响应面法优化速凝型无机防水堵漏材料的配方研究

韩明虎 胡浩斌 张琪 武芸 张腊腊 李永锐

（1 陇东学院化学化工学院，甘肃 庆阳 745000；2 庆阳西庆涂料有限公司，甘肃 庆阳 745000）

防水堵漏材料是具有防潮、抗渗和堵漏功能的专用材料，在市政建设、国防军工、桥梁隧道、农业水利和交通运输等行业领域中需求日益广泛，其投入、研发和应用逐年增长，主要包括刚性堵漏、合成高分子、高聚物改性和溶剂改性型等多个品种[1-2]。其中，以优质特种水泥和砂石为原料生产的无机防水堵漏材料，因具有良好的耐水、耐高温、耐腐蚀、抗渗、抗裂及粘结等特性，成为一种施工简单、维修方便、稳定坚固且绿色环保的新型刚性材料，普遍应用于各种砖混建筑、公路和地下工程的堵漏修缮，受到了社会众多行业的广泛青睐[3-4]。

无机防水堵漏材料一般分速凝型和缓凝型两种，速凝型是以硫铝酸盐水泥为基料，硅酸盐水泥为填料，通过添加辅助材料调节凝结时间和强度，达到快速防水堵漏的功能材料[5-6]。硫铝酸盐水泥具有快硬早强、抗渗抗冻、结构致密和耐蚀低碱等优点，水化产物的填充和密实作用明显，但后期强度增长缓慢，容易出现倒缩现象。硅酸盐水泥强度发展稳定、水化热大、性能好且成本低，在各类材料中被广泛使用，但存在凝结时间过长、早期强度发展缓慢和结石率低等缺点，难以满足快速防水堵漏的应用要求[7-8]。有人尝试简单复配两种水泥获得综合性能优越的无机防水堵漏材料，但发现混合材料的粘接强度降低，抗渗性能较差[9-10]。同时，当前市场上的速凝型防水堵漏产品存在凝结时间不稳定、粘接强度低、耐久性差、施工复杂和适用范围窄等问题，而且快速防水堵漏功能均不理想，相关研究的文献报道较少[11]。

因此，本研究以快硬硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的混合体为基材，添加白砂作骨架，碳酸锂作促凝剂，在单因素试验的基础上，通过响应面法优化配方，制备一种性能稳定、成本低且无毒害的速凝型无机防水堵漏材料，使其凝结硬化快、粘接强度高且抗渗性能好，具有良好的工程应用价值。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

快硬硫铝酸盐水泥（R·SAC42.5）；普通硅酸盐水泥（P·O42.5R）；白砂（80～120目）；碳酸锂；生石灰；聚羧酸类减水剂（瑞士西卡产）；干粉型消泡剂（德固赛产）；石膏粉。以上原料均由庆阳西庆涂料有限公司提供，工业级。

电子天平（YP20002型），上海衡际科学仪器有限公司；电动漆膜附着力试验仪（QFD型），上海精胜科学仪器有限公司；分散砂磨机（SF智能型），上海贝微电机有限公司；砂浆凝结时间测定仪（ZKS-100型），沧州华韵实验仪器有限公司。

1.2 材料的制备

向料罐中加入一定量的R·SAC42.5和P·O42.5R，混合分散均匀后，依次加入适量的白砂、碳酸锂、生石灰、石膏、减水剂和消泡剂，高速搅拌均匀，包装备用。

1.3 配方的优化

1.3.1 单因素试验

保持生石灰1 g，石膏1 g，减水剂0.1 g，消泡剂0.15 g的用量不变，采用单因素试验分别考察R·SAC42.5、P·O42.5R、白砂和碳酸锂的用量对材料的凝结时间的影响。

1.3.2 响应面法

速凝型无机防水堵漏材料在工程应用中一般首先考虑凝结时间（初凝和终凝时间），凝结时间过短，将导致施工时间不够；凝结时间过长，材料的早起抗压和抗折强度下降，无法满足快速防水堵漏的功能。单因素试验结果表明，初凝时间和终凝时间变化趋势一致。因此，以初凝时间为评价指标，在单因素试验的基础上，进行响应面分析优化4种主要组分用量，确定材料的最优配方。

