基于响应面法的综合抗渗自愈性能水泥基渗透结晶防水材料制备方案优化*

贺雄飞，黄 伟，张 浩，唐 刚

(1.广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室，广东 广州 511458；2.中铁隧道勘察设计研究院有限公司，广东 广州 511458；3.安徽工业大学 建筑工程学院，安徽 马鞍山 243032)

0 引言

随着我国经济的发展，大型建设项目越来越多，建设速度越来越快，对防水材料的功能性提出了更高要求。混凝土构件受荷载或环境温湿度变化等因素的影响，沿内部初始缺陷产生微裂缝，一旦与构件表面裂缝贯通，会对构件耐久性产生不利影响，严重恶化其服役性能[1]。传统的防水材料只能涂覆在混凝土构件表面，不能阻滞或修复混凝土构件产生的微裂缝和表面裂缝[2-3]。将渗透结晶技术用于防水材料，实现其为房屋建筑遮风避雨的同时，可有效阻滞与修复混凝土构件产生的微裂缝和表面裂缝，其中水泥基渗透结晶防水材料因其施工工艺简单、工作效率高、综合成本低[4]，已经成为防水工程领域的研究热点。

1942年德国化学家劳伦斯·杰逊在解决水泥船渗漏问题中首次使用了水泥基渗透结晶防水材料，其中活性物质是该防水材料的核心成分。20世纪60年代，水泥基渗透结晶防水材料在欧洲、日本获得进一步发展[5-6]。我国在20世纪80年代初引进了此类防水材料，并将其应用于上海的地铁工程中[7]。20世纪90年代中期，上海市地铁运营公司大量采用进口水泥基渗透结晶防水材料对地铁进行修补堵漏，效果良好，标志着该防水材料正式进入国内市场[8]。为了进一步适应国内市场的实际情况，目前普遍利用国外母料与国内辅料按照相关技术标准配制生产水泥基渗透结晶防水材料，实现了此类材料的半国产化[9-10]。

本研究以络合剂ES、无机硅助剂HS、无机防水剂GS和无机防水剂TS制备活性复合剂，基于响应面法研究水泥基渗透结晶防水材料中ES掺量、HS掺量、GS掺量、TS掺量4个因素对其综合抗渗自愈性能的影响，探讨各因素对水泥基渗透结晶防水材料综合抗渗自愈性能的影响规律，获得水泥基渗透结晶防水材料最佳制备方案，依据GB 18445-2012《水泥基渗透结晶型防水材料》测试优化其相关性能。研究成果对优化制备水泥基渗透结晶防水材料，提高其综合抗渗自愈性能具有一定的理论价值和实际意义。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

42.5普通硅酸盐水泥[ω(SO3)≤3.0%，ω(MgO)≤4.0%，ω(Cl-)≤0.04%，比表面积≥350 m2/kg，初凝时间≥45 min，终凝时间≤6 h，3 d抗压强度≥20 MPa，3 d抗折强度≥4 MPa，28 d抗压强度≥45 MPa，28 d抗折强度≥7MPa，安定性合格]，石灰石碎石(连续级配，粒径5～25 mm，含泥量0.3%)，中砂(细度模数2.6，含泥量<0.1%)，石英砂(细度70～140目)，实验用水为市政用水，络合剂ES，无机硅助剂HS，无机防水剂GS和无机防水剂TS。

1.2 实验仪器

ITM306型高精度抗渗仪，JY92-Ⅱ型超声波细胞破碎仪，YAW-300B微机控制全自动压力试验机，KZJ-5000-1型电动抗折试验机，LJ-2000/5000型电子拉力试验机。

1.3 实验方法

首先，将络合剂ES、无机硅助剂HS、无机防水剂GS和无机防水剂TS依次倒入超声波细胞破碎仪中，其超声波功率为600 W、超声时间为60 min，获得活性复合剂；将42.5普通硅酸盐水泥与石英砂按质量比3∶7进行复合，获得胶凝-骨架复合材料；然后将活性复合剂与胶凝-骨架复合材料进行复合，形成水泥基渗透结晶防水材料，其中络合剂ES、无机硅助剂HS、无机防水剂GS和无机防水剂TS的掺量以胶凝-骨架复合材料用量的质量百分比计算，即ES掺量为1.0%～2.0%、HS掺量为3.0%～7.0%、GS掺量为1.0%～2.0%，TS掺量为0.1%～0.2%。

其次，按每立方米混凝土用190 kg水、350 kg 42.5普通硅酸盐水泥、780 kg中砂、1 100 kg石灰石碎石进行混合，依据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》制备混凝土试件，其预养护温度为(20±3)℃，预养护时间为1 d。

最后，依据GB 18445-2012测试该防水材料对混凝土性能的影响，包括安定性、抗渗性能、抗折强度、抗压强度和湿基面黏结强度等。

1.4 响应面法设计

响应面法(Response Surface Methodology, RSM)是利用实验数据拟合因素与响应值之间的关系，以实现同时考虑多个因素来探寻最优影响值，并对响应值的各因素水平及其交互作用进行评价[11-12]。本研究以水泥基渗透结晶防水材料中活性复合剂的络合剂ES掺量、无机硅助剂HS掺量、无机防水剂GS掺量和无机防水剂TS掺量为影响因素，防水材料的抗渗自愈性能作为目标函数即响应值。4个影响因素的水平值见表1。

