水泥基渗透结晶型防水涂料自修复性能的研究

2022-08-12李国权柯伟席雷中梨邹伟

新型建筑材料 2022年7期

李国权，柯伟席，雷中梨，邹伟

（武汉三源特种建材有限责任公司，湖北武汉 430083）

0 前言

随着国民经济的高速发展，建筑行业在其中发挥了及其重要的作用，大量的基础设施建设正在全面展开。作为最重要的建筑结构材料之一，混凝土逐渐发展成高强度、高性能、多功能和智能化[1]。但混凝土不可避免的会出现裂缝而导致渗漏，不仅影响其正常使用，而且影响了混凝土结构的耐久性，进而带来巨大的经济损失[2]。因此，有必要对混凝土结构中的裂缝进行修补[3]。水泥基材料裂缝形成的原因有很多，大量的调查研究表明[4-5]，水泥基材料中裂缝主要是由于结构因温度变化、湿度变化、收缩、膨胀、不均匀沉陷等产生的变形，以及外荷载（静、动荷载等）所产生的拉应力造成的，普通水泥基材料裂缝的产生是无法避免的。当前工程中常采用被动的修复方法[6]。水泥基渗透结晶材料（CCCW）是由硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥、石英砂和活性物质配制而成的一种较先进的新型防水材料[7]。从本质来说其属于刚性防水材料。但由于其特殊的反应机理亦可单独归于一类[8]。其能提高砂浆和混凝土结构的密实度及强度，从而提高砂浆和混凝土的致密性和防水性，能够很好地解决砂浆和混凝土的裂缝问题。

1 试验

1.1 原材料

水泥：武汉华新水泥股份有限公司生产的P·O42.5水泥；P·Ⅰ42.5基准水泥；标准砂：符合GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》的要求；TU-TJ渗晶防水涂料：符合GB 18445—2012《水泥基渗透结晶型防水材料》的要求，武汉三源特种建材有限责任公司产；活性矿渣粉：山东盛世高铁工程材料有限公司产；粉煤灰：武汉阳逻电厂；石英砂：连续级配；高性能聚羧酸减水剂：ZJ-PC8010型，减水率25%，江苏兆佳建材科技有限公司产；水：自来水；配方中其他成分由武汉源锦商品混凝土有限公司提供。水泥、矿渣粉和粉煤灰的主要化学成分见表1，水泥、矿渣粉的主要性能分别见表2、表3。

表1 水泥、矿渣粉和粉煤灰的主要化学成分 %

表2 水泥的主要物理力学性能

表3 矿渣粉的主要物理性能

1.2 试验方法

1.2.1 修复方法改进

（1）修复胶砂强度配合比：m（P·Ⅰ42.5基准水泥）∶m（标准砂）∶m（水）=1∶3∶0.5；将胶砂按GB/T 17671—1999的规定进行搅拌，水泥砂浆试样制备完成后，将砂浆试样一次性装入尺寸为40 mm×40 mm×160 mm试模内，每组试件成型3块。将试件放置于振实台振动60 s。试件成型后刮除试模上口多余的砂浆，待砂浆临近初凝时，用抹刀沿着试模口抹平。试件表面与试模边缘的高度差不得超过0.5 mm。

（2）试件抹面成型后立即用特制空心1 mm厚的钢片（见图1）插在每块试件中间位置，然后用塑料薄膜覆盖表面，或采取其他保持试件表面湿度的方法，试件成型后在温度为（20±5）℃、相对湿度大于50%的环境内静置24 h，静置后编号标记、拆模，然后将试件放入温度为（20±2）℃，相对湿度大于95%的标准养护室中进行养护。

（3）试件养护至1、7、28d，将试件取出，沿钢片位置折断，保护好试件断面不被破坏，然后将断开后的试件沿断面用不同厚度的8 mm×8 mm的钢片涂上环氧树脂胶放在试件断面四角，重新对齐拼接，将试件竖起，用1 kg压块压约12 h，即可形成需求裂缝宽度，或用橡皮筋将2段试件箍紧在一起或采用夹具进行固定，并在试件中间预留出量筒位置。

（4）将渗漏过水的试件晾干，用于背水面的试件先按1.5 kg/m2粉料，涂刷40 mm×40 mm面积，十字交叉分2次涂覆，第2遍在第1遍表干后涂覆，计算涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料用量。

（5）将无底量筒粘贴在试件非成型面中心区域对应的裂缝位置，并用玻璃胶或其他密封材料沿量筒底部进行密封，试验装置示意如图2所示。

（6）将粘有量筒的试件放置于接水的容器槽，用于搁置的支架应垂直于裂缝方向支撑，将水注满量筒，直至水流从裂缝处渗漏完毕，后用量杯一次性注入量筒120ml水，同时用秒表计时，直至水流完毕，记录时间，计算不同裂缝宽度渗漏速率，连续测2次，取2次的平均值作为该试件的初始渗水速率V0。

（7）将渗漏过水的试件晾干，用于迎水面的试件先按1.5 kg/m2粉料，涂刷40 mm×40 mm面积，十字交叉分2次涂覆，第2遍在第1遍表干后涂覆，计算涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料用量；从次日起，每隔1日注水养护1次，每次注水量宜将量筒注满为止，直至裂缝完全修复。