差额计税会计相关规定根据财会［2016］22号文，企业应增设应交税费——应交增值税（销项税额抵减）、应交税费——简易计税、应交税费——转让金融商品应交增值税三个相关明细科目，对增值税差额计税业务进行核算。具体会计处理为：

1.4 性能的测定

取适量制备的材料，按总质量的30%加入水，快速充分搅拌至均匀，按照《无机防水堵漏材料》（GB 23440-2009）对各项性能进行检测。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验分析

2.1.1 R·SAC42.5 用量对材料凝结时间的影响

保持P·O42.5R为40 g、白砂为35 g和碳酸锂为0.1 g，其它组分用量不变，考察R·SAC42.5用量为150 g、160 g、170 g、180 g、190 g和200 g时材料的初凝与终凝时间，结果见图1。

图1 R·SAC42.5用量对凝结时间的影响

由图1可见，随着R·SAC42.5用量的增加，材料的初凝和终凝时间均变短，当R·SAC42.5用量为180 g时，材料的初凝时间为2 min，终凝时间为6 min，凝结时间达到最小值。继续增加R·SAC42.5用量，凝结时间无变化，表明R·SAC42.5的早强、速凝和膨胀作用已达到最佳，过多的R·SAC42.5将会减弱材料后期强度，增加产品成本。因此，选择R·SAC42.5的最佳用量为180 g。

2.1.2 P·O42.5R 用 量对材料凝结时间的影响

保持R·SAC42.5为180 g、白砂为35 g和碳酸锂为0.1 g，其它组分用量不变，考察P·O42.5R用量为20 g、30 g、40 g、50 g、60 g和70 g时材料的初凝与终凝时间，结果见图2。

由图2可见，随着P·O42.5R用量的增加，材料的初凝与终凝时间均先减小后增大，当P·O42.5R用量为40 g时，材料的凝结时间最短。由于P·O42.5R作为水硬性胶凝填料，当添加量较少时，产品胶凝作用下降，水泥胶凝体形成速率降低，凝结时间变长；用量过多时将导致R·SAC42.5质量占比下降，早强速凝作用减弱。因此，选择P·O42.5R最佳用量为40 g。

图2 P·O42.5R用量对凝结时间的影响

保持R·SAC42.5为180 g、P·O42.5R为40 g和碳酸锂为0.1 g，其它组分用量不变，考察白砂用量为20 g、25 g、30 g、35 g和40 g时，材料的初凝与终凝时间，结果见图3。

图3 白砂用量对凝结时间的影响

由图3可见，随着白砂用量的增加，材料的初凝与终凝时间均先减小后增大，白砂为35 g时，材料凝结时间达到最短。白砂是具有增稠作用的填料，作为材料的填充和骨架，当用量较少时，水泥胶凝体凝聚网络形成过慢，材料强度较低，凝结时间较长；用量过多时，将导致材料在施工过程中出现黏度过高和强度下降的现象，而且凝结时间变长。因此，选择白砂的最佳用量为35 g。

2.1.4 碳酸锂用量对材料凝结时间的影响

保持R·SAC42.5为180 g、P·O42.5R为40 g和白砂为35 g，其它组分用量不变，考察碳酸锂用量为0.05 g、0.1g、0.15 g、0.2 g和0.25 g时，材料的初凝与终凝时间，结果见图4。

图4 碳酸锂用量对凝结时间的影响

表1 因素水平

表2 试验设计和结果

由图4可见，随着碳酸锂用量的增加，材料的凝结时间先减小后增大，碳酸锂为0.1g时，材料凝结时间最短。碳酸锂作为一种外加水泥促凝剂，当用量较少时，硫铝酸盐水泥水化速率低，水化产物钙矾石较少，对凝结的促进作用有限；用量过多时，钙矾石生成过快导致晶体粗大，在浆体中分布不均匀，形成多个薄弱点，导致材料强度降低，初凝和终凝时间增加。因此，选择碳酸锂的最佳用量为0.1g。