表1 响应面实验的因素及水平

2 结果与讨论

2.1 响应面模型方差分析

表2给出了响应面实验设计及结果。从表2可以看出，经水泥基渗透结晶防水材料处理后的混凝土，其一次抗渗压力(28 d)为1.31～1.51 MPa，二次抗渗压力(56 d)为1.01～1.24 MPa，说明水泥基渗透结晶防水材料不仅具有良好的抗渗性能，而且具有一定的自愈性能。由于一次抗渗压力与二次抗渗压力变化趋势存在不一致性，为了获得综合抗渗自愈性能优化的水泥基渗透结晶防水材料制备方案，需要对一次抗渗压力与二次抗渗压力作归一化处理：H1为一次抗渗压力(28 d)经归一化处理后的值；H2为二次抗渗压力(56 d)经归一化处理后的值；水泥基渗透结晶防水材料的综合抗渗自愈性能Z=H1+H2。

表2 响应面实验设计及结果

采用Design Expert 8.0对表 2中的络合剂ES掺量、无机硅助剂HS掺量、无机防水剂GS掺量、无机防水剂TS掺量和综合抗渗自愈性能Z进行分析，结果见表3。从表3可以看出，根据各因素的P值，可以获得各因素对响应值的显著性顺序为络合剂ES掺量>无机硅助剂HS掺量>无机防水剂TS掺量>无机防水剂GS掺量。该模型络合剂ES掺量、无机硅助剂HS掺量和无机防水剂TS掺量的P>0.05，且络合剂ES掺量与无机硅助剂HS掺量的P值较大，说明上述因素对水泥基渗透结晶防水材料的综合抗渗自愈性能影响显著。

表3 回归模型分析结果

2.2 响应面模型优化结果

利用响应优化器对表2中的响应变量即络合剂ES掺量、无机硅助剂HS掺量、无机防水剂GS掺量、无机防水剂TS掺量与综合抗渗自愈性能进行优化，得出：络合剂ES掺量为1.6%、无机硅助剂HS掺量为7.2%、无机防水剂GS掺量为0.9%、无机防水剂TS掺量为0.2%时制备的水泥基渗透结晶防水材料，其综合抗渗自愈性能响应值Y的合意性为1.000 0，表明此时该材料综合抗渗自愈性能最佳。

2.3 优化水泥基渗透结晶防水材料性能

在络合剂ES掺量为1.6%、无机硅助剂HS掺量为7.2%、无机防水剂GS掺量为0.9%和无机防水剂TS掺量为0.2%的条件下，依据1.3节的实验方法制备优化水泥基渗透结晶防水材料并测试其性能，结果见表4。

表4 优化水泥基渗透结晶防水材料性能

从表4可以看出：优化水泥基渗透结晶防水材料的一次抗渗压力(28 d)与混凝土二次抗渗压力(56 d)分别为1.50、1.22 MPa，其综合抗渗自愈性能为(1.50/1.51)+(1.22/1.24)=1.977 2，高于表2中29组水泥基渗透结晶防水材料的综合抗渗自愈性能；同时优化水泥基渗透结晶防水材料的安定性、凝结时间、抗压强度、抗折强度和湿基面黏结强度均优于GB 18445-2012的要求值，尤其是具有良好的湿基面黏结强度，可以增强水泥基渗透结晶防水材料涂层与新旧混凝土基面的黏结牢固度，并进一步增强综合抗渗自愈性能。

3 结论

以络合剂ES、无机硅助剂HS、无机防水剂GS和无机防水剂TS制备活性复合剂，基于响应面法研究了水泥基渗透结晶防水材料中各组分掺量对水泥基渗透结晶防水材料综合抗渗自愈性能的影响，依据GB 18445-2012测试优化其相关性能，得到以下主要结论：

a.水泥基渗透结晶防水材料中络合剂ES掺量、无机硅助剂HS掺量、无机防水剂GS掺量、无机防水剂TS掺量对综合抗渗自愈性能的显著性顺序为络合剂ES掺量>无机硅助剂HS掺量>无机防水剂TS掺量>无机防水剂GS掺量，其中络合剂ES掺量与无机硅助剂HS掺量的影响显著。

b.优化后的水泥基渗透结晶防水材料制备方案为：络合剂ES掺量1.6%、无机硅助剂HS掺量7.2%、无机防水剂GS掺量0.9%、无机防水剂TS掺量0.2%。

c.优化后的水泥基渗透结晶防水材料的初凝时间为95.0 min、终凝时间为5.5 h、7 d抗压强度为5.84 MPa、28 d抗压强度为7.26 MPa、7 d抗折强度为16.82 MPa、28 d抗折强度为23.64 MPa、湿基面黏结强度为2.12 MPa、一次抗渗压力(28 d)为1.50 MPa、二次抗渗压力(56 d)为1.22 MPa。