水泥基滲透結(jié)晶型防水材料的制備及性能

候世珺，黃 偉，賀雄飛，凌子楓，洪僑亨，唐 剛，張 浩,4

(1.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032；2.廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 511458；3.中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 511458；4.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000)

混凝土在服役中會因溫濕度、凍融、載荷等外界因素的作用造成裂縫逐漸擴(kuò)展發(fā)育，導(dǎo)致建筑物服役性能下降，甚至造成嚴(yán)重的安全事故[1-4]。對于混凝土縫寬大于0.4 mm的裂縫可采用裂縫灌漿料和環(huán)氧樹脂填充、灌注等常規(guī)施工方法來修復(fù)，但對于縫寬小于0.4 mm 的裂縫，常規(guī)施工方法難以有效封縫。水泥基滲透結(jié)晶型防水材料具有無水時(shí)呈惰性、遇水時(shí)活性激發(fā)生成結(jié)晶體的特性，可有效封堵縫寬小于0.4 mm 的混凝土裂縫；此外，在防止混凝土滲漏的過程中，其生成的結(jié)晶體對混凝土裂縫擴(kuò)展發(fā)育具有一定的抑制作用。近年，關(guān)于水泥基滲透結(jié)晶型防水材料的研究主要集中在防水、堵漏性方面，對改善其混凝土自愈合性能方面的研究較少[5-7]。姚嘉城等[8]研究表明水泥基滲透結(jié)晶型防水材料與納米二氧化硅的復(fù)合可提高混凝土的自修復(fù)性能；Li 等[9]以碳酸、硅酸鈉、鋁酸鈉、EDTA 四鈉和甘氨酸為活性物質(zhì)制備水泥基滲透結(jié)晶型防水材料，發(fā)現(xiàn)硅酸鈉對水泥基滲透結(jié)晶型防水材料的自愈能力影響最大；郭寧林等[10]研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)摻型水泥基滲透結(jié)晶型防水材料具有較強(qiáng)的抗硫酸銨腐蝕性能和裂縫自愈合性能。上述研究表明采用水泥基滲透結(jié)晶型防水材料可改善開裂混凝土的力學(xué)性能，本文基于課題組自主研制的低成本活性增強(qiáng)劑B-SMC[11]，采用在堿性滲透劑中加入B-SMC制備水泥基滲透結(jié)晶型防水材料，并與某進(jìn)口知名品牌水泥基滲透結(jié)晶型防水材料(成品C)的性能進(jìn)行對比分析，以期提升水泥基滲透結(jié)晶型防水材料的基本和自愈合性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料與試劑

普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)，馬鞍山海螺水泥有限責(zé)任公司；石英砂，粒徑0.5～4.0 mm，智力環(huán)?？萍加邢薰?；硫鋁酸鹽水泥，上海舜安建材有限公司；滑石粉，粒徑0.019 mm，大凡化工有限公司；重質(zhì)碳酸鈣，0.009 5 mm，山東優(yōu)索化工科技有限公司；B-SMC 活性增強(qiáng)劑，由膨潤土、乙二胺四乙酸四鈉、酒石酸、甲基硅酸鈉等材料復(fù)摻配制[12]；堿性滲透劑，青島盾澤生物科技有限公司；成品C，某進(jìn)口知名品牌水泥基滲透結(jié)晶型防水材料，北京城榮防水材料有限公司；纖維素醚，上海臣啟化工科技有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為自來水。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器

水泥膠砂攪拌機(jī)，JJ-5 型，浙江土工儀器制造有限公司；水泥膠砂震實(shí)驗(yàn)臺，ZT-96 型，浙江土工儀器制造有限公司；水泥(砼)恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，HBY-40B 型，浙江省上虞市土工儀器有限公司；砂漿滲透儀，SS-15 型，滄州晶碩試驗(yàn)儀器有限公司；水泥電動抗折機(jī)，STDKZ-5000 型，浙江土工儀器制造有限公司；水泥壓力試驗(yàn)機(jī)，DYE-300型，南京宇達(dá)興科儀器科技有限公司；水泥基滲透結(jié)晶型防水材料濕基面黏接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)儀，DLB-10，滄州峰儀試驗(yàn)儀器有限公司；掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)，NANO SEM430型，美國FEI公司；X射線衍射儀(X ray diffractometer，XRD)，D8ADVANCE型，德國布魯克公司；傅里葉變換紅外光譜儀，Nicolet 6700 型，美國熱電公司。

