水泥基滲透結(jié)晶型防水砂漿研制與防水性能研究

閆孝偉

(山東正珩新材料科技有限責(zé)任公司 山東濟(jì)南 250000)

1 前言

混凝土工程滲漏不僅給生活帶來不便，還可能會造成嚴(yán)重事故，是國內(nèi)外混凝土工程難以攻克的問題?；炷敛牧献陨韮?nèi)部多相、多組分間的性能差異所導(dǎo)致的原生裂縫和孔隙會造成混凝土的滲漏，大多出現(xiàn)在集料與基體的界面過渡區(qū)[1]。

水泥基滲透結(jié)晶型防水材料是一種剛性防水材料，具有施工簡單、耐久性好、環(huán)保、永久防水等優(yōu)點[2-3]。其與水作用后材料中含有的活性化學(xué)物質(zhì)以水為載體在混凝土中滲透，與水泥水化產(chǎn)物生成不溶于水的針狀結(jié)晶體填塞毛細(xì)孔道和微細(xì)縫隙，使集料之間界面結(jié)合力得到增強，混凝土和砂漿內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)得以改善，從而提高混凝土致密性與防水性[4]。礦物摻合料的火山灰效應(yīng)、微集料效應(yīng)可以提升水泥基材料的致密性，并改善材料的微結(jié)構(gòu)[5]。

制備一種水泥基滲透結(jié)晶型防水砂漿，研究水灰比及酒石酸、硅酸鈉、氯化鈣等活性化學(xué)物質(zhì)對砂漿滲透性能的影響，以確定防水材料的最佳配比，并通過硅灰、粉煤灰替代部分水泥作為膠凝材料以達(dá)到降低成本和改善砂漿抗?jié)B性能的目的[6]。

2 試驗原材料及試驗方法

2.1 原材料

采用山東山水水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥，密度 3.1 g/cm3，比表面積 330 m2/kg，80 μm方孔篩余量8.7%；粉煤灰密度2.36 g/cm3，比表面積380 m2/kg，45 μm方孔篩余量6.3%；減水劑為自產(chǎn)聚羧酸系高性能減水劑，摻量為膠凝材料的0.25%，減水率25%。

2.2 試驗標(biāo)準(zhǔn)

參照 GB/T 17617—2018、GB 18445—2012、JGJ/T 70—2009等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)測試。

2.3 正交試驗

本次試驗采用的活性物質(zhì)為酒石酸、硅酸鈉、氯化鈣，確定3種水平進(jìn)行正交試驗，結(jié)果見表1。

表1 活性物質(zhì)摻量正交試驗結(jié)果

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 礦物摻合料對砂漿強度及抗?jié)B性的影響

3.1.1 礦物摻合料對砂漿強度的影響

基準(zhǔn)砂漿空白組配合比為水泥∶砂∶水＝1∶3∶0.35。

基準(zhǔn)砂漿對照組配合比為膠凝材料∶砂∶水＝1∶3∶0.35，其中膠凝材料中水泥∶硅灰∶粉煤灰 ＝15∶1∶4。

根據(jù)28 d強度數(shù)據(jù)，粉煤灰和硅灰的加入提高了砂漿強度，增幅較為明顯，如圖1所示。究其原因:粉煤灰中玻璃微珠的“滾珠作用”可減少用水量，降低水泥漿體干縮率從而增強混凝土抗裂性[7]；硅灰的填充效應(yīng)，使整個砂漿結(jié)構(gòu)顆粒級配更加連續(xù)、更為密實。其火山灰效應(yīng)，在水化后期二次水化，減少界面過渡區(qū)的同時降低了氫氧化鈣的含量。除此之外，骨料表面吸附顆粒能夠提供給水泥水化的核化點，預(yù)防氫氧化鈣在界面定向生長，減小其取向度，從而改善砂漿性能，并提高強度。

圖1 28 d強度對比

3.1.2 礦物摻合料對砂漿抗?jié)B性的影響

通過空白組與對照組抗?jié)B試驗可知，空白組抗?jié)B壓力為3.7 MPa，對照組抗?jié)B壓力為4.0 MPa。由此可見:用一部分硅灰、粉煤灰替代水泥作為膠凝材料，在砂漿硬化過程中，作為膠凝材料的“第二組分”，能與水泥水化過程中產(chǎn)生的氫氧化鈣進(jìn)行“二次反應(yīng)”，生成具有膠凝性能的水化鋁酸鈣、水化硅酸鈣。與水泥水化產(chǎn)物搭接，改善了砂漿界面，減少了過渡區(qū)，水化產(chǎn)物能填充水泥石的毛細(xì)孔，形成更為致密的微觀結(jié)構(gòu)，降低了滲透性。另外，粉煤灰填充效應(yīng)可減少混凝土空隙體積和粗大孔隙，特別是填塞漿體中的毛細(xì)孔通道，對混凝土強度和耐久性十分有利，是提高混凝土性能的一項重要技術(shù)措施。

