水泥基渗透结晶型防水材料的正交优化及抗渗性能研究

时间：2024-08-31

鲁宗平，李海斌

(1.安徽省水利水电勘测设计院工程质量检测所，安徽合肥 230001；2.安徽建筑大学材料与化学工程学院，安徽合肥230601)

0 引言

水泥基渗透结晶型防水材料(CCCM)通过添加活性化学物质为辅料，以水泥和石英砂等为基材制备而成的一种新型刚性防水材料[1]。其在隧道渗漏水治理[2]、油井水泥基微裂缝自修复[3]、地下室墙体混凝土裂缝堵塞[4]等方面已被广泛应用。因此，有必要不断开发水泥基渗透结晶型防水材料来优化其抗渗性能。

目前，李兴旺等[5]通过水泥、石英砂与活性物质、络合剂、活性助剂进行配合，以均匀设计实验法优化了涂料的基本配比，从而研制出了LG水泥基渗透结晶型防水涂料。光鉴淼等[6]以硅酸盐水泥和高炉矿渣为主要原料，辅以硅灰、甲基硅酸钠和水玻璃为硅源，以可再分散性乳胶粉来改善其粘结性，制备了复合型水泥基渗透结晶型防水涂料。刘伟生等[7]采用正交试验法研究了基准水泥砂浆抗渗性能与不同掺量氢氧化钙、甲酸钙、碳酸钠和氧化镁对间的关系，其中影响最大的是甲酸钙(晶体生长剂)和氢氧化钙(钙离子补偿剂)。基于现有研究报道，开展CCCM配比优化的研究具有实际应用价值。

该研究通过正交试验法对组合选取的五种活性物质，从而优化原料的基本配方，并对该材料的抗渗性能进行测试，以期通过试验分析获得该CCCM的最佳配比。

1 实验方法

1.1 原料

该研究制备的基准试块由水泥、普通河砂、石灰石碎石(最大粒径40 mm)组成。水泥基渗透结晶型防水材料主要原料由酒石酸(A)、碳酸钠(B)、硅酸钠(C)、羧甲基纤维素钠(D)、氟硅酸镁(E)、水泥、石英砂组成。其中，水泥为巢东东关水泥厂生产的P.O.32.5水泥，石英砂通过0.315 mm方孔筛筛分(最小粒径为0.16 mm)，实验用水为可饮用自来水。

1.2 基准试块的制备

按照GBJ 82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中规定，抗渗试验采用顶面直径为175 mm，底面直径为185 mm，高度为150 mm的圆台体试件，基准试块成型后1d后脱模备用。表1为基准试块的配合比，试块的一次及二次抗渗压力均为0.1 MPa。

表1 基准砂浆试块配合比

1.3 CCCM的制备

按照一定比例称量制备的原料，按照干粉料与水1:0.4的质量比混合均匀，即得到该水泥基渗透结晶型防水材料。

1.4 试块的涂刷及养护

备用基准试块表面去除浮浆后，将水泥基渗透结晶型防水材料1.0 kg/m2用量涂于试块顶面，在养护室内养护至7d后取出晾干后密封加压。

1.5 抗渗性能测试

抗渗性能测试按照JC 474-2008规定进行，将养护的试块在试验前1天将试件取出晾干，并在其侧面涂上石蜡密封，压入试件套后装上抗渗仪进行测试。试验初始水压为0.1 MPa，加压后保压1小时，若未出现渗水现象后每隔1小时再加压0.1 MPa，每组6块直到第2块试件渗水时为止，则此时的压力值记录为该组试件的抗渗压力，对所有试件再次养护7天后测试二次抗渗性能。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

将水泥和石英砂的量分别固定为55份、25份，考察单因素对试块抗渗性的影响结果如图1所示。随因素A用量增加，涂层试件的一次和二次抗渗性能都呈现出先增加后减小的趋势。当因素A的用量较小(小于6份)时，可以明显地改善涂层试件的抗渗性能和自修复性能，当因素A用量超过一定量(即为6份)时，涂层试件的抗渗性能降低，因素A的最佳掺量即为6份。由于CCCW的主要工作原理是材料中的活性物质通过渗水、离子浓度梯度或混凝土正常的毛细作用进入混凝土内部[8]。其中，水作为CCCW渗透的必要条件，当CCCW中活性物质处于干燥状态时，则会因失活而处于休眠状态。当CCCW吸水后活性物质的活性将得到恢复，其所具有的二次活性将继续产生作用，所以二次抗渗性能比一次抗渗性能均有提高[9]。因素B在用量为2份时，可能一次抗渗中的作用没有得到完全发挥，被水击穿后由于水分的大量渗入使因素B的作用发挥到最好，因而二次抗渗性能则在用量为2份时达到最佳。由于短时间内B因素材料未能渗透进入混凝土内部，其结晶过程难以实现，并且在涂层内的结晶易使表层混凝土密实，从而对混凝土内部的水化反应构成影响，尤其容易抑制混凝土内外的温湿交换[10]。