1.3 試件制備

實(shí)驗(yàn)原料配合比如表1。

表1 試件配合比Tab.1 Specimen mix proportion

依據(jù)表1 稱取各原料加入水泥膠砂攪拌機(jī)復(fù)摻后制得B-SMC-0，B-SMC-1 試件。將B-SMC-0，B-SMC-1 試件及成品C 分別按水灰質(zhì)量比1∶3 攪拌均勻后，倒入尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 的三聯(lián)模模具中，將其置于水泥膠砂震實(shí)驗(yàn)臺上震實(shí)后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，養(yǎng)護(hù)1 d 后脫模；繼續(xù)在溫度為(20±2)℃、濕度大于95%的條件下養(yǎng)護(hù)28 d，得到B-SMC-0，B-SMC-1及成品C的水泥凈漿試件。

1.4 性能測試

1.4.1 力學(xué)性能

按照GB/T 17671—2020《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)》，將B-SMC-0，B-SMC-1，成品C 的水泥凈漿試件養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期開展水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)，采用水泥壓力試驗(yàn)機(jī)和電動抗折機(jī)測試試件抗壓和抗折強(qiáng)度。

1.4.2 抗?jié)B性能

稱取水泥、ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂、水、纖維素醚分別為330，1350，260，0.5 g，將其加入至上下口直徑、高分別為70，80，30 mm 的試模中混合制備3組基準(zhǔn)砂漿試件。一組在試件背水面涂抹水泥凈漿得到帶涂層砂漿試件；另一組在試件背水面蓋上網(wǎng)格布(尺寸比基準(zhǔn)砂漿試件背水面略大)得到去涂層砂漿試件。將3 組試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 取出，按照GB 18445—2012《水泥基滲透結(jié)晶型防水材料》進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，采用砂漿滲透儀測試試件抗?jié)B性能。

1.4.3 濕基面黏結(jié)強(qiáng)度

將孔尺寸為50 mm×50 mm×3 mm 的成型框放在標(biāo)準(zhǔn)混凝土板上，分別倒入3 種水泥凈漿制備50 mm×50 mm×3 mm 試塊，放置24 h 脫模后浸水養(yǎng)護(hù)28 d 取出。按照GB 18445—2012《水泥基滲透結(jié)晶型防水材料》開展?jié)窕骛そY(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，采用濕基面黏接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)儀測試其濕基面黏結(jié)強(qiáng)度。

1.4.4 自愈合性能

按照GB/T 17671—2020《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)》，將成品C，B-SMC-0，B-SMC-1分別與標(biāo)準(zhǔn)砂、水按質(zhì)量比1∶3∶0.5混合制備水泥砂漿試件，用于開展自愈合試驗(yàn)。將水泥砂漿試件依次養(yǎng)護(hù)14，28 d齡期，達(dá)養(yǎng)護(hù)齡期進(jìn)行抗折試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束任意取出1/2試件進(jìn)行極限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)獲得極限抗壓強(qiáng)度I0；將I0作為參照值，其余試件分別加載至參照值的60%、穩(wěn)載1 min后卸載得到預(yù)壓試件，將預(yù)壓試件置于平均溫度為20 ℃的水中浸水養(yǎng)護(hù)7，14，28 d后取出晾干，測試其預(yù)壓-養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度IR。自修復(fù)效果采用自愈合回復(fù)率K=IR/I0×100%表示[13-17]。

對預(yù)壓-養(yǎng)護(hù)不同齡期的B-SMC-0，B-SMC-1的試件取樣，采用D8ADVANCE型X射線衍射儀(靶材為Cu靶、掃描范圍-3°～150°、2θ角精確度≤0.02°)分析其物相組成；采用NANO SEM430型掃描電子顯微鏡分析其微觀形貌，試樣使用噴金處理，測試電壓為20 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本性能

成品C，B-SMC-0，B-SMC-1試件不同齡期的力學(xué)性能如圖1。

圖1 成品C，B-SMC-0，B-SMC-1不同養(yǎng)護(hù)齡期力學(xué)性能對比Fig.1 Comparison of mechanical properties of finished product C,B-SMC-0 and B-SMC-1 at different curing ages

