高聚物改性混凝土養(yǎng)生劑配方設(shè)計(jì)與優(yōu)化

李 保

（山西交通控股集團(tuán)有限公司 大同北高速公路分公司，山西 大同 037000）

0 引言

水泥混凝土是當(dāng)今工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣、用量最大的建筑材料，具有承載力強(qiáng)、耐久性好、材料來(lái)源豐富等諸多優(yōu)點(diǎn)。其性能不僅與原材料、配合比相關(guān)，更與后期良好的養(yǎng)生措施密不可分[1-6]。

傳統(tǒng)的養(yǎng)生方式主要包括：覆蓋草簾濕布等吸水材料灑水養(yǎng)生、間歇灑水養(yǎng)生，存在耗水量大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、養(yǎng)生不徹底等問(wèn)題[7]。

采用養(yǎng)生劑養(yǎng)生相對(duì)傳統(tǒng)養(yǎng)生方式是一種新型高效的混凝土養(yǎng)生方式，發(fā)展時(shí)間較短但發(fā)展迅速。養(yǎng)生劑是一種噴涂或涂刷于混凝土表面，能在混凝土表面形成一層連續(xù)不透水的密閉養(yǎng)生薄膜的乳液或高分子溶液。養(yǎng)生劑薄膜使混凝土表面與空氣隔絕，降低水分蒸發(fā)，從而使混凝土利用自身水分最大限度地完成水化作用，以保證混凝土達(dá)到養(yǎng)生效果。具有以下優(yōu)點(diǎn)：節(jié)約水資源，適用于缺水地區(qū)；適用于混凝土構(gòu)筑物的立面或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部位；適用于不允許用水養(yǎng)生的地區(qū)：飛機(jī)場(chǎng)、跑道；節(jié)省蓋草蓋、澆水的物力和人力，降低成本；延長(zhǎng)養(yǎng)生時(shí)間、提高混凝土后期強(qiáng)度及勻質(zhì)性；可以避免干縮裂紋[8-10]。

目前在水泥混凝土施工過(guò)程中，養(yǎng)生劑并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用，其原因主要是養(yǎng)生劑產(chǎn)品性能較差。本文借助高聚物對(duì)養(yǎng)生劑進(jìn)行改性，提高養(yǎng)生劑薄膜的韌性和與基底的黏接性能，改善養(yǎng)生劑薄膜的保水性能和與基底的黏附性能，防止薄膜開(kāi)裂及剝落[11-13]。

目前市面銷售的養(yǎng)生劑主要為改性石蠟基，具有成膜密實(shí)，保水性好的特點(diǎn)，但薄膜較脆，易破損，且黏附性較差，易與混凝土基材脫落，針對(duì)存在的問(wèn)題，借助高聚物對(duì)養(yǎng)生劑進(jìn)行改性，提高養(yǎng)生劑薄膜的韌性和與基底的黏接性能，從而使改性養(yǎng)生劑具備較好的養(yǎng)生效果。

1 試驗(yàn)材料及方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料及養(yǎng)生劑制備

1.1.1 原材料

水性氧化聚乙烯蠟乳液、硅丙乳液為工業(yè)級(jí)，消泡劑、氟碳表面活性劑、增塑劑、成膜助劑為分析純，去離子水。

1.1.2 養(yǎng)生劑的制備

先將水性氧化聚乙烯蠟乳液置于裝有定量水的攪拌桶內(nèi)使用攪拌機(jī)進(jìn)行恒速攪拌，然后將消泡劑、氟碳表面活性劑、增塑劑、成膜助劑依次加入，攪拌機(jī)保持恒速攪拌，最后將硅丙乳液加入繼續(xù)攪拌5～8 min。

1.2 養(yǎng)生劑配方及性能評(píng)價(jià)