因素C的变化使一次和二次抗渗性能呈先升高后减小再增加的趋势，在用量为1时效果达到最佳。因素D对涂层试件一次抗渗性能的影响不显著，用量为1份时的效果与用量为2份时相同，增加用量时则抗渗性能下降。通过二次抗渗性能测试可知用量为2份时效果最佳，原因可能是开始时水的渗入量较少，活性物质未能很好地渗入到孔隙中形成结晶而堵塞毛细孔，当试件被水击穿后，活性物质作用才得到充分发挥，修复被水穿过的路径，更好地堵塞了毛细孔，但用量过多则产生不利影响。因素E对涂层试件一次和二次抗渗性能的影响趋势相同，即随因素E用量的增加呈现先升高后降低变化，在用量为3份时都出现了最大值，可以认为因素E的最佳用量为3份。基于各单因素性能的考察，难以获得五种活性物质的综合作用效果，需要采用正交试验法优化该水泥基渗透结晶型防水材料的基本配比。

图1 单因素对抗渗性能的影响

2.2 正交实验分析

根据单因素抗渗性能的分析，能够对正交试验因素水平范围进行确定，如表2所示。

因为各影响因素的实验水平数为16，所以选用16水平的正交试验表。通常设计表写为L16(45)，采用表格中配比试验获得的结果如表3所示。

表2 正交试验因素水平

表3 正交试验结果[L16(45)]

采用逐步回归分析法对表3中数据进行优化分析，数据选用EViews软件对影响因素和一次抗渗和二次抗渗能力予以处理。其p值(自变量的显著性检验指标)如表4所示，P值均大于0.05，即均未通过变量的显著性检验，所以影响因素对一次抗渗能力和二次抗渗能力结果影响不显著。可能是影响因素对抗渗能力的影响不是简单的统计学关系，而是涉及复杂的化学反应。

表4 EViews软件计算的P值

因此，优先根据表3中一次抗渗性能结果计算K 和 R，其结果为 RB＞RA、RE＞RC＞RD，说明影响抗渗性能的最主要因素是碳酸钠，其次是酒石酸和氟硅酸镁。原因是碳酸钠与Ca2+直接反应生成不溶性沉淀，并且易受到水溶液分散后的影响最为显著[11]。至于性能酒石酸和氟硅酸镁，对一次抗渗性能影响相同，则通过二次抗渗性能结果计算结果判断(即为RA＞RE)，由于酒石酸能够增加浆体的流动性，有利于堵塞基准试块内部的细小缝隙[12]。氟硅酸镁则在材料中具有渗透、成膜双功效，从而能够强化水泥基材料表面性能[13]。综合计算抗渗性能影响的大小顺序为RB＞RA＞RE＞RC＞RD。比较各因素不同水平的平均效果值，可以确定制备该材料的最佳条件组合为A6B2C1D2E3，即酒石酸(6份)、碳酸钠(2份)、硅酸钠(1份)、羧甲基纤维素钠(2份)、氟硅酸镁(3 份)、水泥(55 份)、石英砂(25 份)时的抗渗性能最佳。

2.3 抗渗性能评价

至于CCCW的抗渗能力的评价，通过涂层抗渗能力(特别是一次抗渗能力)来单一判断，其实际意义并不大。由于混凝土被击穿或出现细小裂缝后，包括表面活性剂、活性成分、络合催化剂等在内的活性物质，将富集在混凝土的空隙中，从而为化学反应提供动力，有利于再次形成不溶性结晶[14]。因此，为了对CCCW的二次抗渗能力进行客观评价，基准试件应与其进行同龄期对比试验[15]。通过配比优化后的材料与某市售材料作抗渗性能对比结果如图2所示，该研究获得的抗渗性能结果明显优于某市售材料。