水泥基渗透结晶型防水砂浆研制与防水性能研究

闫孝伟

(山东正珩新材料科技有限责任公司 山东济南 250000)

1 前言

混凝土工程渗漏不仅给生活带来不便，还可能会造成严重事故，是国内外混凝土工程难以攻克的问题。混凝土材料自身内部多相、多组分间的性能差异所导致的原生裂缝和孔隙会造成混凝土的渗漏，大多出现在集料与基体的界面过渡区[1]。

水泥基渗透结晶型防水材料是一种刚性防水材料，具有施工简单、耐久性好、环保、永久防水等优点[2-3]。其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，使集料之间界面结合力得到增强，混凝土和砂浆内部微观结构得以改善，从而提高混凝土致密性与防水性[4]。矿物掺合料的火山灰效应、微集料效应可以提升水泥基材料的致密性，并改善材料的微结构[5]。

制备一种水泥基渗透结晶型防水砂浆，研究水灰比及酒石酸、硅酸钠、氯化钙等活性化学物质对砂浆渗透性能的影响，以确定防水材料的最佳配比，并通过硅灰、粉煤灰替代部分水泥作为胶凝材料以达到降低成本和改善砂浆抗渗性能的目的[6]。

2 试验原材料及试验方法

2.1 原材料

采用山东山水水泥集团有限公司生产的P.O42.5水泥，密度 3.1 g/cm3，比表面积 330 m2/kg，80 μm方孔筛余量8.7%；粉煤灰密度2.36 g/cm3，比表面积380 m2/kg，45 μm方孔筛余量6.3%；减水剂为自产聚羧酸系高性能减水剂，掺量为胶凝材料的0.25%，减水率25%。

2.2 试验标准

参照 GB/T 17617—2018、GB 18445—2012、JGJ/T 70—2009等标准进行相关测试。

2.3 正交试验

本次试验采用的活性物质为酒石酸、硅酸钠、氯化钙，确定3种水平进行正交试验，结果见表1。

表1 活性物质掺量正交试验结果

3 试验结果与分析

3.1 矿物掺合料对砂浆强度及抗渗性的影响

3.1.1 矿物掺合料对砂浆强度的影响

基准砂浆空白组配合比为水泥∶砂∶水＝1∶3∶0.35。

基准砂浆对照组配合比为胶凝材料∶砂∶水＝1∶3∶0.35，其中胶凝材料中水泥∶硅灰∶粉煤灰 ＝15∶1∶4。

根据28 d强度数据，粉煤灰和硅灰的加入提高了砂浆强度，增幅较为明显，如图1所示。究其原因:粉煤灰中玻璃微珠的“滚珠作用”可减少用水量，降低水泥浆体干缩率从而增强混凝土抗裂性[7]；硅灰的填充效应，使整个砂浆结构颗粒级配更加连续、更为密实。其火山灰效应，在水化后期二次水化，减少界面过渡区的同时降低了氢氧化钙的含量。除此之外，骨料表面吸附颗粒能够提供给水泥水化的核化点，预防氢氧化钙在界面定向生长，减小其取向度，从而改善砂浆性能，并提高强度。

图1 28 d强度对比

3.1.2 矿物掺合料对砂浆抗渗性的影响

通过空白组与对照组抗渗试验可知，空白组抗渗压力为3.7 MPa，对照组抗渗压力为4.0 MPa。由此可见:用一部分硅灰、粉煤灰替代水泥作为胶凝材料，在砂浆硬化过程中，作为胶凝材料的“第二组分”，能与水泥水化过程中产生的氢氧化钙进行“二次反应”，生成具有胶凝性能的水化铝酸钙、水化硅酸钙。与水泥水化产物搭接，改善了砂浆界面，减少了过渡区，水化产物能填充水泥石的毛细孔，形成更为致密的微观结构，降低了渗透性。另外，粉煤灰填充效应可减少混凝土空隙体积和粗大孔隙，特别是填塞浆体中的毛细孔通道，对混凝土强度和耐久性十分有利，是提高混凝土性能的一项重要技术措施。

