一種新型水泥基裂縫粘接修復(fù)劑制備及性能測試

古發(fā)美

摘 要：針對傳統(tǒng)水泥基材料易開裂的問題，提出制備一種高分子修復(fù)劑對水泥基材料進行修復(fù)。探究了該修復(fù)劑對水泥基材料的修復(fù)效果與機理，結(jié)果表明： 試驗制備的高分子修復(fù)劑修復(fù)機理主要是通過離子間吸附、膨脹和絡(luò)合作用對水泥基材料進行修復(fù)。28 d養(yǎng)護齡期試件在不同養(yǎng)護環(huán)境下的平均裂縫寬度分別為自來水環(huán)境0.01 mm、酸環(huán)境0.06 mm、堿環(huán)境0.02 mm、中性環(huán)境0.06 mm和硫酸鹽環(huán)境0.02 mm，且均表現(xiàn)出較好的修復(fù)性能。

關(guān)鍵詞：修復(fù)性能；高分子修復(fù)劑；修復(fù)機理；水泥基材料

中圖分類號：TQ314.262

文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）04-0091-05

Study on the preparation technique and performance of a noval cement based crack repair agent

GU Famei

（Chongqing Vocational College of Applied Technology，Hechuan，Chongqing，401520，China）

Abstract：Aiming at the problem that traditional cement-based materials are easy to crack，a polymer repair agent was proposed to repair cement-based materials，and the repair effect and mechanism of the repair agent on cement-based materials were explored.The results showed that the repair mechanism of the polymer repair agent prepared in this experiment was mainly to repair cement-based materials through ion adsorption，expansion and complexation.The average crack width of specimens at 28 days curing age under different curing environments was 0.01 mm in tap water environment，0.06 mm in acid environment，0.02 mm in alkali environment，0.06 mm in neutral environment and 0.02 mm in sulfate environment.Under these curing conditions，it showed good repair performance.

Key words：repair performance;polymer repair agent;repair mechanism;cement based materials

水泥基材料在使用的過程中，受外部環(huán)境的影響，易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，造成水泥基材料使用壽命短，甚至對使用者的生命安全產(chǎn)生威脅，因此對水泥基材料進行修復(fù)是很有必要的。針對該問題，部分學(xué)者也進行了很多研究，如對海水腐蝕的水泥基，提出一種新型自修復(fù)劑，這種修復(fù)劑在水泥基材料出現(xiàn)裂縫時，能夠在裂縫中間形成水鎂石和方解石，對水泥裂縫進行有效修復(fù)［1］；但其研究特異性較強，僅針對海水腐蝕下的水泥基材料開裂問題。有研究則提出通過生物法修復(fù)水泥基材料，結(jié)果表明，微膠囊與科氏芽孢桿菌能在水泥基材料開裂后及時修復(fù)裂縫，賦予了水泥材料仿生自主修復(fù)功能［2］。為了尋找更適合的水泥基材料修復(fù)方式，本試驗制備了一種新型高分子修復(fù)劑，并對其修復(fù)效果和修復(fù)機理進行分析。

1 材料與設(shè)備

1.1 材料與方法

本試驗主要材料：過硫酸銨（AR，創(chuàng)贏化工）、四甲基乙二胺（AR，威振化工）、亞甲基雙丙烯酰胺（AR，鑫碩化工）、丙烯酰胺（AR，水方程凈水材料）、河砂（標(biāo)準(zhǔn)品，明城礦產(chǎn)品）、P·O42.5水泥（匯霆星建材）、聚羧酸減水劑（AR，博克化學(xué)股份）、丙烯酸（AR，澤西新材料科技）、稀硝酸（AR，馳達化工）、過硫酸鈉（AR，華航化工）、氫氧化鈉（AR，杰維化工）。

本試驗主要設(shè)備：JJ-5型水泥膠砂攪拌機（星藍建筑儀器）、HZJ1型水泥砂漿振動臺（人從眾機械制造）、ZBL-U510型非金屬超聲檢測儀（環(huán)球測繪儀器）、ZT501型裂縫測寬儀（中拓科儀科技）、SU9000型超高分辨率場發(fā)射掃描電鏡（維翰光電科技）。

1.2 試驗方法

1.2.1 高分子修復(fù)劑的制備

（1）將丙烯酸和丙烯酰胺作為單體，按照2∶3的比例置入燒杯，加入一定質(zhì)量的亞甲基雙丙烯酰胺，充分攪拌；

（2）放入質(zhì)量分數(shù)為2%的過硫酸銨和四甲基乙二胺作為引發(fā)體系進行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后加入一定質(zhì)量的水，在氮氣條件下攪拌反應(yīng)，反應(yīng)的溫度和時間分別為45 ℃和24 h；

