響應(yīng)面法優(yōu)化速凝型無機(jī)防水堵漏材料的配方研究

韓明虎 胡浩斌 張琪 武蕓 張臘臘 李永銳

（1 隴東學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，甘肅 慶陽 745000；2 慶陽西慶涂料有限公司，甘肅 慶陽 745000）

防水堵漏材料是具有防潮、抗?jié)B和堵漏功能的專用材料，在市政建設(shè)、國防軍工、橋梁隧道、農(nóng)業(yè)水利和交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)領(lǐng)域中需求日益廣泛，其投入、研發(fā)和應(yīng)用逐年增長，主要包括剛性堵漏、合成高分子、高聚物改性和溶劑改性型等多個(gè)品種[1-2]。其中，以優(yōu)質(zhì)特種水泥和砂石為原料生產(chǎn)的無機(jī)防水堵漏材料，因具有良好的耐水、耐高溫、耐腐蝕、抗?jié)B、抗裂及粘結(jié)等特性，成為一種施工簡單、維修方便、穩(wěn)定堅(jiān)固且綠色環(huán)保的新型剛性材料，普遍應(yīng)用于各種磚混建筑、公路和地下工程的堵漏修繕，受到了社會眾多行業(yè)的廣泛青睞[3-4]。

無機(jī)防水堵漏材料一般分速凝型和緩凝型兩種，速凝型是以硫鋁酸鹽水泥為基料，硅酸鹽水泥為填料，通過添加輔助材料調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度，達(dá)到快速防水堵漏的功能材料[5-6]。硫鋁酸鹽水泥具有快硬早強(qiáng)、抗?jié)B抗凍、結(jié)構(gòu)致密和耐蝕低堿等優(yōu)點(diǎn)，水化產(chǎn)物的填充和密實(shí)作用明顯，但后期強(qiáng)度增長緩慢，容易出現(xiàn)倒縮現(xiàn)象。硅酸鹽水泥強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定、水化熱大、性能好且成本低，在各類材料中被廣泛使用，但存在凝結(jié)時(shí)間過長、早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢和結(jié)石率低等缺點(diǎn)，難以滿足快速防水堵漏的應(yīng)用要求[7-8]。有人嘗試簡單復(fù)配兩種水泥獲得綜合性能優(yōu)越的無機(jī)防水堵漏材料，但發(fā)現(xiàn)混合材料的粘接強(qiáng)度降低，抗?jié)B性能較差[9-10]。同時(shí)，當(dāng)前市場上的速凝型防水堵漏產(chǎn)品存在凝結(jié)時(shí)間不穩(wěn)定、粘接強(qiáng)度低、耐久性差、施工復(fù)雜和適用范圍窄等問題，而且快速防水堵漏功能均不理想，相關(guān)研究的文獻(xiàn)報(bào)道較少[11]。

因此，本研究以快硬硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的混合體為基材，添加白砂作骨架，碳酸鋰作促凝劑，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面法優(yōu)化配方，制備一種性能穩(wěn)定、成本低且無毒害的速凝型無機(jī)防水堵漏材料，使其凝結(jié)硬化快、粘接強(qiáng)度高且抗?jié)B性能好，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

快硬硫鋁酸鹽水泥（R·SAC42.5）；普通硅酸鹽水泥（P·O42.5R）；白砂（80～120目）；碳酸鋰；生石灰；聚羧酸類減水劑（瑞士西卡產(chǎn)）；干粉型消泡劑（德固賽產(chǎn)）；石膏粉。以上原料均由慶陽西慶涂料有限公司提供，工業(yè)級。

電子天平（YP20002型），上海衡際科學(xué)儀器有限公司；電動(dòng)漆膜附著力試驗(yàn)儀（QFD型），上海精勝科學(xué)儀器有限公司；分散砂磨機(jī)（SF智能型），上海貝微電機(jī)有限公司；砂漿凝結(jié)時(shí)間測定儀（ZKS-100型），滄州華韻實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.2 材料的制備

