水泥基渗透结晶型防水涂料基准砂浆抗渗性能的研究

柯伟席，李国权，杨铁龙，孙奇超，孔金鸣，邹伟

（武汉源锦建材科技有限公司，湖北 武汉 430080）

0 前言

水泥基渗透结晶型防水涂料是以硅酸盐水泥、石英砂为主要成分，掺入一定量活性化学物质制成的粉状材料，经与水拌合后调成可刷涂或喷涂在水泥混凝土表面的浆料，亦可采用干撒压入未完全凝固的水泥混凝土表面，是一种新型的刚性防水材料。其作用机理是：与水作用后，材料中含有的活性化学物质以水为载体在混凝土中渗透，与水泥水化产物生成不溶于水的针状结晶体，填塞毛细孔道和微细缝隙，从而提高混凝土的致密性与防水性。

1942 年，德国化学家路易斯·杰逊为了解决水泥船渗漏的问题发明了水泥基渗透结晶型防水涂料，20 世纪60 年代在欧洲、北美和日本等得到了推广使用。20 世纪80 年代，在上海地铁修建中遇到多处工程水体渗透问题，当时引进了加拿大的水泥基渗透结晶型防水材料进行修复，取得了良好的防水效果，随后该材料在我国得到了大量的应用和推广[1]。

我国在调查研究与试验验证的基础上，颁布了GB 18445—2012《水泥基渗透结晶型防水材料》强制性国家标准，该标准中对水泥基渗透结晶型防水涂料规定了10 条技术性能指标，其中较关键的指标为抗渗性能。在GB 18445—2012 的7.2.8.4.2 中，要求基准砂浆28 d 抗渗压力应为MPa，若不符合要求，则本批3 组砂浆抗渗试验无效，应重新成型试件进行试验。因此，在研发和检测水泥基渗透结晶型防水涂料时，如果基准砂浆28 d 抗渗压力未达到要求值，不但本次实验无效，而且还要耽误至少28 d 的实验时间，造成了相关企业和检测机构大量的时间和人力物力成本的浪费。

本文采用基准砂浆抗渗试件，从配合比、原材料、成型方法和养护方式对砂浆抗渗压力的影响，提出了在检测水泥基渗透结晶型防水涂料时基准砂浆抗渗试件的研究方法，对自主研发及检测该类产品提供一定的参考。

1 实验

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5 华新水泥、P·Ⅰ42.5 基准水泥，主要化学成分见表1，强度见表2；纤维素醚：羟丙基甲基纤维素，黏度20 000 mPa·s，山东赫达；砂：标准砂；水：自来水。

表1 水泥的主要化学成分 %

表2 水泥的强度

1.2 成型测试和方法

1.2.1 浆体搅拌按照预先设计好的配合比，称取水泥和水，然后采用行星式胶砂搅拌机自动搅拌程序搅拌浆体。

1.2.2 砂浆抗渗试件成型

搅拌完的浆体用上口直径70 mm、下口直径80 mm、高30 mm 的截头圆锥带底金属试模成型基准砂浆抗渗试件[2]，成型的方式如表3 所示，成型后用保鲜膜将试件盖好静停。24 h后脱模，放入（20±2）℃或60 ℃的水中养护至规定龄期。

表3 砂浆抗渗试件不同成型方法

1.2.3 砂浆抗渗压力测试

将养护至规定测试龄期的砂浆抗渗试件取出，待表面干燥后用密封材料密封装入渗透仪中进行透水试验（见图1）。水压从0.2 MPa 开始，恒压2 h，增至0.3 MPa，以后每隔1 h增加水压0.1 MPa。当6 个试件中有3 个试件端面呈现渗水现象时，即可停止试验，记下当时的水压值，将此水压值减去0.1 MPa 记为砂浆抗渗压力。

图1 基准砂浆抗渗试件及测试

1.2.4 化学结合水的测试

通过测试t 时刻水泥浆体的化学结合水可计算出硬化水泥浆体在t 时刻的水化程度。将不同基准砂浆抗渗试件配比中的标准砂去掉，仅用基准水泥和水成型试件，并按照不同的养护方式进行养护，将养护到龄期的试样置于无水乙醇中浸泡，一定时间后取出并研磨至粉状，用80 μm 筛网过滤掉粗颗粒，将筛好的样品放入105 ℃烘箱烘干至恒重，除去试样中的非化学结合水，再称取3 g 样品装入坩埚中并置于高温箱式电阻炉中灼烧至1050 ℃并保持0.5 h，最后将试样取出自然冷却至室温。化学结合水量按式（1）计算：