（3）保留固體材料，在水環(huán)境下純化保溫1 d，將產(chǎn)物干燥后碾磨成粉，得到高分子修復(fù)劑。

1.2.2 水泥砂漿試件的制備

參照GB/T 17671—1999標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計并制備水泥砂漿試件［3-4］。為了探究高分子修復(fù)劑對水泥基材料的修復(fù)效果，本試驗共設(shè)計2組試驗，具體配比結(jié)果如表1所示。

（1）按照表1配比精準(zhǔn)稱取原材料。將修復(fù)劑與水泥混合，減水劑完全溶于水；

（2）提前潤濕水泥膠砂攪拌機，倒入水泥和水并低速攪拌30 s；

（3）在30 s內(nèi)，分次、勻速的將砂子加入到正在攪拌的混合材料中，待砂子完全加入后，打開高速攪拌模式，繼續(xù)攪拌30 s；

（4）關(guān)閉攪拌機，立刻將攪拌葉片上的砂漿材料刮到攪拌鍋中，同時，用刮鏟將鍋底的砂漿材料刮松，確保所有材料都混合均勻；

（5）繼續(xù)高速攪拌90 s，關(guān)閉攪拌機，將攪拌機內(nèi)砂漿材料分3次倒入提前準(zhǔn)備好的模具中，每次加料都需要在HZJ1型水泥砂漿振動臺上振實，排出砂漿內(nèi)部氣泡；

（6）常溫養(yǎng)護1 d拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至指定齡期。養(yǎng)護溫度和濕度分別為20 ℃和90%。

1.2.3 自修復(fù)作用環(huán)境

（1）自來水環(huán)境：試驗室接的自來水；

（2）硫酸鹽環(huán)境：質(zhì)量分數(shù)為6%的硫酸鈉溶液；

（3）海水環(huán)境：試驗室用人工海水；

（4）堿環(huán)境：pH值為12的氫氧化鈉溶液；

（5）酸溶液：pH值為5的硝酸溶液；

（6）中性溶液：pH值為7的去離子水。

將制備的試件完全浸沒在以上6種環(huán)境中，用保鮮膜完全密封后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護。

1.3 性能測試

1.3.1 超聲波波速測試

檢測試件的超聲波波速。材料不同，超聲波波速也不相同，試驗室通過超聲波波速的改變判斷水泥基材料內(nèi)部的密實情況，水泥基材料密實程度越高超聲波傳輸速度越高［5］。

超聲波聲速恢復(fù)率表達式［6］：

η=vn－vcv0－vc×100%（1）

式中：η為聲波恢復(fù)率；v0為正常環(huán)境養(yǎng)護的超聲波速；vn為養(yǎng)護n天后的超聲波速；vc為預(yù)制裂縫后的殘余波速。

1.3.2 裂縫寬度測試

在ZT501裂縫測寬體的作用下測定待測樣品內(nèi)部裂縫寬度［7］。

1.3.3 掃描電子顯微鏡

用導(dǎo)電膠將待測樣品固定在樣品臺上，噴金處理后用SU9000型超高分辨率場發(fā)射掃描電鏡觀察水泥砂漿材料的斷面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 自來水環(huán)境下修復(fù)劑修復(fù)性能分析

2.1.1 超聲波波速分析

對自來水環(huán)境下，超聲波在不同水泥砂漿試件中波速的變化進行檢測，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，在自來水環(huán)境下，砂漿基體自身具備一定的修復(fù)能力。但養(yǎng)護時間超過14 d后，A組試件波速恢復(fù)率不再發(fā)生改變；B組試件的波速恢復(fù)率則持續(xù)上升。當(dāng)養(yǎng)護時間增至28 d后，超聲波波速在水泥砂漿中的恢復(fù)率高達73.7%，這說明摻入高分子修復(fù)劑后，對水泥基的修復(fù)性能產(chǎn)生積極的影響［8］。

2.1.2 裂縫寬度分析

水泥砂漿基體在養(yǎng)護一定時間后，內(nèi)部環(huán)境會出現(xiàn)一些裂縫，對不同養(yǎng)護時間下，水泥砂漿基體內(nèi)部裂縫寬度進行檢測，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，自來水環(huán)境下，2個組試驗結(jié)果表現(xiàn)出一定的修復(fù)性能，但在養(yǎng)護齡期下，B組試件的裂縫寬度恢復(fù)率皆明顯高于A組試件；養(yǎng)護28 d，裂縫基本完全愈合。這就說明在自來水環(huán)境下，高分子修復(fù)劑能夠發(fā)揮較好的修復(fù)作用，減小水泥基內(nèi)部的平均裂縫寬度［9-10］。