2.2 响应面法分析

在单因素试验的基础上，保持生石灰、石膏、减水剂和消泡剂等组分的用量不变，以R·SAC42.5用量（X1）、P·O42.5R用量（X2）、白砂用量（X3）和碳酸锂用量（X4）为影响因素，初凝时间（Y）为评价指标，进行响应面分析。因素水平见表1，设计结果见表2。

通过Design Expert 8.0.6软件对表2数据进行分析，得到回归方程为Y＝2.03－0.05X1＋0.05X2－0.067X3－0.13X4＋ 0.17X1X2－ 0.025X1X3＋ 0.1X1X4－0.075X2X3－0.1X2X4＋0.25X3X4＋0.29 X2 1＋0.39 X2 2＋0.16 X2 3＋0.29 X2 4。再进行方差分析，结果见表3。

表3 方差分析

由表3可见，X3、X4、X1X2、X1X4、X2X4、X3X4、X2 1、X2 2、X2 3、X2 4均呈极显著影响（P＜0.01），X1、X2、X2X3呈显著影响（P＜0.05），模型有极显著差异（P＜0.001），回归系数 R2为0.9746，校正系数 R2 adj为0.9449，表明模型相关度良好且拟合度理想，误差小；失拟项P＞0.05，表明模型预测值与实际值契合较好，可以用该模型进行分析和预测。

各因素交互作用的响应面图见图5，可得材料中4种主要组分的最佳用量：R·SAC42.5为180.73 g，P·O42.5R为39.59 g，白砂为35.28 g，碳酸锂为0.11 g，材料初凝时间为2.02 min。

图5 响应面图

2.3 验证试验

考虑实际操作的局限性，配方各组分的最佳用量修正为：R·SAC42.5为180 g，P·O42.5R为40 g，白砂为35 g，碳酸锂为0.1 g，生石灰1 g，石膏1 g，减水剂0.1 g，消泡剂0.15 g。进行3次重复试验，按总质量比2：1、4：1和8：1进行放大试验，材料的初凝时间（取平均值）分别为2.03 min、2.01 min和2.05 min，与理论值（2.02 min）接近，标准误差为0.02%，检测材料性能指标符合国家标准，表明该方法准确可靠。

2.4 材料的性能

制备的速凝型无机防水堵漏材料外观效果见图6。按1.4项对各项性能进行检测，结果如表4所示。

图6 材料外观图

表4 材料性能

由图6可见，材料为灰色固体粉末，外观状态良好。由表3可见，材料的各项性能完全符合国家标准（GB 23440-2009），凝结时间短，速率快，涂层平整光滑，质地坚硬，附着力强，而且稳定性、抗渗性、耐热性和耐冻性均达到生产和应用要求。市场上的无机防水堵漏材料初凝时间普遍在3.5～4.5 min，终凝时间在7.5～8.5 min，本产品在初凝时间为2 min，终凝时间为6 min，3 h的抗压强度达15.5 MPa，3 h的抗折强度达4.3 MPa，远优于国家标准和市场同类产品。

2.5 经济效益评价

本产品已由庆阳西庆涂料有限公司注册商标，于2016年12月开始生产、包装和销售。原料、水电、企业管理和工人工资等实际成本费用为26.75元，销售单价45元/箱（4袋/箱），截止2018年1月销售额为35.8万元，净利润约为14.5万元，在高速公路的修补和建筑防水堵漏上取得良好的应用效果和经济效益。

3 结语

1）其它组分用量不变，在单因素试验的基础上，采用响应面法优化材料配方，经回归分析确定材料的最优配方：快硬硫铝酸盐水泥180g，普通硅酸盐水泥 40g，白砂35g，碳酸锂0.1g，测得材料初凝时间为2min，终凝时间为6 min，抗压强度为15.5MPa（3h），抗折强度为4.3 MPa（3h）。

2）配方具有原料丰富、成本低廉、操作简单、施工方便和绿色环保等特点，制备的材料凝结时间短、速率快、强度稳定和防水抗渗性能良好，其性能完全符合国家标准要求，有较好的市场应用前景。

3）产品在高速公路、建筑、地下防水工程的修葺中效果显著，产生了一定的经济效益，还可用于人防工程、涵洞、地铁和电缆沟的防水、抗渗及抢修。