高聚物改性混凝土养生剂配方设计与优化

李 保

（山西交通控股集团有限公司 大同北高速公路分公司，山西 大同 037000）

0 引言

水泥混凝土是当今工程领域应用最广、用量最大的建筑材料，具有承载力强、耐久性好、材料来源丰富等诸多优点。其性能不仅与原材料、配合比相关，更与后期良好的养生措施密不可分[1-6]。

传统的养生方式主要包括：覆盖草帘湿布等吸水材料洒水养生、间歇洒水养生，存在耗水量大、费时费力、养生不彻底等问题[7]。

采用养生剂养生相对传统养生方式是一种新型高效的混凝土养生方式，发展时间较短但发展迅速。养生剂是一种喷涂或涂刷于混凝土表面，能在混凝土表面形成一层连续不透水的密闭养生薄膜的乳液或高分子溶液。养生剂薄膜使混凝土表面与空气隔绝，降低水分蒸发，从而使混凝土利用自身水分最大限度地完成水化作用，以保证混凝土达到养生效果。具有以下优点：节约水资源，适用于缺水地区；适用于混凝土构筑物的立面或结构复杂的部位；适用于不允许用水养生的地区：飞机场、跑道；节省盖草盖、浇水的物力和人力，降低成本；延长养生时间、提高混凝土后期强度及匀质性；可以避免干缩裂纹[8-10]。

目前在水泥混凝土施工过程中，养生剂并没有得到广泛的应用，其原因主要是养生剂产品性能较差。本文借助高聚物对养生剂进行改性，提高养生剂薄膜的韧性和与基底的黏接性能，改善养生剂薄膜的保水性能和与基底的黏附性能，防止薄膜开裂及剥落[11-13]。

目前市面销售的养生剂主要为改性石蜡基，具有成膜密实，保水性好的特点，但薄膜较脆，易破损，且黏附性较差，易与混凝土基材脱落，针对存在的问题，借助高聚物对养生剂进行改性，提高养生剂薄膜的韧性和与基底的黏接性能，从而使改性养生剂具备较好的养生效果。

1 试验材料及方案设计

1.1 试验原材料及养生剂制备

1.1.1 原材料

水性氧化聚乙烯蜡乳液、硅丙乳液为工业级，消泡剂、氟碳表面活性剂、增塑剂、成膜助剂为分析纯，去离子水。

1.1.2 养生剂的制备

先将水性氧化聚乙烯蜡乳液置于装有定量水的搅拌桶内使用搅拌机进行恒速搅拌，然后将消泡剂、氟碳表面活性剂、增塑剂、成膜助剂依次加入，搅拌机保持恒速搅拌，最后将硅丙乳液加入继续搅拌5～8 min。

1.2 养生剂配方及性能评价

1.2.1 正交表选取及水平设置

根据文献资料，初步制定养生剂的配方见表1。

表1 养生剂配方表 %

从正交表中选择L25（56），即6个因素，5个水平的表格，具体见表2。

表2 养生剂配方优化试验因素水平L25（56）

1.2.2 养生剂性能评价方法

根据正交试验确定最佳配方，主要评价方法有3项：有效保水率、抗压强度比和黏附性能，其中有效保水率和抗压强度比参考JT/T 522—2004《公路工程混凝土养护剂》规定的测试方法，黏附性能参考GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的划格试验》中规定的方法。试验中混凝土配合比：水泥用量400 kg/m3，水灰比0.4，砂率36%，养生剂喷涂量0.3 kg/m2。

2 试验结果分析及养生剂性能测试

2.1 试验结果分析

根据养生剂原理可知，有效保水率是养生剂成膜密封性优劣的重要指标，可通过抗压强度比进行评价，而JTT 522—2004《公路工程混凝土养护剂》中对养生剂的黏附性能及测试方法未做规定说明，因此养生剂的黏附性能测试采用GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》方法作为评价养生剂薄膜与基材的黏附性能评价方法。试验采用以上3项指标对养生剂性能进行综合评价，从而优选出最佳配方，表3为正交试验分析结果和对3项指标所进行的计算和分析。

