水泥基渗透结晶型防水材料的制备及性能研究

翟红侠，谷周顺，荆喆

(安徽建筑大学 材料与化学工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

混凝土抗渗性问题一直是混凝土材料领域研究重点。混凝土渗漏原因多是由于混凝土裂缝出现，形成渗透的通道引起的[1-3]。传统防水材料的使用寿命短，防水持久性差，在工程应用中修复成本高。水泥基渗透结晶型防水材料中的活性化学物质能够与水泥发生反应，生成结晶体，渗透到孔隙内，使其结构更为密实。反应的前提是在有水的情况下，且活性化学物质更多是在反应中起催化作用，这就实现了防水的自我修复和持久防水的性能。这种自修复性能刚好可以弥补传统防水材料的劣势[4-6]。目前，我国对水泥基渗透结晶材料的研究比较多，大都停留在试验阶段，缺少对其作用机理的研究。因此，课题组在自主研发出一种新型水泥基渗透结晶型防水材料的基础上，进行深入的机理分析，为其更广泛的应用市场提供理论支持。

1 试验原材料及方法

1.1 原材料

(1)活性母料:自制，由为沉淀结晶提供SiO32-化合物、促进水泥水化的物质、钙离子补偿剂、晶体生长剂以及膨胀组分等组成；

(3)砂:ISO标准砂；

(4)水:满足国标的自来水。

1.2 试验方法

为获得防水效果更佳的防水材料，母料的研制是关键，本研究采用正交试验设计方法，对初步配合比进行优化。其中，母料的初步配合比为:碳酸镁钙为13%，硅酸钠为6%，硫酸钠为64%，活性物B为7%，其它助剂为10%。根据抗渗试验要求，以水泥:砂:水:纤维素醚=330:1300:260:0.5的质量比，制备抗渗试件，以六个为一组，每次成型三组，分别作为基准砂浆组、带涂层砂浆组和去除涂层砂浆组，标准养护28天；并根据GB18445-2012水泥基渗透结晶防水材料对防水母料的各项性能进行检测，最后把带涂层的水泥净浆试件养护28天，选取距离涂层表面5 mm和20 mm深处的水泥净浆试块，放入80℃烘干箱中烘干后做SEM扫描电镜分析。

2 结果与分析

2.1 正交试验结果与分析

依据正交试验设计方法，各因素水平见表1[7]。

通过正交试验设计表制备九组防水母料，并满足一定的细度要求。在防水母料中掺入一定比例的水泥和砂，制成水泥基渗透结晶型防水材料。其中，防水母料总量占水泥基渗透结晶型防水材料质量的8%。a1至a9组试验中，先根据每组涂刷量确定母料的总质量，再根据各活性物质占母料总量的百分比(换算后百分比)确定各活性物质的含量。百分比换算原则为对每组母料配置中的四个活性物质百分比进行等倍数放大或者缩小，使其四者之和为100%，这样既能保证每组母料总量保持不变，又能控制母料中各活性物质比例与换算前一致。水泥基渗透结晶型防水材料的抗渗试验结果见表2。其中空白组试件的28d抗渗压力值为0.3 MPa。

表1 试验因素水平表

对正交试验结果有直观分析法和方差分析法两种处理方法。直观分析法，又称极差法，通俗易懂，使用广泛，本文选用直观分析法。由正交试验结果得出的直观分析表见表3。

通过正交试验直观分析表，得出对防水产生影响的因素从大到小为:碳酸镁钙、硅酸钠、活性物B、硫酸钠，并且与试件是否带涂层无关。带涂层试件的防水最优方案为A2B1C1D2，去除涂层试件的防水最优方案为A2B1C1D2或A2B1C2D2。由分析可知，A2B1C1D2为母料的最优组合，其配合比为:碳酸镁钙为13%，硫酸钠为42%，硅酸钠为3%，活性物B为7%，其它助剂为10%。

2.2 防水材料性能检测

依据《水泥基渗透结晶型防水材料》(GB18445-2012)对研制的水泥基渗透结晶型防水材料Z进行各项性能分析，检测结果见表4。

首先，枣树开甲后，若甲口愈合较晚，并内有虫粪，可清理后喷一次48%毒死蜱400倍液，晾晒1 d，将报纸缚在甲口上，再用胶带或塑料膜条封闭，一般7 d可愈合，愈合后17：00左右可把膜去掉，留下报纸；若未愈合期间，遇雨水淋湿报纸，可天晴后把甲口包裹物去掉，晾干甲口，次日可用报纸及胶带封闭，促使其愈合。其次，甲口已愈合，树势较弱，甲口不需特殊处理。最后，甲口过早愈合，且树势偏旺，可在主枝进行窄环剥（0.5 cm），或间隔7～10 d连割数次，防止幼果脱落［1］。

在防水材料上述性能满足国家规范的基础上，对其抗渗性能进行试验研究。从市场销售业绩较好的进口母料中选择三种产品，分别简称为S1、S2、S3，以及自主研发的防水母料Z，制备抗渗试件，并进行抗渗试验。砂浆抗渗试验结果见表5。