2.2 鹽環(huán)境下修復(fù)劑的修復(fù)性能分析

2.2.1 超聲波波速分析

圖3為硫酸鹽環(huán)境下，超聲波波速在水泥砂漿試件中波速的變化。

從圖3可以看出，在硫酸鹽環(huán)境下，超聲波波速并沒有較大的差別。這可能是在該環(huán)境下，水泥砂漿基體自修復(fù)性能發(fā)揮較好的作用［11］。但修復(fù)劑組樣品仍舊略高于普通樣品，說明在該條件下，高分子修復(fù)仍舊可以發(fā)揮一定的作用。

2.2.2 裂縫寬度分析

圖4為硫酸鹽環(huán)境對水泥砂漿基體內(nèi)部裂縫平均寬度的影響。

從圖4可以看出，B組試件的平均裂縫寬度略低于A組試件，但平均裂縫寬度差別并不是很大。這個變化規(guī)律與超聲波波速變化基本一致，這再次印證了2.2.1的結(jié)論。同時，從裂縫寬度變化的規(guī)律還能看出，在硫酸鹽環(huán)境下，高分子修復(fù)劑對水泥砂漿基體內(nèi)部裂縫的修復(fù)產(chǎn)生積極的作用［12］。

2.3 海水環(huán)境下修復(fù)劑修復(fù)性能分析

2.3.1 超聲波波速分析

圖5為海水環(huán)境下超聲波波速的影響。

從圖5可以看出，在海水環(huán)境下，2組試件超聲波波速變化基本一致，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的差別。這個變化規(guī)律說明海水環(huán)境對水泥砂漿基體的自修復(fù)性能產(chǎn)生積極的影響，但高分子修復(fù)劑的修復(fù)性能則會被抑制，也就是說，該高分子修復(fù)材料應(yīng)避免在海水環(huán)境下使用。

2.3.2 裂縫寬度分析

圖6為海水環(huán)境下內(nèi)部縫隙寬度的變化。

從圖6可以看出，在海水環(huán)境下，2組試件的平均裂縫寬度都有一定縮小，但B組試件的平均裂縫寬度始終大于A組試件。這個變化規(guī)律說明海水環(huán)境對水泥砂漿裂縫的自修復(fù)有積極的作用，但會抑制高分子修復(fù)劑的修復(fù)性能［13-14］。

2.4 堿環(huán)境下修復(fù)劑修復(fù)性能分析

2.4.1 超聲波波速分析

圖7為堿環(huán)境下，超聲波在水泥砂漿試件中波速的變化。

從圖7可以看出，在堿環(huán)境下，超聲波在2組試件中的波速變化規(guī)律基本一致；而修復(fù)劑試驗組超聲波波速恢復(fù)率相對較高。這說明在堿性環(huán)境下，水泥砂漿基體具有一定的自修復(fù)性能，同時，高分子修復(fù)劑可以在該環(huán)境下發(fā)揮一定的修復(fù)作用。

2.4.2 裂縫寬度分析

圖8為堿環(huán)境下，水泥砂漿試件內(nèi)部縫隙平均寬度的變化。

從圖8可以看出，隨養(yǎng)護齡期的增加，2組試件內(nèi)部的裂縫平均寬度皆有所減小， 但B組試件內(nèi)部的裂縫平均寬度始終小于A組試件。這說明在堿環(huán)境下，水泥砂漿材料可以發(fā)揮一定的自修復(fù)性能。當(dāng)加入高分子修復(fù)劑后，高分子修復(fù)劑發(fā)揮作用，進一步縮小了水泥砂漿內(nèi)部裂縫寬度。證實高分子修復(fù)劑在堿性環(huán)境下也有一定的修復(fù)效果。

2.5 酸環(huán)境下修復(fù)劑修復(fù)性能分析

2.5.1 超聲波波速分析

圖9為酸性環(huán)境下，超聲波在水泥砂漿試件中波速的變化情況。

從圖9可以看出，酸性環(huán)境下，2組試件中超聲波波速變化趨勢基本一致，且波速變化大小相差不大，B組試件的超聲波波速略高于A組試件。這說明在酸性環(huán)境下，水泥砂漿材料具有一定的自修復(fù)性能，同時，高分子修復(fù)劑能夠發(fā)揮一定的修復(fù)效果，但效果不明顯。

2.5.2 裂縫寬度分析

圖10為酸環(huán)境下，水泥砂漿基體內(nèi)部裂縫平均寬度的變化。

從圖10可以看出，隨養(yǎng)護時間的增加，水泥砂漿基體內(nèi)部裂縫平均寬度慢慢的減小，且B組試件水泥砂漿基體內(nèi)部平均寬度始終略小于A組試件。這與2.5.1的結(jié)論一致，說明酸環(huán)境能夠促進水泥基體材料的自修復(fù)。同時，高分子修復(fù)劑也能在該環(huán)境下發(fā)揮一定的作用，但作用并不明顯。