1.2.1 正交表選取及水平設(shè)置

根據(jù)文獻(xiàn)資料，初步制定養(yǎng)生劑的配方見(jiàn)表1。

表1 養(yǎng)生劑配方表 %

從正交表中選擇L25（56），即6個(gè)因素，5個(gè)水平的表格，具體見(jiàn)表2。

表2 養(yǎng)生劑配方優(yōu)化試驗(yàn)因素水平L25（56）

1.2.2 養(yǎng)生劑性能評(píng)價(jià)方法

根據(jù)正交試驗(yàn)確定最佳配方，主要評(píng)價(jià)方法有3項(xiàng)：有效保水率、抗壓強(qiáng)度比和黏附性能，其中有效保水率和抗壓強(qiáng)度比參考JT/T 522—2004《公路工程混凝土養(yǎng)護(hù)劑》規(guī)定的測(cè)試方法，黏附性能參考GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗(yàn)》中規(guī)定的方法。試驗(yàn)中混凝土配合比：水泥用量400 kg/m3，水灰比0.4，砂率36%，養(yǎng)生劑噴涂量0.3 kg/m2。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析及養(yǎng)生劑性能測(cè)試

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)養(yǎng)生劑原理可知，有效保水率是養(yǎng)生劑成膜密封性優(yōu)劣的重要指標(biāo)，可通過(guò)抗壓強(qiáng)度比進(jìn)行評(píng)價(jià)，而JTT 522—2004《公路工程混凝土養(yǎng)護(hù)劑》中對(duì)養(yǎng)生劑的黏附性能及測(cè)試方法未做規(guī)定說(shuō)明，因此養(yǎng)生劑的黏附性能測(cè)試采用GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)》方法作為評(píng)價(jià)養(yǎng)生劑薄膜與基材的黏附性能評(píng)價(jià)方法。試驗(yàn)采用以上3項(xiàng)指標(biāo)對(duì)養(yǎng)生劑性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而優(yōu)選出最佳配方，表3為正交試驗(yàn)分析結(jié)果和對(duì)3項(xiàng)指標(biāo)所進(jìn)行的計(jì)算和分析。

表3 養(yǎng)生劑配方優(yōu)化結(jié)果分析

采用直觀分析法，計(jì)算六因素各自的1、2、3、4、5水平之和S，通過(guò)單一因素的水平之和與S進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證各因素水平計(jì)算的正確性，通過(guò)各因素極差R對(duì)各因素的重要性進(jìn)行排序，極差愈大，說(shuō)明單一因素條件下各水平對(duì)養(yǎng)生劑整體性能的影響愈重要。由計(jì)算結(jié)果可知，有效保水率各因素的重要性排序?yàn)镈＞C＞B＞A＞F＞E，較優(yōu)配方為A3B5C5D5E2F4；抗壓強(qiáng)度比各因素的重要性排序?yàn)锳＞D＞F＞B＞E＞C，較優(yōu)配方為A2B2C3D1E2F1；黏附性各因素的重要性排序?yàn)锽＞A＞C＞D=E=F，因C、D、E、F極差過(guò)小，各水平對(duì)結(jié)果影響不明顯，因此優(yōu)選配方只考慮A、B的水平影響。

本次試驗(yàn)中，各種原料從功能分類，A、B均為成膜組分，C、D、E、F為性能改善組分，因素A水性氧化聚乙烯蠟乳液對(duì)養(yǎng)生劑抗壓強(qiáng)度比和黏附性均為主要因素，對(duì)有效保水率為非主要因素，但在不同水平條件下，測(cè)試數(shù)據(jù)差距很小，綜合考慮取A2；因素B硅丙乳液對(duì)養(yǎng)生劑有效保水率和黏附性為主要因素，對(duì)抗壓強(qiáng)度比為非主要因素，故取B5；因素C消泡劑和D氟碳表面活性劑對(duì)養(yǎng)生劑的有效保水率有顯著作用，氟碳表面活性劑可有效提高養(yǎng)生劑的分散穩(wěn)定性，提高養(yǎng)生劑薄膜的均勻性和密封性，攪拌過(guò)程和施工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多氣泡，導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)裂紋，從而使水分散失，降低養(yǎng)生效果，消泡劑的加入可顯著降低氣泡含量，綜合考慮，取C5、D5；因素E增塑劑在三項(xiàng)指標(biāo)中均為非重要因素，因此取E2；因素F成膜助劑只在抗壓強(qiáng)度比指標(biāo)中重要性排名稍微靠前，因此取F1，最后得出養(yǎng)生劑最佳配方為A2B5C5D5E2F1。

