水泥基滲透結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任公司 山東濟南 250000)

1 前言

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

水泥基滲透結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、環保、永久防水等優點[2-3]。其與水作用后材料中含有的活性化學物質以水為載體在混凝土中滲透，與水泥水化產物生成不溶于水的針狀結晶體填塞毛細孔道和微細縫隙，使集料之間界面結合力得到增強，混凝土和砂漿內部微觀結構得以改善，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、微集料效應可以提升水泥基材料的致密性，并改善材料的微結構[5]。

制備一種水泥基滲透結晶型防水砂漿，研究水灰比及酒石酸、硅酸鈉、氯化鈣等活性化學物質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到降低成本和改善砂漿抗滲性能的目的[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有限公司生產的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 試驗標準

參照 GB/T 17617—2018、GB 18445—2012、JGJ/T 70—2009等標準進行相關測試。

2.3 正交試驗

本次試驗采用的活性物質為酒石酸、硅酸鈉、氯化鈣，確定3種水平進行正交試驗，結果見表1。

表1 活性物質摻量正交試驗結果

3 試驗結果與分析

3.1 礦物摻合料對砂漿強度及抗滲性的影響

3.1.1 礦物摻合料對砂漿強度的影響

基準砂漿空白組配合比為水泥∶砂∶水＝1∶3∶0.35。

基準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28 d強度數據，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，使整個砂漿結構顆粒級配更加連續、更為密實。其火山灰效應，在水化后期二次水化，減少界面過渡區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滲性的影響

通過空白組與對照組抗滲試驗可知，空白組抗滲壓力為3.7 MPa，對照組抗滲壓力為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生的氫氧化鈣進行“二次反應”，生成具有膠凝性能的水化鋁酸鈣、水化硅酸鈣。與水泥水化產物搭接，改善了砂漿界面，減少了過渡區，水化產物能填充水泥石的毛細孔，形成更為致密的微觀結構，降低了滲透性。另外，粉煤灰填充效應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措施。

顆粒極細的硅灰，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，硅粉與水化產物氫氧化鈣反應生成水化硅酸鈣凝膠，改善界面結構及粘結力，形成密實結構。

3.2 活性物質對砂漿強度及抗滲性能的影響

3.2.1 活性物質對砂漿強度的影響

按對照組配合比，摻入3種不同量的活性化學物質進行正交試驗，結果見表2。

表2 正交設計試驗結果

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?？拐蹚姸融厔莺涂箟簭姸融厔荽笾孪嗤?。

酒石酸的摻入降低了水化放熱速率，可降低砂漿開裂風險，同時還具有一定減水作用，對強度提高有促進作用。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，能在毛細孔中發生反應:。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，生成復合水化硅酸鹽。三種活性物質反應產物和砂漿緊密結合成為一個整體，堵塞液體進入通道，使砂漿結構密實度提高，進而改善抗壓強度。

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，加量需嚴格控制，當摻量達到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 活性物質對抗滲性能的影響

對摻有活性物質的砂漿進行透水試驗，結果見表4。

表4 抗滲性測試結果

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

對試驗結果進行正交分析，結果見表5。

表5 抗滲性正交分析結果

活性物質對砂漿抗滲能力的影響順序為:硅酸鈉＞酒石酸＞氯化鈣。根據3因素對抗滲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%，與根據抗折、抗壓強度所確定的摻量相同。

參照國家相關標準進行二次抗滲測試，基準砂漿配合比為水泥∶標準砂∶水＝1∶3∶0.6，另一組基準砂漿摻有0.3%酒石酸、2%硅酸鈉、2%氯化鈣，抗滲測試結果如表6所示。試驗結果表明，最終確定的活性化學物質最佳配比可使砂漿比普通砂漿抗滲壓力提高30%，活性物質對砂漿起到了二次抗滲作用，并優于國家標準。

表6 最佳配比與基準砂漿抗滲結果對比

3.3 機理與微觀分析

對試樣進行SEM微觀分析，結果如圖2所示。

圖2 三種試樣微觀結構

從圖2a可看到明顯裂縫，未水化的水泥顆粒較多，并含有不連續生長的晶體，晶粒間空隙較大。圖2b與圖2a相比，未出現裂縫，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活性物質的摻入下得以繼續水化，硅酸鈣凝膠含量明顯提升，晶體生長更加連續，并搭接良好，結構密實性顯著增強。

砂漿防水有兩種工作原理:一是沉淀結晶原理，二是絡合沉淀原理[6]。沉淀結晶原理即活性物質在濃度差壓力下進入混凝土內部，與氫氧化鈣發生化學反應生成不溶于水的沉淀物質，堵塞毛細孔和微裂縫，使結構密實，提高抗滲性能[7-8]，還可以阻止二氧化碳的進入致使pH值降低，引起鋼筋銹蝕。

絡合沉淀反應機理:能夠與鈣離子絡合的活性物質遇水后被激活，迅速擴散到水中，并在混凝土表面形成一個高濃度區，在濃度差的壓力下，活性物質隨水滲透到混凝土內部?；钚晕镔|在遇到氫氧化鈣高濃度區時，與電離的鈣離子發生絡合反應，生成易溶于水且不穩定沉淀物質，絡合物質隨水繼續向混凝土內部擴散，由于其活性較高，在內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發生反應，從而將氫氧化鈣轉化為有利于混凝土強度的結晶物質，填充混凝土內部結構和微裂縫。而活性物質重新轉變為自由基，隨水遷移并再次回到休眠狀態，等下次滲水時重復上述過程[9]。

綜上可知:混凝土處于干燥狀態時，由于缺乏擴散介質，該物質處于休眠狀態；有水滲透時，活性物質會被激活并發生絡合結晶反應，堵塞裂縫使結構致密，并進入循環過程，再次實現修復功能?？梢?，該種防水材料具永久防水功能[10-12]。

4 結論

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

(1)用粉煤灰和硅灰代替部分水泥后，同樣滿足抗滲要求，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上，又摻入化學活性物質可進一步提高其抗滲壓力，利用正交設計對防水砂漿組分進行配方設計，并對試驗結果進行分析，得到水泥基滲透結晶型防水砂漿的最佳配方。其中滲透結晶母料質量占膠凝材料質量的最佳比例為:酒石酸0.3%、硅酸鈉2%、氯化鈣2%。

(3)對防水砂漿防水機理進行探討，防水砂漿一方面通過減孔措施提高密實度，另一方面活性物質與水泥水化產物生成結晶沉淀，或絡合劑在水作用下進入水泥內部后被其他物質替代，并且生成沉淀物，亦可提高密實度，從而抗滲效果得以提高。