向料罐中加入一定量的R·SAC42.5和P·O42.5R，混合分散均勻后，依次加入適量的白砂、碳酸鋰、生石灰、石膏、減水劑和消泡劑，高速攪拌均勻，包裝備用。

1.3 配方的優(yōu)化

1.3.1 單因素試驗(yàn)

保持生石灰1 g，石膏1 g，減水劑0.1 g，消泡劑0.15 g的用量不變，采用單因素試驗(yàn)分別考察R·SAC42.5、P·O42.5R、白砂和碳酸鋰的用量對材料的凝結(jié)時(shí)間的影響。

1.3.2 響應(yīng)面法

速凝型無機(jī)防水堵漏材料在工程應(yīng)用中一般首先考慮凝結(jié)時(shí)間（初凝和終凝時(shí)間），凝結(jié)時(shí)間過短，將導(dǎo)致施工時(shí)間不夠；凝結(jié)時(shí)間過長，材料的早起抗壓和抗折強(qiáng)度下降，無法滿足快速防水堵漏的功能。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間變化趨勢一致。因此，以初凝時(shí)間為評價(jià)指標(biāo)，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行響應(yīng)面分析優(yōu)化4種主要組分用量，確定材料的最優(yōu)配方。

差額計(jì)稅會計(jì)相關(guān)規(guī)定根據(jù)財(cái)會［2016］22號文，企業(yè)應(yīng)增設(shè)應(yīng)交稅費(fèi)——應(yīng)交增值稅（銷項(xiàng)稅額抵減）、應(yīng)交稅費(fèi)——簡易計(jì)稅、應(yīng)交稅費(fèi)——轉(zhuǎn)讓金融商品應(yīng)交增值稅三個(gè)相關(guān)明細(xì)科目，對增值稅差額計(jì)稅業(yè)務(wù)進(jìn)行核算。具體會計(jì)處理為：

1.4 性能的測定

取適量制備的材料，按總質(zhì)量的30%加入水，快速充分?jǐn)嚢柚辆鶆?，按照《無機(jī)防水堵漏材料》（GB 23440-2009）對各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)分析

2.1.1 R·SAC42.5 用量對材料凝結(jié)時(shí)間的影響

保持P·O42.5R為40 g、白砂為35 g和碳酸鋰為0.1 g，其它組分用量不變，考察R·SAC42.5用量為150 g、160 g、170 g、180 g、190 g和200 g時(shí)材料的初凝與終凝時(shí)間，結(jié)果見圖1。

圖1 R·SAC42.5用量對凝結(jié)時(shí)間的影響

由圖1可見，隨著R·SAC42.5用量的增加，材料的初凝和終凝時(shí)間均變短，當(dāng)R·SAC42.5用量為180 g時(shí)，材料的初凝時(shí)間為2 min，終凝時(shí)間為6 min，凝結(jié)時(shí)間達(dá)到最小值。繼續(xù)增加R·SAC42.5用量，凝結(jié)時(shí)間無變化，表明R·SAC42.5的早強(qiáng)、速凝和膨脹作用已達(dá)到最佳，過多的R·SAC42.5將會減弱材料后期強(qiáng)度，增加產(chǎn)品成本。因此，選擇R·SAC42.5的最佳用量為180 g。

2.1.2 P·O42.5R 用 量對材料凝結(jié)時(shí)間的影響

保持R·SAC42.5為180 g、白砂為35 g和碳酸鋰為0.1 g，其它組分用量不變，考察P·O42.5R用量為20 g、30 g、40 g、50 g、60 g和70 g時(shí)材料的初凝與終凝時(shí)間，結(jié)果見圖2。