2.2 養(yǎng)生劑性能測(cè)試

按照最佳配方制備養(yǎng)生劑，然后進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 養(yǎng)生劑最佳配方性能測(cè)試結(jié)果

由表4可知，噴涂養(yǎng)生劑的試件與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生試件的7 d及28 d抗壓強(qiáng)度比均為93.4%，遠(yuǎn)高于空氣養(yǎng)生，說(shuō)明高聚物改性養(yǎng)生劑可有效提高混凝土的強(qiáng)度，雖較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生方式略低，但施工便捷，可節(jié)約大量人力物力，尤其適用于取水不便地區(qū)及立面和形狀復(fù)雜部位，保證了混凝土的養(yǎng)生質(zhì)量。

2.3 工程驗(yàn)證

2.3.1 室外試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)的養(yǎng)生劑在室外養(yǎng)生的效果，在室外空曠環(huán)境進(jìn)行了中試。如圖1所示，首先現(xiàn)場(chǎng)拌和混凝土，填入模具后進(jìn)行振搗、抹面，待混凝土泌水結(jié)束后采用薄膜養(yǎng)生、棉被養(yǎng)生、養(yǎng)生劑養(yǎng)生和空氣養(yǎng)護(hù)4種不同的養(yǎng)生方式對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)生，待28 d后進(jìn)行鉆芯取樣，測(cè)試混凝土強(qiáng)度。

圖1 室外試驗(yàn)流程圖

28 d強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表5所示，可見(jiàn)棉被補(bǔ)水養(yǎng)生方式最接近標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，養(yǎng)生效果最好，其次為養(yǎng)生劑養(yǎng)生，混凝土強(qiáng)度為棉被補(bǔ)水養(yǎng)生的92.36%，薄膜補(bǔ)水養(yǎng)生和空氣養(yǎng)生效果均較差。經(jīng)室外試驗(yàn)驗(yàn)證混凝土養(yǎng)生劑養(yǎng)生方式效果良好。

表5 室外不同養(yǎng)生方式混凝土強(qiáng)度對(duì)比 MPa

2.3.2 工程驗(yàn)證

依托晉蒙黃河大橋工程，在科村引橋右幅第七孔鋼纖維橋面混凝土進(jìn)行了實(shí)體工程噴涂試驗(yàn)，噴涂寬度13 m，噴涂長(zhǎng)度35 m，共計(jì)455 m2，其余部位采用傳統(tǒng)土工布覆蓋灑水養(yǎng)生方式作為對(duì)比，見(jiàn)圖2。

圖2 不同養(yǎng)生方式對(duì)比圖

考慮當(dāng)天風(fēng)速較大，項(xiàng)目組加大養(yǎng)生劑噴涂量，采用縱橫兩次噴涂，用量控制在0.35～0.40 kg/m2，噴涂28 d后，對(duì)養(yǎng)生效果進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果顯示，試驗(yàn)段與對(duì)比路段基本無(wú)差別，混凝土橋面外觀質(zhì)量良好，無(wú)裂縫出現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文借助正交分析設(shè)計(jì)方法，以有效保水率、抗壓強(qiáng)度比和黏附性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)養(yǎng)生劑配方進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，結(jié)論如下：

a）養(yǎng)生劑最佳配方為：水性氧化聚乙烯蠟乳液40%、硅丙乳液24%，消泡劑0.5%、氟碳表面活性劑0.05%、增塑劑0.7%、成膜助劑0.7%、去離子水34.05%。

b）氟碳表面活性劑和消泡劑對(duì)養(yǎng)生劑性能影響明顯，在養(yǎng)生劑制備過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制其加入量，保證養(yǎng)生劑性能穩(wěn)定。

c）本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的混凝土養(yǎng)生劑推薦用量為0.3 kg/m2，但施工時(shí)應(yīng)根據(jù)天氣及氣候及時(shí)調(diào)整用量，建議采用縱橫兩次噴涂（涂刷），以保證成膜質(zhì)量。