，不參與真正反應(yīng)，當(dāng)滲透到基體內(nèi)部后，可與鈣離子結(jié)合成易溶于水的絡(luò)合物，如此循環(huán)下去，活性物B為永久防水提供了條件。因此，研制的水泥基滲透結(jié)晶型防水材料具有優(yōu)良的防水性能[9]。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)正交試驗(yàn)得出活性物質(zhì)的防水效果影響因素大小為:碳酸鎂鈣＞硅酸鈉＞活性物B＞硫酸鈉，并且自配防水材料的最優(yōu)配合比為:碳酸鎂鈣為13%，硫酸鈉為42%，硅酸鈉為3%，活性物B為7%，其它助劑為10%；自配防水材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范，尤其砂漿試件(帶涂層)28d抗?jié)B壓力比為400%，去除涂層的抗?jié)B壓力比為333%，均大于國(guó)標(biāo)中抗?jié)B壓力比250%(帶涂層)和 175%(去除涂層)。

(2)3d齡期的砂漿試樣涂刷水泥基滲透結(jié)晶防水材料時(shí)的抗?jié)B效果最好；距離防水材料涂層5 mm比20 mm處枝蔓狀晶體多，

結(jié)構(gòu)更密實(shí)。同時(shí)，5 mm和20 mm處相應(yīng)滲透深度的砂漿致密程度自主研發(fā)防水材料最好。

(3)防水材料在滲透進(jìn)砂漿試件時(shí)，其母料中的碳酸根離子、硫酸根離子、硅酸根離子等與水泥水化產(chǎn)物中的鈣離子反應(yīng)，生成結(jié)晶體和不溶物，堵塞砂漿試件的孔隙，使試件更為密實(shí)，達(dá)到更好的防水效果。