由圖2可見，隨著P·O42.5R用量的增加，材料的初凝與終凝時(shí)間均先減小后增大，當(dāng)P·O42.5R用量為40 g時(shí)，材料的凝結(jié)時(shí)間最短。由于P·O42.5R作為水硬性膠凝填料，當(dāng)添加量較少時(shí)，產(chǎn)品膠凝作用下降，水泥膠凝體形成速率降低，凝結(jié)時(shí)間變長；用量過多時(shí)將導(dǎo)致R·SAC42.5質(zhì)量占比下降，早強(qiáng)速凝作用減弱。因此，選擇P·O42.5R最佳用量為40 g。

圖2 P·O42.5R用量對凝結(jié)時(shí)間的影響

保持R·SAC42.5為180 g、P·O42.5R為40 g和碳酸鋰為0.1 g，其它組分用量不變，考察白砂用量為20 g、25 g、30 g、35 g和40 g時(shí)，材料的初凝與終凝時(shí)間，結(jié)果見圖3。

圖3 白砂用量對凝結(jié)時(shí)間的影響

由圖3可見，隨著白砂用量的增加，材料的初凝與終凝時(shí)間均先減小后增大，白砂為35 g時(shí)，材料凝結(jié)時(shí)間達(dá)到最短。白砂是具有增稠作用的填料，作為材料的填充和骨架，當(dāng)用量較少時(shí)，水泥膠凝體凝聚網(wǎng)絡(luò)形成過慢，材料強(qiáng)度較低，凝結(jié)時(shí)間較長；用量過多時(shí)，將導(dǎo)致材料在施工過程中出現(xiàn)黏度過高和強(qiáng)度下降的現(xiàn)象，而且凝結(jié)時(shí)間變長。因此，選擇白砂的最佳用量為35 g。

2.1.4 碳酸鋰用量對材料凝結(jié)時(shí)間的影響

保持R·SAC42.5為180 g、P·O42.5R為40 g和白砂為35 g，其它組分用量不變，考察碳酸鋰用量為0.05 g、0.1g、0.15 g、0.2 g和0.25 g時(shí)，材料的初凝與終凝時(shí)間，結(jié)果見圖4。

圖4 碳酸鋰用量對凝結(jié)時(shí)間的影響

表1 因素水平

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果

由圖4可見，隨著碳酸鋰用量的增加，材料的凝結(jié)時(shí)間先減小后增大，碳酸鋰為0.1g時(shí)，材料凝結(jié)時(shí)間最短。碳酸鋰作為一種外加水泥促凝劑，當(dāng)用量較少時(shí)，硫鋁酸鹽水泥水化速率低，水化產(chǎn)物鈣礬石較少，對凝結(jié)的促進(jìn)作用有限；用量過多時(shí)，鈣礬石生成過快導(dǎo)致晶體粗大，在漿體中分布不均勻，形成多個(gè)薄弱點(diǎn)，導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，初凝和終凝時(shí)間增加。因此，選擇碳酸鋰的最佳用量為0.1g。

2.2 響應(yīng)面法分析

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，保持生石灰、石膏、減水劑和消泡劑等組分的用量不變，以R·SAC42.5用量（X1）、P·O42.5R用量（X2）、白砂用量（X3）和碳酸鋰用量（X4）為影響因素，初凝時(shí)間（Y）為評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行響應(yīng)面分析。因素水平見表1，設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。

通過Design Expert 8.0.6軟件對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到回歸方程為Y＝2.03－0.05X1＋0.05X2－0.067X3－0.13X4＋ 0.17X1X2－ 0.025X1X3＋ 0.1X1X4－0.075X2X3－0.1X2X4＋0.25X3X4＋0.29 X2 1＋0.39 X2 2＋0.16 X2 3＋0.29 X2 4。再進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