式中：Wnel——单位质量胶凝材料的化学结合水量，%；

W1——灼烧前的样品质量，g；

W2——灼烧后的样品质量，g。

2 结果与讨论

2.1 不同配合比砂浆的抗渗压力

参考GB 18445—2012 附录A 中基准砂浆配合比，设计了20 组不同配合比，按照成型方法A 进行成型，依据GB 18445—2012 进行养护和测试，结果见表4。

表4 基准砂浆的配合比及其抗渗压力

从表4 可以看出：在相同用水量的情况下，随着水泥用量的增加，基准砂浆28 d 的抗渗压力整体呈提高趋势，水胶比减小，砂浆的强度会提高，相对应的密实度也会增加，因此抗渗压力提高。掺入纤维素醚，基准砂浆的抗渗压力呈先提高后降低的趋势。在0.76～0.81 的水胶比下，基准砂浆的浆体存在泌水情况，浆体表面泌水后，随着水分蒸发，会造成基体内产生大量的气孔缺陷，掺入添加纤维素醚后会大大改善浆体泌水情况，使得浆体的匀质性变好，从而提高砂浆的密实度，因此抗渗压力提高。但纤维素醚同时又具有引气功能，随着纤维素醚掺量的增加，一方面，浆体变稠，不利于成型密实；另一方面，又引入了过多的气体残留在浆体里，最终导致砂浆密实度下降，所以抗渗压力降低。另外，纤维素醚的加入，基准砂浆的抗渗性能随着水泥用量的增加表现出的规律较乱，给基准砂浆28 d 抗渗压力的数据稳定性造成了影响，从而最终会影响水泥基渗透结晶型防水涂料检测砂浆抗渗性能的数据可靠性。主要的原因可能是纤维素醚增稠保水和引气2 种功能正负面双重影响的结果，会导致数据忽高忽低。因此，从数据稳定性方面考虑，在基准砂浆抗渗试件成型时，不建议使用纤维素醚。

2.2 不同水泥品种及批次的砂浆抗渗压力

GB 18445—2012 中规定基准砂浆中水泥应使用符合GB175—2007《通用硅酸盐水泥》的P·O 42.5 水泥，水泥对其抗渗压力和抗渗压力稳定性的影响至关重要，本文选用同一配合比（水泥290 g，标准砂1350 g，水260 g），对比P·Ⅰ42.5基准水泥和P·O 42.5 华新水泥各3 个批次并使用成型方法E 进行抗渗压力测试，结果见表5。

表5 不同水泥品种及其不同批次基准砂浆的抗渗压力

由表5 可见：P·Ⅰ42.5 基准水泥和P·O 42.5 华新水泥均可用于基准砂浆抗渗试件的成型，但从抗渗压力的稳定性方面来看，P·Ⅰ42.5 基准水泥更合适，因为P·Ⅰ42.5 基准水泥水泥由水泥熟料和石膏组成，而P·O 42.5 水泥在水泥熟料和石膏的基础上添加5%～20%的活性混合材料，不同的地域和不同时期，水泥厂添加的活性混合材料可能不同，这样对P·O 42.5 水泥的整体性能影响较大，其稳定性要差于P·Ⅰ42.5基准水泥。因此对于水泥基渗透结晶型防水涂料的研发，建议选用P·Ⅰ42.5 基准水泥，这样更有利于实验结果的稳定可靠。但P·O 42.5 水泥价格低，在同样用量和次数的情况下，其相对每次的实验总成本低。为了节省总体成本，也可选用P·O 42.5水泥，但为了保证数据的稳定性，建议优先使用P·Ⅰ42.5 基准水泥。

2.3 不同成型方法砂浆的抗渗压力

对于基准砂浆抗渗试件的制备，GB/T 18445—2012 中7.2.8.1.1 规定成型时分2 层装料，采用人工插捣方式，表面用铁板刮平，但并未作详细介绍和规定，为了研究成型方法对抗渗压力的影响，选用同一种配合比：基准水泥290 g，标准砂1350 g，水260 g，采取不同的成型方法，抗渗压力见表6。

表6 不同成型手法对基准砂浆抗渗压力的影响

从表6 可以看出：成型方法对基准砂浆抗渗试件的抗渗压力影响非常大，同一配合比，不同的成型方法，28 d 抗渗压力截然不同，总体规律是：2 层装料成型的抗渗压力比1 层装料的高。砂浆是一种多孔材料，在其内部有毛细管裂缝和孔隙，在受压力水作用时，水会从裂隙或组成材料本身的缝隙通过，若水流孔隙是连续的，则易造成砂浆渗漏。2 层装料成型可提高砂浆整体的密实度，材料内部裂隙或者缺陷就会相对较少，从而抵御水压的能力就会提高，表现出更高的抗渗压力。

