快凝早强型无机复合修复剂的开发研究

张军学

（东南大学 建筑学院，江苏 南京 210096）

0 前言

水泥基材料开裂产生原因多种多样，而裂缝的解决最常用的办法是封堵和修复，修复材料包括有机材料和无机材料。有机材料的优点是易成型、见效快、能较长时间起作用，缺点是无法和水泥基材料彻底融合到一起；无机材料可以很好地与水泥基材料结合，但是需要较长时间的准备以及细致的施工工艺[1-3]。而有些修复材料仅仅是封堵裂缝，造成表面上的修复，实际上并未达到预期效果[4-5]。

本研究基于渗透结晶型防水材料设计原理[6-8]，开发了一种快凝早强型无机复合修复剂，该修复剂融合封堵材料和化学修复试剂的特点，实现水泥基材料的自修复功能，即便后期再次出现裂缝，依可在一定程度上修复，达到二次修复的目的[9]。

1 试验

1.1 主要原材料

碳酸钙：300目；硫铝酸盐水泥：Ca-50；普通硅酸盐水泥：32.5级；氢氧化钙；活性剂：化学纯；石英砂：300目。所有材均为市购。

1.2 试验方法

按m（水泥）∶m（砂）∶m（水）=1∶3∶0.7的配比成型4 cm×4 cm×4 cm基准水泥砂浆试件，将所需原材料倒入胶砂搅拌机中自动搅拌240s，搅拌完毕后立即将胶砂分别装入模具中成型，用手均匀旋转5次，尽量使胶砂与模具边缘平齐；然后放置1 d后脱模。为在表面涂抹涂层时容易粘接，脱模时用钢刷刷去上表面一层浮浆使其粗糙，编号后立即放入标准养护室养护[温度（20±2）℃、相对湿度不小于 95%]，28 d后取出试件，自然晾干，清除油污，涂抹无机复合修复剂前先将其放在水中浸泡1 h左右。自配无机复合修复剂按水灰比为0.4涂覆在砂浆试块上表面，每块试样涂抹6 g，涂层厚度约为1 mm。待用手触摸已干燥时，再在其上表面洒少量水，放置1 d后进行测试。

1.3 正交分析方案筛选

由于本试验涉及到的影响因素较多，有水泥、砂、活性剂以及一些添加料，包括碳酸钙和氢氧化钙等，本文对配方进了正交分析，力求找到最优配比，正交试验因素水平见表1。

表1 正交试验因素水平

1.4 性能测试

试件的制备、养护、相关力学性能及抗渗性能测试均参照GB 18445—2001《水泥基渗透结晶型防水材料》和JC 474—1999《砂浆、混凝土防水剂》进行。

2 试验结果与分析

2.1 正交试验结果与分析

正交试验设计及性能测试结果见表2。

表2 正交试验设计及性能测试结果

2.1.1 各因素对复合修复剂抗渗性能的影响（见图1）

图1 各因素对复合修复剂抗渗性能的影响

由图1可见，在碳酸钙、硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、氢氧化钙以及活性剂这5个因素中，对抗渗压力影响最大的是活性剂掺量，活性剂掺量与抗渗压力呈正比，活性剂掺量越大，抗渗效果越好。其它4个因素的影响效果无明显规律，碳酸钙掺量超过4%后，会降低抗渗压力；硫铝酸盐水泥掺量在40%和45%条件下，抗渗压力相当，再增加掺量，会导致抗渗效果下降；普通硅酸盐水泥在4个水平下的抗渗压力变化都不大；随着氢氧化钙掺量的增加，抗渗压力逐渐降低。

2.1.2 各因素对复合修复剂抗压强度的影响（见图2）

图2 各因素对复合修复剂抗压强度的影响

由图2可见：活性剂作为掺量最小的组分，同时也是最重要的构成成分，其对抗压强度的影响尤为明显，掺量为1.5%时强度最高；碳酸钙掺量为4%时，可以达到最好的增强效果；普通硅酸盐水泥作为其中的标准构成，对整体效果的影响明显，不同掺量造成的结果迥异，其中30%掺量时，7 d和28 d抗压强度较高，故选取此掺量；氢氧化钙掺量过高时，强度反而有所降低，因此其掺量不宜超过3%。

2.1.3 各因素对复合修复剂粘结强度的影响（见图3）

图3 各因素对复合修复剂粘结强度的影响

由图3可见，对粘结强度影响最大的是碳酸钙掺量，随其掺量的增加，粘结强度先提高后降低，掺量为4%时，粘结强度最高；随活性剂掺量的增加，粘结强度逐渐提高；氢氧化钙的粘结强度有负面影响，随其掺量的增加，粘结强度逐渐降低。

综合考虑最佳配比为：碳酸钙4%、硫铝酸盐水泥40%、活性剂1.5%、作为基础材料的普通硅酸盐水泥掺量为35%，不掺氢氧化钙，即14#配比，涂覆此无机复合修复剂的试样，其抗渗压力可以达到1.5MPa，7 d抗压强度可以达到45 MPa以上，增强效果明显。

2.2 微观结构分析

空白试件以及涂覆按最优配比制备的无机复合修复剂的试件SEM照片见图4。

图4 空白试件及涂覆无机复合修复剂试件的SEM照片

由图4可见，空白试件内部为多孔隙的结构，导致抗渗性能较差；而空白试件表面涂覆制备的无机复合修复剂后，内部孔隙大大减少，这是因为，无机复合修复剂水化生成纤维状的水化硅酸钙C-S-H结晶将孔隙堵塞，从而实现微观结构的修复，宏观表现为防水和增强效果。

3 结论

（1）通过正交试验，考虑抗渗压力、抗压强度和粘结强度等指标，设计出一种快凝早强型无机复合修复剂，各因素中起核心抗渗作用的是活性剂，其合适掺量为1.5%，其它因素掺量依次为：碳酸钙4%、硫铝酸盐水泥40%、普通硅酸盐水泥35%、不掺氢氧化钙。

（2）涂覆按最优配比制备的无机复合修复剂的试样，其抗渗压力可以达到1.5MPa，7 d抗压强度达到45 MPa以上，增强效果明显。

（3）涂覆制备的无机复合修复剂后，无机复合修复剂水化生成纤维状的水化硅酸钙C-S-H结晶，将试件内部孔隙堵塞，从而实现微观结构的修复，宏观表现为防水和增强效果。