2.6 中性環(huán)境下修復(fù)劑修復(fù)性能分析

2.6.1 超聲波波速分析

圖11為中性環(huán)境下超聲波波速變化。

從圖11可以看出，超聲波波速在水泥砂漿基體內(nèi)部的變化規(guī)律與酸環(huán)境下超聲波波速在水泥砂漿基體內(nèi)部變化規(guī)律基本一致。這說明中性環(huán)境與酸性環(huán)境對水泥砂漿基體的影響基本一致，高分子修復(fù)劑在酸性環(huán)境下與中性環(huán)境下對水泥砂漿基體的影響也基本一致。

2.6.2 裂縫寬度分析

圖12為中性環(huán)境下裂縫平均寬度的變化。

從圖12可以看出，隨養(yǎng)護時間的增加，水泥砂漿內(nèi)部裂縫慢慢的縮小，這說明中性環(huán)境對水泥砂漿材料的自修復(fù)性能產(chǎn)生積極的影響。同時，從圖12還可發(fā)現(xiàn)，雖然B組試件內(nèi)部裂縫平均寬度始終大于A組試件，但B組試件平均裂縫寬度的變化率高于A組試件。這可能因為制作試件時，振動時間不夠，內(nèi)部存在一些氣泡，使得試件內(nèi)部裂縫的寬度相對A組試件較大。在高分子修復(fù)劑的作用下，試件內(nèi)部裂縫的平均寬度慢慢的變小，這說明在中性環(huán)境下，高分子修復(fù)劑可以發(fā)揮一定的作用。

2.7 高分子修復(fù)劑修復(fù)機理分析

通過上面的分析可以發(fā)現(xiàn)，高分子修復(fù)劑在多種環(huán)境中都能發(fā)揮一定的修復(fù)作用，因高分子修復(fù)劑在硫酸鹽環(huán)境中修復(fù)具有一定的代表性，因此在探究高分子修復(fù)劑的修復(fù)機理時，以硫酸鹽環(huán)境下的水泥砂漿試件為研究對象，用SEM掃描電子顯微鏡對其斷面進行分析，結(jié)果如圖13所示。

從圖13可以看出，在水泥砂漿基體內(nèi)部并未有新的物質(zhì)生成，只有少量的膠狀物質(zhì)拉結(jié)，這說明高分子修復(fù)劑對水泥砂漿基體的修復(fù)是物理作用［15］。分析高分子修復(fù)劑的修復(fù)機理可以發(fā)現(xiàn)，高分子修復(fù)劑中含有吸附性較強的酰胺基結(jié)構(gòu)。這種特殊的結(jié)構(gòu)能夠使反應(yīng)產(chǎn)物在水泥材料基體表面附著，同時可通過化學(xué)鍵與羧基官能團連接，使得材料緊密結(jié)合，再加上酰胺基團吸水膨脹的特點，可以在水泥砂漿基體中起到一定的修復(fù)作用。

同時，高分子修復(fù)劑內(nèi)的羧基可與與金屬離子進行絡(luò)合，生成結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的產(chǎn)物，能夠連接修復(fù)劑與水泥砂漿材料，阻止水泥砂漿材料內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，進而起到一定的修復(fù)作用［20］。

3 結(jié)語

本研究制備的高分子修復(fù)劑在多種環(huán)境下都可對水泥基材料進行修復(fù)，通過對高分子修復(fù)劑的修復(fù)機理進行分析，得到的具體結(jié)論如下。

（1）在自來水環(huán)境下，高分子修復(fù)劑修復(fù)性能表現(xiàn)良好。養(yǎng)護齡期為28 d的修復(fù)劑水泥砂漿試件，超聲波波速恢復(fù)率為73.7%，內(nèi)部裂縫平均寬度為0.004 mm；

（2）海水環(huán)境下會抑制高分子修復(fù)劑，因此應(yīng)避免在海水環(huán)境下使用；

（3）高分子修復(fù)劑在酸性環(huán)境、鹽環(huán)境、中性環(huán)境和堿環(huán)境中發(fā)揮一定的修復(fù)效果；

（4）高分子修復(fù)劑的修復(fù)機理是通過酰胺基與羧基官能團連接，再加上吸水膨脹和絡(luò)合的特性對水泥基材料內(nèi)部裂縫進行修復(fù)，也就是高分子修復(fù)劑是通過物理作用對水泥基材料進行修補。

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