绿色建筑材料裂缝自修复研究

2018-09-01张军学ZHANGJunxue

住宅科技 2018年7期

■ 张军学 ZHANG Junxue

1 背景介绍

自水泥发明以来，建筑材料在建筑业中就扮演着重要的角色，但是由于水泥基材料的温度变化、湿度变化、收缩、膨胀、不均匀沉陷、外荷载等原因，均会导致水泥基材料产生各种形式的裂缝，裂纹的出现会极大地降低材料的抗渗性能和力学性能[1-5]。因此，为了延长建筑物的使用寿命，避免由水泥基材料裂缝所带来的损失，对水泥基材料裂纹的修复成为当前亟待解决的问题[6]。

传统的被动修补是之前的主要选择，但是传统的事后修补方案，由于其本身的局限性和高昂的代价，已经不能满足当前的需要。通过加入特殊组分的方法在理论上虽然可行，但是在实际应用中又有诸多的限制条件，仍有待进一步的研究[7-8]。因此，需要一种高效、经济、可行的修复方案来解决当前的问题[9-10]。

自动修复技术由于种种限制无法实现或者修复效果不佳，本文为了弥补传统的被动修复方法缺陷，提高修复水平，采用正交分析的方法进行自动修复材料技术的研究。选取6种原料，进行正交实验的优化处理，同时，对各种力学性能和微观结构及成分进行分析，综合评估自动修复材料的效果，为解决建筑裂缝问题提供补充和技术支撑。

2 实验

2.1 实验原材料

原料有6种，分别为：助剂A、硫铝酸盐水泥B、硅酸盐水泥C、氢氧化钙D、活性剂E、石英砂等。

2.2 试验方法及测试标准

按照标准试件制作样品，分组养护后，进行涂料涂抹，涂抹比例为每块6g。试块规格为4cm×4cm×4cm。测试种类有抗压强度、抗渗程度、黏结程度等测试指标。

基本性能测试参考《水泥基渗透结晶型防水材料》（GB18445－2001），抗渗性能参考JC474的标准。

3 试验结果与分析

3.1 最佳试验方案筛选

正交实验根据试件的早期性能（凝结时间、抗压强度、抗渗强度和黏结强度）进行设计，具体设计细节见表1。

3.2 第一阶段防水材料的性能测试及配方优化

表2为第一轮优化的正交实验相关数据。

3.3 不同组分对凝结时间的影响

根据图1和图2可知，助剂对初凝和终凝时间的影响有限，都为先升高，再降低；硫铝酸盐水泥对初凝时间和终凝时间影响明显，在掺入量为40%时，初凝和终凝时间都为最小；图3、图4和图5分别为普通硅酸盐水泥、Ca(OH)2、活性剂对凝结时间的影响，总体上对凝结时间影响不大，初凝和终凝时间变化规律类似。基于以上图1～5的分析，硫铝酸盐水泥对初凝时间和终凝时间影响最为明显，其它成分对凝结时间影响不大。

3.4 不同组分对抗渗性能的影响

图6～10为不同掺量的助剂、硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、Ca(OH)2、活性剂对抗渗压力的影响。助剂和硫铝酸盐水泥影响不大，基本对抗渗压力保持不变的趋势；普通硅酸盐水泥的掺量对抗渗压力有着周期性的影响，影响幅度为0.9～1.0MPa。Ca(OH)2对抗渗压力有负面影响，随着掺量的增加，抗渗压力逐渐减小；活性剂对抗渗压力的影响是积极的，活性剂的增加导致抗渗性能的提升。

表1 组分配比正交优化方案1

图1 助剂对凝结时间的影响

图2 硫铝酸盐水泥对凝结时间的影响

图3 普通硅酸盐水泥对凝结时间的影响

图4 Ca(OH)2对凝结时间的影响

图5 活性剂对凝结时间的影响

图6 助剂对抗渗压力的影响

3.5 不同组分对试件抗压强度的影响

图11～15为各组分对抗压强度的影响。助剂的最佳掺量约为4%；硫铝酸盐水泥对抗压强度的影响是周期性的，40%左右是最佳值；普通硅酸盐水泥对抗压强度的影响同样为周期性，最佳比重约30%上下；Ca(OH)2对抗压强度的影响是先升高再降低，在掺量为3%时为最佳；活性剂则是呈现不断提升的影响，最佳量初步估计为1.5%。

3.6 不同组分对试件黏结强度的影响

助剂对黏结强度影响最佳掺量为4%，见图16；硫铝酸盐水泥对黏结强度的影响为先增强再降低，最佳掺量约为40%；普通硅酸盐水泥对黏结强度的影响随着比重增加而加大，相关影响需要进一步验证；Ca(OH)2对黏结强度起消极作用，掺量越多，黏结强度越低；活性剂的比重越高，效果越明显，但考虑到成本问题，需要确定1.5%为最佳添加量（图17～20）。

图7 硫铝酸盐水泥对抗渗压力的影响

图8 普通硅酸盐水泥对抗渗压力的影响

图9 Ca(OH)2对抗渗压力的影响

图10 活性剂对抗渗压力的影响

图11 助剂对抗压强度的影响

图12 硫铝酸盐水泥对抗压强度的影响

图13 普通硅酸盐水泥对抗压强度的影响

图14 Ca(OH)2对抗压强度的影响

图15 活性剂对抗压强度的影响

图16 助剂对黏结强度的影响

图17 硫铝酸盐水泥对黏结强度的影响

图18 普通硅酸盐水泥对黏结强度的影响

图19 Ca(OH)2对黏结强度的影响

图20 活性剂对黏结强度的影响

3.7 不同组分对试件性能的综合评价

通过各组分对凝结时间、抗渗、抗压、黏结强度等指标的分析，确定的初步方案为助剂4.5%，硫铝酸盐水泥43%，活性剂1.5%，此方案需要进一步优化验证。

3.8 第二轮最终方案确定

表2为选取地组配方进行二次优化处理配比表，目的为验证初步方案的配比。

通过表2的第二轮优化方案，可以看到优14的各项数据是最佳的，故最佳配比为：助剂5%，硫铝酸盐水泥42%，活性剂1.5%，普通硅酸盐水泥为34%。

3.9 试件的微观结构分析

通过对空白试件和处理试件的SEM观测，可得到微观图片，见图21和图22。

图21空白试件的孔隙很多，微观上分析容易造成水分子的渗透；图22加入修复剂后的SEM试件，结构发生明显变化，块状更多，孔隙显著减少，促进了材料的愈合效果。图23为裂缝处成分的XRD分析，得出填充物为氢氧化镁，起到了抗渗的效果。

4 结语

基于以上大量的正交实验，在凝结时间、抗渗、抗压以及黏结强度等各指标的分析基础上，研究得出：修复剂成分最优比例为助剂5%，硫铝酸盐水泥42%，活性剂1.5%，普通硅酸盐水泥34%；正交实验得出的最佳涂料配方，处理水泥空白试件后，抗渗性能超过1.5MPa，抗压强度超过45MPa；加入修复剂后的SEM试件，结构发生明显变化，块状更多，整体性更强，有助于改善渗透的作用，通过XRD分析得出填充物为氢氧化镁。