表3 养生剂配方优化结果分析

采用直观分析法，计算六因素各自的1、2、3、4、5水平之和S，通过单一因素的水平之和与S进行对比，验证各因素水平计算的正确性，通过各因素极差R对各因素的重要性进行排序，极差愈大，说明单一因素条件下各水平对养生剂整体性能的影响愈重要。由计算结果可知，有效保水率各因素的重要性排序为D＞C＞B＞A＞F＞E，较优配方为A3B5C5D5E2F4；抗压强度比各因素的重要性排序为A＞D＞F＞B＞E＞C，较优配方为A2B2C3D1E2F1；黏附性各因素的重要性排序为B＞A＞C＞D=E=F，因C、D、E、F极差过小，各水平对结果影响不明显，因此优选配方只考虑A、B的水平影响。

本次试验中，各种原料从功能分类，A、B均为成膜组分，C、D、E、F为性能改善组分，因素A水性氧化聚乙烯蜡乳液对养生剂抗压强度比和黏附性均为主要因素，对有效保水率为非主要因素，但在不同水平条件下，测试数据差距很小，综合考虑取A2；因素B硅丙乳液对养生剂有效保水率和黏附性为主要因素，对抗压强度比为非主要因素，故取B5；因素C消泡剂和D氟碳表面活性剂对养生剂的有效保水率有显著作用，氟碳表面活性剂可有效提高养生剂的分散稳定性，提高养生剂薄膜的均匀性和密封性，搅拌过程和施工过程中会出现很多气泡，导致薄膜出现裂纹，从而使水分散失，降低养生效果，消泡剂的加入可显著降低气泡含量，综合考虑，取C5、D5；因素E增塑剂在三项指标中均为非重要因素，因此取E2；因素F成膜助剂只在抗压强度比指标中重要性排名稍微靠前，因此取F1，最后得出养生剂最佳配方为A2B5C5D5E2F1。

2.2 养生剂性能测试

按照最佳配方制备养生剂，然后进行性能测试，测试结果见表4。

表4 养生剂最佳配方性能测试结果

由表4可知，喷涂养生剂的试件与标准养生试件的7 d及28 d抗压强度比均为93.4%，远高于空气养生，说明高聚物改性养生剂可有效提高混凝土的强度，虽较标准养生方式略低，但施工便捷，可节约大量人力物力，尤其适用于取水不便地区及立面和形状复杂部位，保证了混凝土的养生质量。

2.3 工程验证

2.3.1 室外试验验证

为了验证室内试验开发的养生剂在室外养生的效果，在室外空旷环境进行了中试。如图1所示，首先现场拌和混凝土，填入模具后进行振捣、抹面，待混凝土泌水结束后采用薄膜养生、棉被养生、养生剂养生和空气养护4种不同的养生方式对混凝土进行养生，待28 d后进行钻芯取样，测试混凝土强度。

图1 室外试验流程图

28 d强度测试结果如表5所示，可见棉被补水养生方式最接近标准养生，养生效果最好，其次为养生剂养生，混凝土强度为棉被补水养生的92.36%，薄膜补水养生和空气养生效果均较差。经室外试验验证混凝土养生剂养生方式效果良好。

表5 室外不同养生方式混凝土强度对比 MPa

2.3.2 工程验证

依托晋蒙黄河大桥工程，在科村引桥右幅第七孔钢纤维桥面混凝土进行了实体工程喷涂试验，喷涂宽度13 m，喷涂长度35 m，共计455 m2，其余部位采用传统土工布覆盖洒水养生方式作为对比，见图2。

图2 不同养生方式对比图

考虑当天风速较大，项目组加大养生剂喷涂量，采用纵横两次喷涂，用量控制在0.35～0.40 kg/m2，喷涂28 d后，对养生效果进行了检测，结果显示，试验段与对比路段基本无差别，混凝土桥面外观质量良好，无裂缝出现。

3 结语

本文借助正交分析设计方法，以有效保水率、抗压强度比和黏附性能为评价指标，对养生剂配方进行了设计和优化，结论如下：

a）养生剂最佳配方为：水性氧化聚乙烯蜡乳液40%、硅丙乳液24%，消泡剂0.5%、氟碳表面活性剂0.05%、增塑剂0.7%、成膜助剂0.7%、去离子水34.05%。

b）氟碳表面活性剂和消泡剂对养生剂性能影响明显，在养生剂制备过程中应严格控制其加入量，保证养生剂性能稳定。

c）本项目开发的混凝土养生剂推荐用量为0.3 kg/m2，但施工时应根据天气及气候及时调整用量，建议采用纵横两次喷涂（涂刷），以保证成膜质量。