從圖1可看出：3種試件不同齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度變化趨勢相同，均隨著齡期增加而增大；B-SMC-1的抗壓、抗折強(qiáng)度最高，且隨齡期增加增幅最大；成品C的抗壓、抗折強(qiáng)度較B-SMC-0略低，隨齡期增加增幅較?。? 種試件28 d 抗壓、抗折強(qiáng)度均滿足GB 18445—2012《水泥基滲透結(jié)晶型防水材料》的指標(biāo)要求(抗壓強(qiáng)度≥15 MPa、抗折強(qiáng)度≥2.8 MPa)。

3 種試件28 d 抗?jié)B性能與濕基面黏結(jié)強(qiáng)度如表2。從表2 可看出：3 種試件28 d 帶涂層與去涂層的抗?jié)B壓力比均滿足GB 18445—2012《水泥基滲透結(jié)晶型防水材料》指標(biāo)要求(帶涂層抗?jié)B壓力比≥250%，去涂層抗?jié)B壓力比≥175%)，其中以B-SMC-1最高、成品C 最低；濕基面黏結(jié)強(qiáng)度B-SMC-1 最高、成品C 次之、B-SMC-0 最低，其中B-SMC-0 未達(dá)到GB18445—2012《水泥基滲透結(jié)晶型防水材料》指標(biāo)要求(濕基面黏結(jié)強(qiáng)度≥1.0 MPa)。

表2 試件的28 d抗?jié)B性能與濕基面黏結(jié)強(qiáng)度Tab.2 28 d impermeability and wet base adhesion strength of specimens

綜上表明：3 種試件抗壓、抗折和抗?jié)B強(qiáng)度均達(dá)標(biāo)，且B-SMC-1＞B-SMC-0＞成品C；對于濕基面黏結(jié)強(qiáng)度，B-SMC-1＞成品C＞B-SMC-0，其中B-SMC-0未達(dá)標(biāo)。B-SMC-1的力學(xué)性能和抗?jié)B性能較B-SMC-0有明顯提升，即便與目前廣泛使用的知名品牌成品C相比，其基本性能也呈較大優(yōu)勢。

2.2 自愈合性能及機(jī)理分析

2.2.1 自愈合力學(xué)性能

養(yǎng)護(hù)齡期14，28 d 試件的自愈合回復(fù)率如圖2。從圖2 可看出：對于養(yǎng)護(hù)齡期14，28 d 的3 種試件，其自愈合回復(fù)率均隨預(yù)壓-養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大；養(yǎng)護(hù)齡期28 d 試件的自愈合回復(fù)率整體低于14 d，養(yǎng)護(hù)齡期對試件自愈合能力影響較大。這是因?yàn)辇g期較小時(shí)試件中未完全水化的水泥顆粒和水泥基活性材料共同作用，呈現(xiàn)出較好的修復(fù)能力，但隨養(yǎng)護(hù)齡期增加，試件中水泥顆粒水化相對充分，修復(fù)能力有一定下降。

圖2 預(yù)壓-養(yǎng)護(hù)齡期試件的自愈合回復(fù)率Fig.2 Self-healing recovery rate of specimen at different preloading-curing ages

比較圖2(b)可發(fā)現(xiàn)：B-SMC-1試件在不同預(yù)壓-養(yǎng)護(hù)齡期自愈合回復(fù)率均大于100%，養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)最高、達(dá)117%；另外2 種試件在不同預(yù)壓-養(yǎng)護(hù)齡期自愈合回復(fù)率均小于101%，B-SMC-0 試件整體優(yōu)于成品C。表明B-SMC-1試件具有優(yōu)良的自愈合能力。