表3 方差分析

由表3可見，X3、X4、X1X2、X1X4、X2X4、X3X4、X2 1、X2 2、X2 3、X2 4均呈極顯著影響（P＜0.01），X1、X2、X2X3呈顯著影響（P＜0.05），模型有極顯著差異（P＜0.001），回歸系數(shù) R2為0.9746，校正系數(shù) R2 adj為0.9449，表明模型相關(guān)度良好且擬合度理想，誤差??；失擬項(xiàng)P＞0.05，表明模型預(yù)測值與實(shí)際值契合較好，可以用該模型進(jìn)行分析和預(yù)測。

各因素交互作用的響應(yīng)面圖見圖5，可得材料中4種主要組分的最佳用量：R·SAC42.5為180.73 g，P·O42.5R為39.59 g，白砂為35.28 g，碳酸鋰為0.11 g，材料初凝時(shí)間為2.02 min。

圖5 響應(yīng)面圖

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

考慮實(shí)際操作的局限性，配方各組分的最佳用量修正為：R·SAC42.5為180 g，P·O42.5R為40 g，白砂為35 g，碳酸鋰為0.1 g，生石灰1 g，石膏1 g，減水劑0.1 g，消泡劑0.15 g。進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，按總質(zhì)量比2：1、4：1和8：1進(jìn)行放大試驗(yàn)，材料的初凝時(shí)間（取平均值）分別為2.03 min、2.01 min和2.05 min，與理論值（2.02 min）接近，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.02%，檢測材料性能指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，表明該方法準(zhǔn)確可靠。

2.4 材料的性能

制備的速凝型無機(jī)防水堵漏材料外觀效果見圖6。按1.4項(xiàng)對各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測，結(jié)果如表4所示。

圖6 材料外觀圖

表4 材料性能

由圖6可見，材料為灰色固體粉末，外觀狀態(tài)良好。由表3可見，材料的各項(xiàng)性能完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 23440-2009），凝結(jié)時(shí)間短，速率快，涂層平整光滑，質(zhì)地堅(jiān)硬，附著力強(qiáng)，而且穩(wěn)定性、抗?jié)B性、耐熱性和耐凍性均達(dá)到生產(chǎn)和應(yīng)用要求。市場上的無機(jī)防水堵漏材料初凝時(shí)間普遍在3.5～4.5 min，終凝時(shí)間在7.5～8.5 min，本產(chǎn)品在初凝時(shí)間為2 min，終凝時(shí)間為6 min，3 h的抗壓強(qiáng)度達(dá)15.5 MPa，3 h的抗折強(qiáng)度達(dá)4.3 MPa，遠(yuǎn)優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)和市場同類產(chǎn)品。

2.5 經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)

本產(chǎn)品已由慶陽西慶涂料有限公司注冊商標(biāo)，于2016年12月開始生產(chǎn)、包裝和銷售。原料、水電、企業(yè)管理和工人工資等實(shí)際成本費(fèi)用為26.75元，銷售單價(jià)45元/箱（4袋/箱），截止2018年1月銷售額為35.8萬元，凈利潤約為14.5萬元，在高速公路的修補(bǔ)和建筑防水堵漏上取得良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語

1）其它組分用量不變，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法優(yōu)化材料配方，經(jīng)回歸分析確定材料的最優(yōu)配方：快硬硫鋁酸鹽水泥180g，普通硅酸鹽水泥 40g，白砂35g，碳酸鋰0.1g，測得材料初凝時(shí)間為2min，終凝時(shí)間為6 min，抗壓強(qiáng)度為15.5MPa（3h），抗折強(qiáng)度為4.3 MPa（3h）。

2）配方具有原料豐富、成本低廉、操作簡單、施工方便和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，制備的材料凝結(jié)時(shí)間短、速率快、強(qiáng)度穩(wěn)定和防水抗?jié)B性能良好，其性能完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，有較好的市場應(yīng)用前景。

3）產(chǎn)品在高速公路、建筑、地下防水工程的修葺中效果顯著，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益，還可用于人防工程、涵洞、地鐵和電纜溝的防水、抗?jié)B及搶修。