颗粒极细的硅灰，将水泥颗粒之间空隙填充饱满，整个砂浆中颗粒紧密堆积，可有效减少孔数量，同时孔直径也有所减小，致使泌水程度降低。在高效减水剂配合作用下，硅粉与水化产物氢氧化钙反应生成水化硅酸钙凝胶，改善界面结构及粘结力，形成密实结构。

3.2 活性物质对砂浆强度及抗渗性能的影响

3.2.1 活性物质对砂浆强度的影响

按对照组配合比，掺入3种不同量的活性化学物质进行正交试验，结果见表2。

表2 正交设计试验结果

由表2可知，1～6组抗压强度均有显著提高，较试验组强度增幅分别为108%、112%、96.5%、110%、120%、106%，第5组性能最优。抗折强度趋势和抗压强度趋势大致相同。

酒石酸的掺入降低了水化放热速率，可降低砂浆开裂风险，同时还具有一定减水作用，对强度提高有促进作用。硅酸钠作为一种可溶性硅酸盐，能水解生成硅酸根离子，而硅酸根离子本身具有良好渗透性，能在毛细孔中发生反应:。硅酸钠浸渍材料后渗入缝隙和孔隙中，固化的硅凝胶可堵塞毛细孔通道，提高材料的密度和强度，从而提高材料抗折及抗压强度。氯化钙对水泥水化起催化作用，促使氢氧化钙浓度降低，因而在加速C3A水化的同时，氯化钙中的Ca2＋吸附在水化硅酸钙表面，生成复合水化硅酸盐。三种活性物质反应产物和砂浆紧密结合成为一个整体，堵塞液体进入通道，使砂浆结构密实度提高，进而改善抗压强度。

由表3可知，影响7 d强度的因素主次顺序为:酒石酸＞无水氯化钙＞硅酸钠，且3因素中以酒石酸对7 d强度影响最大。表2中7、8、9组7 d强度要明显低于前6组7 d强度，原因为酒石酸虽在本试验中作为络合剂使用，但其同时也是一种缓凝剂，且缓凝效果较强，加量需严格控制，当掺量达到0.5%时，缓凝效果较为显著，可大幅抑制水泥水化过程，造成砂浆7 d强度很低，无法满足实际施工需要，所以在表2的28 d测试结果未列出。影响28 d抗折强度的因素主次顺序为:硅酸钠＞氯化钙＞酒石酸，对于抗压强度活性物质的影响顺序为:硅酸钠＞酒石酸＞氯化钙[8]。

表3 7 d及28 d强度正交分析结果

从趋势可以看出，28 d抗压强度和抗折强度随因素A掺量增加而增加，其最佳掺量为0.3%。因素B对抗折、抗压强度的影响随掺量增加先增加后降低，水平1到水平2变化比水平2到水平3变化略小，水平2可作为其最佳选择；同时因素C对抗折、抗压强度的影响呈逐渐增大到逐渐减小的过程，在水平2有个明显最大值，因此，因素C的最佳掺量可以选择水平2，即2%。综上，防水剂最佳配方为酒石酸掺量0.3%＋硅酸钠掺量2%＋氯化钙掺量2%。

3.2.2 活性物质对抗渗性能的影响

对掺有活性物质的砂浆进行透水试验，结果见表4。

表4 抗渗性测试结果

由表4可以看出，掺有活性物质的砂浆比空白砂浆抗渗能力均有所提高。活性物质虽掺量较少，但减水作用显著，使砂浆密实性得到改善，进而提高了砂浆的抗渗能力。

对试验结果进行正交分析，结果见表5。

表5 抗渗性正交分析结果

活性物质对砂浆抗渗能力的影响顺序为:硅酸钠＞酒石酸＞氯化钙。根据3因素对抗渗压力的影响可确定酒石酸掺量为0.3%，硅酸钠掺量为2%，氯化钙掺量为2%，与根据抗折、抗压强度所确定的掺量相同。