2.2.2 自愈合試件的物相組成

自愈合過程中B-SMC-0 和B-SMC-1 試件的XRD 譜圖如圖3。從圖3 可看出：B-SMC-0 試件經(jīng)7，14，28 d 的預(yù)壓-養(yǎng)護(hù)，在29.32°處的C S H 凝膠特征峰稍有增強(qiáng)，在36.60°處的鈣礬石特征峰明顯增強(qiáng)，但碳酸鈣特征峰強(qiáng)度基本沒有變化，說明B-SMC-0 試件中未水化的硅酸二鈣、硅酸三鈣進(jìn)一步水化發(fā)揮自愈合性能；B-SMC-1試件經(jīng)7，14，28 d 的預(yù)壓-養(yǎng)護(hù)，在29.32°處的C S H凝膠特征峰小幅增強(qiáng)，在36.60°處的鈣礬石特征峰顯著增強(qiáng)，此外B-SMC-1 試件中未水化的硅酸二鈣、硅酸三鈣被B-SMC 活性增強(qiáng)劑激發(fā)，發(fā)揮顯著的自愈合性能。這是因?yàn)锽-SMC-1 中的乙二胺四乙酸四鈉和酒石酸富含羧酸根，其與膠凝材料中的游離鈣離子絡(luò)合生成亞穩(wěn)態(tài)的鈣離子絡(luò)合物，鈣離子絡(luò)合物與裂縫引入的CO23-及HCO-3反應(yīng)生成碳酸鈣晶體，碳酸鈣晶體與C S H 碳凝膠、鈣礬石進(jìn)行復(fù)合，對裂縫進(jìn)行有效彌合，使經(jīng)預(yù)壓-養(yǎng)護(hù)后的B-SMC-1試件力學(xué)性能顯著提升[18-20]。

圖3 自愈合過程中B-SMC-0和B-SMC-1試件的XRD譜圖Fig.3 XRD spectra of B-SMC-0 and B-SMC-1 specimens during self-healing

2.2.3 自愈合過程中試件的微觀形貌

自愈合過程中B-SMC-0 和B-SMC-1 試件的SEM 如圖4，5。從圖4 可看出：B-SMC-0 試件預(yù)壓-養(yǎng)護(hù)7 d 后，結(jié)構(gòu)中縫隙明顯；預(yù)壓-養(yǎng)護(hù)14 d后，表面出現(xiàn)結(jié)晶狀物質(zhì)C S H 凝膠；預(yù)壓-養(yǎng)護(hù)28 d 后，表面出現(xiàn)更多結(jié)晶狀物質(zhì)C S H 凝膠，但C S H凝膠的包裹結(jié)構(gòu)松散。從圖5可看出：B-SMC-1 試件預(yù)壓-養(yǎng)護(hù)7 d 后，結(jié)構(gòu)致密性顯著提高，表面存在少量縫隙；預(yù)壓-養(yǎng)護(hù)14 d后，表面出現(xiàn)大量結(jié)晶狀物質(zhì)C S H 凝膠，且緊密填充于縫隙中；預(yù)壓-養(yǎng)護(hù)28 d后，表面C S H凝膠包裹密實(shí)性進(jìn)一步提高[21-22]。

圖4 自愈合過程中B-SMC-0試件的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM photos of B-SMC-0 specimens during self-healing

圖5 自愈合過程中B-SMC-1試件的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM photos of B-SMC-1 specimens during self-healing

B-SMC-1 中B-SMC 的作用機(jī)理如圖6。分析圖6 可知，B-SMC 中乙二胺四乙酸四鈉鹽有效絡(luò)合鈣離子，形成亞穩(wěn)態(tài)的鈣離子絡(luò)合物，加速水泥水化生成C S H 凝膠；B-SMC 與裂縫界面處的存水一起滲透到裂縫內(nèi)部，并與毛細(xì)孔道中游離的鈣離子等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的結(jié)晶體；C S H 凝膠以及結(jié)晶體物質(zhì)對縫隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行彌合修補(bǔ)，提高了裂縫的密實(shí)性。

圖6 B-SMC作用機(jī)理示意圖Fig.6 Schematic diagram of B-SMC action mechanism

3 結(jié)論

1)3 種試件中，采用B-SMC 制備的水泥基滲透結(jié)晶型防水材料試件B-SMC-1 力學(xué)性能和抗?jié)B性能最佳，即B-SMC-1＞B-SMC-0＞成品C，其抗壓、抗折和抗?jié)B指標(biāo)均滿足GB 18445—2012《水泥基滲透結(jié)晶型防水材料》的要求；對于濕基面黏結(jié)強(qiáng)度，B-SMC-1＞成品C＞B-SMC-0，僅B-SMC-0試件指標(biāo)不滿足GB 18445—2012要求。

2) 試件B-SMC-1 具有優(yōu)良的自愈合能力，對于養(yǎng)護(hù)齡期14，28 d 的3 種試件，自愈合回復(fù)率均為B-SMC-1＞B-SMC-0＞成品C，且試件B-SMC-1 在不同預(yù)壓-養(yǎng)護(hù)齡期自愈合回復(fù)率均大于100%，養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)最高達(dá)117%。