顆粒極細(xì)的硅灰，將水泥顆粒之間空隙填充飽滿，整個砂漿中顆粒緊密堆積，可有效減少孔數(shù)量，同時孔直徑也有所減小，致使泌水程度降低。在高效減水劑配合作用下，硅粉與水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠，改善界面結(jié)構(gòu)及粘結(jié)力，形成密實結(jié)構(gòu)。

3.2 活性物質(zhì)對砂漿強度及抗?jié)B性能的影響

3.2.1 活性物質(zhì)對砂漿強度的影響

按對照組配合比，摻入3種不同量的活性化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行正交試驗，結(jié)果見表2。

表2 正交設(shè)計試驗結(jié)果

由表2可知，1～6組抗壓強度均有顯著提高，較試驗組強度增幅分別為108%、112%、96.5%、110%、120%、106%，第5組性能最優(yōu)。抗折強度趨勢和抗壓強度趨勢大致相同。

酒石酸的摻入降低了水化放熱速率，可降低砂漿開裂風(fēng)險，同時還具有一定減水作用，對強度提高有促進(jìn)作用。硅酸鈉作為一種可溶性硅酸鹽，能水解生成硅酸根離子，而硅酸根離子本身具有良好滲透性，能在毛細(xì)孔中發(fā)生反應(yīng):。硅酸鈉浸漬材料后滲入縫隙和孔隙中，固化的硅凝膠可堵塞毛細(xì)孔通道，提高材料的密度和強度，從而提高材料抗折及抗壓強度。氯化鈣對水泥水化起催化作用，促使氫氧化鈣濃度降低，因而在加速C3A水化的同時，氯化鈣中的Ca2＋吸附在水化硅酸鈣表面，生成復(fù)合水化硅酸鹽。三種活性物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物和砂漿緊密結(jié)合成為一個整體，堵塞液體進(jìn)入通道，使砂漿結(jié)構(gòu)密實度提高，進(jìn)而改善抗壓強度。

由表3可知，影響7 d強度的因素主次順序為:酒石酸＞無水氯化鈣＞硅酸鈉，且3因素中以酒石酸對7 d強度影響最大。表2中7、8、9組7 d強度要明顯低于前6組7 d強度，原因為酒石酸雖在本試驗中作為絡(luò)合劑使用，但其同時也是一種緩凝劑，且緩凝效果較強，加量需嚴(yán)格控制，當(dāng)摻量達(dá)到0.5%時，緩凝效果較為顯著，可大幅抑制水泥水化過程，造成砂漿7 d強度很低，無法滿足實際施工需要，所以在表2的28 d測試結(jié)果未列出。影響28 d抗折強度的因素主次順序為:硅酸鈉＞氯化鈣＞酒石酸，對于抗壓強度活性物質(zhì)的影響順序為:硅酸鈉＞酒石酸＞氯化鈣[8]。

表3 7 d及28 d強度正交分析結(jié)果

從趨勢可以看出，28 d抗壓強度和抗折強度隨因素A摻量增加而增加，其最佳摻量為0.3%。因素B對抗折、抗壓強度的影響隨摻量增加先增加后降低，水平1到水平2變化比水平2到水平3變化略小，水平2可作為其最佳選擇；同時因素C對抗折、抗壓強度的影響呈逐漸增大到逐漸減小的過程，在水平2有個明顯最大值，因此，因素C的最佳摻量可以選擇水平2，即2%。綜上，防水劑最佳配方為酒石酸摻量0.3%＋硅酸鈉摻量2%＋氯化鈣摻量2%。

3.2.2 活性物質(zhì)對抗?jié)B性能的影響

對摻有活性物質(zhì)的砂漿進(jìn)行透水試驗，結(jié)果見表4。

表4 抗?jié)B性測試結(jié)果

由表4可以看出，摻有活性物質(zhì)的砂漿比空白砂漿抗?jié)B能力均有所提高?；钚晕镔|(zhì)雖摻量較少，但減水作用顯著，使砂漿密實性得到改善，進(jìn)而提高了砂漿的抗?jié)B能力。

對試驗結(jié)果進(jìn)行正交分析，結(jié)果見表5。

表5 抗?jié)B性正交分析結(jié)果

活性物質(zhì)對砂漿抗?jié)B能力的影響順序為:硅酸鈉＞酒石酸＞氯化鈣。根據(jù)3因素對抗?jié)B壓力的影響可確定酒石酸摻量為0.3%，硅酸鈉摻量為2%，氯化鈣摻量為2%，與根據(jù)抗折、抗壓強度所確定的摻量相同。