从测试结果可以看出，研制的和市售防水材料的抗渗压力均符合国标要求，并且自制防水材料的抗渗性能优于市售产品。

表2 抗渗试验结果

表3 正交试验直观分析表

表4 防水材料性能检测

表5 砂浆抗渗试验结果

3 龄期试验

考虑到不同龄期的砂浆水化程度不同，在涂刷水泥基渗透结晶型防水材料时，会产生不同的防水效果。本试验以质量吸水率为指标，对不同龄期涂刷防水母料的试件进行了研究。

3.1 试验过程

以m水:m灰:m砂=0.6:1:3比例称量，制备基体试件，并按标准条件养护，分成两大组，在3d、7d、14d、28d龄期分别涂刷S1母料和Z母料，并测定规定龄期的质量吸水率。把试件养护到56 d龄期后，放入80℃烘干箱中烘干。待烘干试件冷却到室温后，称取烘干后质量，用石蜡对吸水面垂直的四个侧面进行密封，然后将试件吸水面朝下横向浸没四分之一在水中，分别于 0.25、0.5、1、2、4、8、12、24、48、72、96、120 h 时测试件的吸水量。吸水率为不同时刻的吸水量与空白试块120 h吸水量的百分比[8]。

3.2 试验结果与分析

S1与Z试样吸水率试验结果如图1、图2所示。

图1 Z试样吸水率试验结果

图2 S1试样吸水率试验结果

对于不同龄期的基体试件，涂刷S1、Z试样，其中3d龄期试件防水效果最好。这可能是因为前期的水泥更能充分与防水材料中的活性成分充分反应，生成更多晶体，更加密实。并且无论试件处于哪个龄期，Z试件吸水率总是小于S1，这也说明了研制的防水材料防水效果优于市场销售的。

4 防水机理探讨

4.1 X射线衍射分析

将Z、S1试件分别涂刷在3d龄期的水泥净浆试件表面，分别制成M基体、F基体，还有未涂刷的空白基体。养护28d后，相对于空白基体，M基体、F基体表面出现了白色晶体，如果把表面的白色晶体去除，将试件放于干燥的环境中养护一段时间，则不会出现白色晶体，把试件重新放入水中养护(完全浸没在水中)，过一段时间后，又会出现白色晶体生成，这表明母料中活性物质需要在有水情况下才会渗透结晶。因为在干燥和饱和水下，碳化反应几乎终止，可以排除试件碳化反应产生的晶体可能。取下白色晶体，烘干后研磨成粉，进行X射线衍射分析。分析结果见图3。尖锐的衍射峰主要为碳酸钙，结晶度很高，表明基体表面的白色晶体物质为碳酸钙。关于反应生成的碳酸钙白色晶体，推测是碳酸镁钙复盐在激发剂作用下产生碳酸根离子、钙离子和镁离子，碳酸根离子与水泥中钙离子反应而变成碳酸根晶体；镁离子与氢氧根离子也容易结合产生晶体，这些产物都会对水泥基孔结构起到填充作用。

图3 晶体生成物的XRD谱图

4.2SEM分析

利用SEM观察空白基体、Z试件(自制)、S1试件(市售)表面内5 mm、20 mm处水化28 d的结构。

考虑到扫描电镜只能做表面处理，为了探究水泥基渗透结晶型防水材料的渗透深度影响，选定了5 mm深和20 mm深的不同模具，通过观察涂刷防水材料的对面，分析防水材料的渗透深度影响。水泥砂浆中砂在其中起填充作用，并不参与实质反应，试验采用以水泥净浆代替水泥砂浆成型试件，来提高扫描电镜取样的准确性和代表性。观察结果如图4所示。

4.3 结果分析

图(4a)、(4b)中，存在大量的裂缝和孔隙，无枝蔓状晶体，大多是水化硅酸钙凝胶和少量氢氧化钙晶体，并且图(4a)试样更加致密。图(4c)、(4d)比图(4a)、(4b)存在更多的枝蔓状晶体，更加密实，这要归因于防水材料中活性成分与水泥水化产物的相互反应。图(4e)比(4f)的晶体多，但都没有(4c)、(4d)的密实。不过，也存在着大量的枝蔓状结晶体。

自主研发的防水材料Z中的碳酸镁钙随水渗入到混凝土内部，与其中的钙离子生成碳酸钙晶体。氢氧化钙、水化铝酸钙等水泥水化产物可与防水母料中的硫酸根离子反应，形成不溶性的硫酸钙和钙矾石结晶体。并且，防水母料中的硅酸根离子可以渗透入基体，和钙离子反应生成硅酸钙结晶体。活性物B起到催化作用，不参与真正反应，当渗透到基体内部后，可与钙离子结合成易溶于水的络合物，如此循环下去，活性物B为永久防水提供了条件。因此，研制的水泥基渗透结晶型防水材料具有优良的防水性能[9]。

5 结论

(1)通过正交试验得出活性物质的防水效果影响因素大小为:碳酸镁钙＞硅酸钠＞活性物B＞硫酸钠，并且自配防水材料的最优配合比为:碳酸镁钙为13%，硫酸钠为42%，硅酸钠为3%，活性物B为7%，其它助剂为10%；自配防水材料的各项性能指标均满足国家相关规范，尤其砂浆试件(带涂层)28d抗渗压力比为400%，去除涂层的抗渗压力比为333%，均大于国标中抗渗压力比250%(带涂层)和 175%(去除涂层)。

(2)3d龄期的砂浆试样涂刷水泥基渗透结晶防水材料时的抗渗效果最好；距离防水材料涂层5 mm比20 mm处枝蔓状晶体多，

结构更密实。同时，5 mm和20 mm处相应渗透深度的砂浆致密程度自主研发防水材料最好。

(3)防水材料在渗透进砂浆试件时，其母料中的碳酸根离子、硫酸根离子、硅酸根离子等与水泥水化产物中的钙离子反应，生成结晶体和不溶物，堵塞砂浆试件的孔隙，使试件更为密实，达到更好的防水效果。