考虑到人为插捣的方向和力度存在差别，会对抗渗压力的稳定性存在隐患，因此，采用机械振捣的方式，并对成型方法C 进行了细化，测试结果见表7。

表7 不同机械振捣时间对基准砂浆抗渗压力的影响

由表7 可知：机械振捣对基准砂浆抗渗试件抗渗压力的影响规律与人工插捣成型方式相同：同一配合比，不同的成型方法，28 d 抗渗压力不同，2 层装料成型的抗渗压力比1 层装料的高，但采用机器振捣成型时，振捣时间不宜过短也不能过长，振捣时间低于6 s 时，成型不密实，抗渗压力不符合要求；随着振捣时间延长，抗渗压力提高，但振捣时间过长，会造成浆体沉底、泌水、匀质性差、缺陷多、抗渗压力下降。可见，机器振捣成型选择1 次装料，振捣时间6～10 s 时，抗渗压力能符合GB 18445—2012 要求。

综合不同水泥、配合比及成型方法对抗渗压力的影响规律，采用m（P·I 42.5 基准水泥）∶m（标准砂）∶m（水）=290∶1350∶260 的配合比，采用1 次装料，砂浆振实台上振捣8 s 的成型方法，成型了96 个（抗渗仪器容量是12 个）基准砂浆试件，并按照标准正常养护，28 d 抗渗压力见表8。可以看出，符合抗渗压力MPa 的比例超过了95%。

表8 采用推荐成型方法大批量成型砂浆的抗渗压力

2.4 60 ℃加速养护对砂浆抗渗压力的影响

测试不同配比（基准水290～340 g，标准砂1350 g，用水量260 g）试件，60 ℃加速养护3、7 d 和标准养护28 d 的化学结合水量和抗渗压力，结果如表9 所示。

表9 不同配比、不同养护方式对化学结合水量和抗渗压力的影响

由表9 可见：随着水泥用量的增加，60 ℃加速养护3 d 和标准养护28 d 的抗渗压力基本相同，说明2 个不同养护的抗渗压力相关性很强。水泥浆体在硬化过程中，其内部的水主要包含化学结合水和非化学结合水。化学结合水的存在形式为中性水分子或氢氧根离子，主要通过化学键与其它元素相结合。一般情况下，水化物增加，水泥浆体内的化学结合水量也随之增加，水泥的水化程度增大。因此，通过测试化学结合水量，可以在一定程度上能够反映胶凝材料试样水化程度的高低[3]。表9 中60 ℃温水中加速养护3 d 的化学结合水量与20℃水中标准养护28 d 的基本相同，而加速养护7 d 的化学结合水量增加，说明水化程度增大，对应的抗渗压力提高。因此，可以通过在60 ℃加速养护3 d 来预判标准养护28 d 的结果，这样可以节省24 d 时间。

3 结论

（1）不同配合比对基准砂浆抗渗压力影响较大，随着水泥用量的增加，抗渗压力提高，纤维素醚的引入会给28 d 抗渗压力的结果带来更多的不确定性，随着纤维素醚用量的增加，抗渗压力先提高后降低。纤维素醚具有增稠效果，使砂浆的状态变好，有利于整体的密实性，但同时它又有引气功能，增大砂浆的空隙，降低整体的密实度，因此在成型基准砂浆抗渗试件时，不建议使用纤维素醚。

（2）不同水泥品种对基准砂浆抗渗压力有影响，其中基准水泥最稳定；对于水泥基渗透结晶型防水涂料的研发，为了便于研究材料对砂浆抗渗压力的影响规律，建议优先选用P·Ⅰ42.5 水泥。

（3）不同成型方法对基准砂浆抗渗压力影响很大，同一配合比，2 层装料成型的抗渗压力比1 层装料的要高，主要是2层装料成型，砂浆的密实性比1 层装料成型的高，考虑到人工成型由于每个人的振捣力量、插捣力度及插捣方向不同，极有可能会影响最终的抗渗压力，因此建议采用机器振捣的方式，采用1 层装料成型，机器振捣控制在6～10 s。振捣时间过短，会由于整体密实度差，而使得抗渗压力较低；而振捣时间过长，容易造成标准砂沉底，泌水严重，造成孔隙率增加，也会导致抗渗压力降低。

（4）选用m（P·Ⅰ42.5 基准水泥）∶m（标准砂）∶m（水）=290∶1350∶260 的配合比，采用1 次成型，砂浆振实台上振捣8 s 的成型方法，并按照标准正常养护，96 个基准砂浆试件中，28 d抗渗压力符合MPa 的比例超过了95%。

（5）使用基准P·Ⅰ42.5 水泥，成型1 d 拆模后60 ℃加速养护3 d 与正常养护28 d 的抗渗压力相关性很强，同样用水量，随着水泥用量的增加，规律基本相同，1 d 拆模后60 ℃加速养护3 d 基本能反映正常养护28 d 龄期，对基准砂浆抗渗的预判和研究非常有意义，可缩短至少24 d 时间。