裂缝修复方法改进参考T/CECS848—2021《无机水性渗透结晶型材料应用技术规程》。

1.2.2 力学性能测试

混凝土抗压强度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试；混凝土预压80%按照GB/T 50081—2019中静力受压弹性模量试验，按空白组抗压强度的80%，恒压30 s进行即可。

2 结果与讨论

2.1 不同宽度、不同涂刷龄期对修复性能的影响

按不同裂缝宽度、不同涂刷龄期，测试水泥基渗透结晶型防水涂料对砂浆自修复性能的影响，结果见表4、表5。

表4 背水面不同宽度、不同涂刷龄期时的修复性能

表5 迎水面不同宽度、不同涂刷龄期时的修复性能

由表4可见：

（1）对比kb1、1-1，kb2、2-1，kb3、3-1，在相同涂刷龄期下，当裂缝宽度为0.1、0.2、0.3 mm时，其水泥基渗透结晶型防水涂料在遇水情况下，以水为载体在试件中渗透，其中络合组分与水化产物氢氧化钙反应生成可溶性钙离子络合物后，再与硅酸盐形成更稳定硅酸钙结晶，以及沉淀组分与氢氧化钙生成更稳定的结晶及水泥自身水化的共同作用下，可使砂浆自修复，即背水面0.3 mm以下裂缝可修复。

（2）对比1-1、1-2、1-3，2-1、2-2、2-3，3-1、3-2、3-3，在相同裂缝宽度下，涂刷龄期对修复效果的影响是3d＞7d＞28d，分析修复试件早期水化快、强度低，能够快速大量生成氢氧化钙，其水泥基渗透结晶型防水涂料中的活性物质在遇水情况下，以水为载体在试件中更易渗透，其中络合组分富集钙离子，使之早期生成更多的结晶物质，即涂刷龄期越早，砂浆修复快、效果好。

由表5可见，水泥基渗透结晶型防水涂料对迎水面1mm以下的裂缝不透水，有显著的防水作用。

2.2 不同强度、不同涂刷龄期对力学性能的影响。

C15、C30混凝土强度试验基本配合比见表6，不同涂刷龄期对混凝土强度的影响见图4。

表6 C15、C30混凝土强度基本配合比

由图4可见：

（1）对比1 d、7 d涂覆涂层与C30、C15基准组混凝土抗压强度，C30混凝土1 d涂覆涂层在28、35、56 d龄期的抗压强度分别为31.3、35.2、38.5 MPa，7 d涂覆涂层相应分别为30.9、34.6、37.2 MPa，较基准组分别提高了2.3%、3.5%、5.5%，1.0%、1.8%、1.9%；C15混凝土1d涂覆涂层在28、35、56d龄期的抗压强度分别为16.7、17.9、18.9MPa，7d涂覆涂层相应分别为16.2、17.5、18.1MPa，较基准组分别提高了5.7%、2.3%、6.2%，2.5%、0、1.7%，对力学性能有增强效果。其主要原因在于：当水泥基渗透结晶型防水涂料涂刷于水泥基材料表面时，涂料中的渗透结晶活性物质在浓度和表面张力的共同作用下，活性物质会借助水泥基材料孔隙中存在的水，渗透到水泥基材料内部，与毛细孔中的游离Ca2+和Ca（OH）2发生化学反应，生成不溶于水的结晶体[9-10]。即水泥基渗透结晶型防水涂料中活性组分碱金属盐或碱土金属盐、络合化合物，具有较强的渗透性，能与水泥水化产物发生反应生成针状晶体的化学物质，填塞毛细孔道或微细裂缝，提高混凝土致密性，从而提高力学性能。且1 d涂覆涂层优于7 d涂覆涂层，其原因在于：早期水化快、抗压强度低，能够快速大量生成氢氧化钙，水泥基渗透结晶型防水涂料中活性物质在遇水情况下，以水为载体在混凝土中更易渗透，其中络合组分富集钙离子，早期生成更多的结晶物质，提高混凝土致密性，使之增强力学性能的效果更优。

（2）在C30混凝土中，预压80%涂层混凝土35、56 d抗压强度分别为33.9、35.5 MPa，较预压80%分别提高了0.6%、1.1%，压破涂层混凝土35、56 d分别为25.9、27.6 MPa，较压破分别提高了2.0%、2.6%；

（3）在C15混凝土中，预压80%涂层混凝土35、56 d抗压强度分别为16.2、18.0 MPa，较预压80%分别提高了1.9%、0.6%，压破涂层混凝土35、56 d抗压强度分别为16.6、16.9 MPa，较压破分别提高了41.8%、5.6%。

（4）C15混凝土较C30混凝土对力学性能的提高与修复效果更好。原因在于，C15混凝土强度低、内部孔道多，水泥基渗透结晶型防水涂料中活性物质以水为载体更易在混凝土内渗透，反应生成结晶物质，填塞毛细孔道或微细裂缝，降低孔隙率，提高混凝土的密实度。