參照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行二次抗?jié)B測試，基準(zhǔn)砂漿配合比為水泥∶標(biāo)準(zhǔn)砂∶水＝1∶3∶0.6，另一組基準(zhǔn)砂漿摻有0.3%酒石酸、2%硅酸鈉、2%氯化鈣，抗?jié)B測試結(jié)果如表6所示。試驗結(jié)果表明，最終確定的活性化學(xué)物質(zhì)最佳配比可使砂漿比普通砂漿抗?jié)B壓力提高30%，活性物質(zhì)對砂漿起到了二次抗?jié)B作用，并優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。

表6 最佳配比與基準(zhǔn)砂漿抗?jié)B結(jié)果對比

3.3 機(jī)理與微觀分析

對試樣進(jìn)行SEM微觀分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 三種試樣微觀結(jié)構(gòu)

從圖2a可看到明顯裂縫，未水化的水泥顆粒較多，并含有不連續(xù)生長的晶體，晶粒間空隙較大。圖2b與圖2a相比，未出現(xiàn)裂縫，未水化顆粒也隨之減少，孔隙率降低。由圖2c可看出，原未水化水泥顆粒在化學(xué)活性物質(zhì)的摻入下得以繼續(xù)水化，硅酸鈣凝膠含量明顯提升，晶體生長更加連續(xù)，并搭接良好，結(jié)構(gòu)密實性顯著增強。

砂漿防水有兩種工作原理:一是沉淀結(jié)晶原理，二是絡(luò)合沉淀原理[6]。沉淀結(jié)晶原理即活性物質(zhì)在濃度差壓力下進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成不溶于水的沉淀物質(zhì)，堵塞毛細(xì)孔和微裂縫，使結(jié)構(gòu)密實，提高抗?jié)B性能[7-8]，還可以阻止二氧化碳的進(jìn)入致使pH值降低，引起鋼筋銹蝕。

絡(luò)合沉淀反應(yīng)機(jī)理:能夠與鈣離子絡(luò)合的活性物質(zhì)遇水后被激活，迅速擴(kuò)散到水中，并在混凝土表面形成一個高濃度區(qū)，在濃度差的壓力下，活性物質(zhì)隨水滲透到混凝土內(nèi)部。活性物質(zhì)在遇到氫氧化鈣高濃度區(qū)時，與電離的鈣離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，生成易溶于水且不穩(wěn)定沉淀物質(zhì)，絡(luò)合物質(zhì)隨水繼續(xù)向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，由于其活性較高，在內(nèi)部遇到未水化的水泥后，鋁酸根離子及硅酸根離子取代活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而將氫氧化鈣轉(zhuǎn)化為有利于混凝土強度的結(jié)晶物質(zhì)，填充混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和微裂縫。而活性物質(zhì)重新轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂苫S水遷移并再次回到休眠狀態(tài)，等下次滲水時重復(fù)上述過程[9]。

綜上可知:混凝土處于干燥狀態(tài)時，由于缺乏擴(kuò)散介質(zhì)，該物質(zhì)處于休眠狀態(tài)；有水滲透時，活性物質(zhì)會被激活并發(fā)生絡(luò)合結(jié)晶反應(yīng)，堵塞裂縫使結(jié)構(gòu)致密，并進(jìn)入循環(huán)過程，再次實現(xiàn)修復(fù)功能?？梢?，該種防水材料具永久防水功能[10-12]。

4 結(jié)論

為研制出性能良好的水泥基滲透結(jié)晶型防水砂漿，本文全部試驗均圍繞配制、優(yōu)化防水砂漿配方及其性能測試進(jìn)行。通過試驗分析得出以下結(jié)論:

(1)用粉煤灰和硅灰代替部分水泥后，同樣滿足抗?jié)B要求，并且提高了抗折、抗壓強度。

(2)在摻入粉煤灰和硅灰的砂漿基礎(chǔ)上，又摻入化學(xué)活性物質(zhì)可進(jìn)一步提高其抗?jié)B壓力，利用正交設(shè)計對防水砂漿組分進(jìn)行配方設(shè)計，并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，得到水泥基滲透結(jié)晶型防水砂漿的最佳配方。其中滲透結(jié)晶母料質(zhì)量占膠凝材料質(zhì)量的最佳比例為:酒石酸0.3%、硅酸鈉2%、氯化鈣2%。

(3)對防水砂漿防水機(jī)理進(jìn)行探討，防水砂漿一方面通過減孔措施提高密實度，另一方面活性物質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物生成結(jié)晶沉淀，或絡(luò)合劑在水作用下進(jìn)入水泥內(nèi)部后被其他物質(zhì)替代，并且生成沉淀物，亦可提高密實度，從而抗?jié)B效果得以提高。