参照国家相关标准进行二次抗渗测试，基准砂浆配合比为水泥∶标准砂∶水＝1∶3∶0.6，另一组基准砂浆掺有0.3%酒石酸、2%硅酸钠、2%氯化钙，抗渗测试结果如表6所示。试验结果表明，最终确定的活性化学物质最佳配比可使砂浆比普通砂浆抗渗压力提高30%，活性物质对砂浆起到了二次抗渗作用，并优于国家标准。

表6 最佳配比与基准砂浆抗渗结果对比

3.3 机理与微观分析

对试样进行SEM微观分析，结果如图2所示。

图2 三种试样微观结构

从图2a可看到明显裂缝，未水化的水泥颗粒较多，并含有不连续生长的晶体，晶粒间空隙较大。图2b与图2a相比，未出现裂缝，未水化颗粒也随之减少，孔隙率降低。由图2c可看出，原未水化水泥颗粒在化学活性物质的掺入下得以继续水化，硅酸钙凝胶含量明显提升，晶体生长更加连续，并搭接良好，结构密实性显著增强。

砂浆防水有两种工作原理:一是沉淀结晶原理，二是络合沉淀原理[6]。沉淀结晶原理即活性物质在浓度差压力下进入混凝土内部，与氢氧化钙发生化学反应生成不溶于水的沉淀物质，堵塞毛细孔和微裂缝，使结构密实，提高抗渗性能[7-8]，还可以阻止二氧化碳的进入致使pH值降低，引起钢筋锈蚀。

络合沉淀反应机理:能够与钙离子络合的活性物质遇水后被激活，迅速扩散到水中，并在混凝土表面形成一个高浓度区，在浓度差的压力下，活性物质随水渗透到混凝土内部。活性物质在遇到氢氧化钙高浓度区时，与电离的钙离子发生络合反应，生成易溶于水且不稳定沉淀物质，络合物质随水继续向混凝土内部扩散，由于其活性较高，在内部遇到未水化的水泥后，铝酸根离子及硅酸根离子取代活性物质发生反应，从而将氢氧化钙转化为有利于混凝土强度的结晶物质，填充混凝土内部结构和微裂缝。而活性物质重新转变为自由基，随水迁移并再次回到休眠状态，等下次渗水时重复上述过程[9]。

综上可知:混凝土处于干燥状态时，由于缺乏扩散介质，该物质处于休眠状态；有水渗透时，活性物质会被激活并发生络合结晶反应，堵塞裂缝使结构致密，并进入循环过程，再次实现修复功能。可见，该种防水材料具永久防水功能[10-12]。

4 结论

为研制出性能良好的水泥基渗透结晶型防水砂浆，本文全部试验均围绕配制、优化防水砂浆配方及其性能测试进行。通过试验分析得出以下结论:

(1)用粉煤灰和硅灰代替部分水泥后，同样满足抗渗要求，并且提高了抗折、抗压强度。

(2)在掺入粉煤灰和硅灰的砂浆基础上，又掺入化学活性物质可进一步提高其抗渗压力，利用正交设计对防水砂浆组分进行配方设计，并对试验结果进行分析，得到水泥基渗透结晶型防水砂浆的最佳配方。其中渗透结晶母料质量占胶凝材料质量的最佳比例为:酒石酸0.3%、硅酸钠2%、氯化钙2%。

(3)对防水砂浆防水机理进行探讨，防水砂浆一方面通过减孔措施提高密实度，另一方面活性物质与水泥水化产物生成结晶沉淀，或络合剂在水作用下进入水泥内部后被其他物质替代，并且生成沉淀物，亦可提高密实度，从而抗渗效果得以提高。