一种新型水泥基裂缝粘接修复剂制备及性能测试

古发美

摘 要：针对传统水泥基材料易开裂的问题，提出制备一种高分子修复剂对水泥基材料进行修复。探究了该修復剂对水泥基材料的修复效果与机理，结果表明： 试验制备的高分子修复剂修复机理主要是通过离子间吸附、膨胀和络合作用对水泥基材料进行修复。28 d养护龄期试件在不同养护环境下的平均裂缝宽度分别为自来水环境0.01 mm、酸环境0.06 mm、碱环境0.02 mm、中性环境0.06 mm和硫酸盐环境0.02 mm，且均表现出较好的修复性能。

关键词：修复性能；高分子修复剂；修复机理；水泥基材料

中图分类号：TQ314.262

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）04-0091-05

Study on the preparation technique and performance of a noval cement based crack repair agent

GU Famei

（Chongqing Vocational College of Applied Technology，Hechuan，Chongqing，401520，China）

Abstract：Aiming at the problem that traditional cement-based materials are easy to crack，a polymer repair agent was proposed to repair cement-based materials，and the repair effect and mechanism of the repair agent on cement-based materials were explored.The results showed that the repair mechanism of the polymer repair agent prepared in this experiment was mainly to repair cement-based materials through ion adsorption，expansion and complexation.The average crack width of specimens at 28 days curing age under different curing environments was 0.01 mm in tap water environment，0.06 mm in acid environment，0.02 mm in alkali environment，0.06 mm in neutral environment and 0.02 mm in sulfate environment.Under these curing conditions，it showed good repair performance.

Key words：repair performance;polymer repair agent;repair mechanism;cement based materials

水泥基材料在使用的过程中，受外部环境的影响，易出现开裂现象，造成水泥基材料使用寿命短，甚至对使用者的生命安全产生威胁，因此对水泥基材料进行修复是很有必要的。针对该问题，部分学者也进行了很多研究，如对海水腐蚀的水泥基，提出一种新型自修复剂，这种修复剂在水泥基材料出现裂缝时，能够在裂缝中间形成水镁石和方解石，对水泥裂缝进行有效修复［1］；但其研究特异性较强，仅针对海水腐蚀下的水泥基材料开裂问题。有研究则提出通过生物法修复水泥基材料，结果表明，微胶囊与科氏芽孢杆菌能在水泥基材料开裂后及时修复裂缝，赋予了水泥材料仿生自主修复功能［2］。为了寻找更适合的水泥基材料修复方式，本试验制备了一种新型高分子修复剂，并对其修复效果和修复机理进行分析。

1 材料与设备

1.1 材料与方法

本试验主要材料：过硫酸铵（AR，创赢化工）、四甲基乙二胺（AR，威振化工）、亚甲基双丙烯酰胺（AR，鑫硕化工）、丙烯酰胺（AR，水方程净水材料）、河砂（标准品，明城矿产品）、P·O42.5水泥（汇霆星建材）、聚羧酸减水剂（AR，博克化学股份）、丙烯酸（AR，泽西新材料科技）、稀硝酸（AR，驰达化工）、过硫酸钠（AR，华航化工）、氢氧化钠（AR，杰维化工）。

本试验主要设备：JJ-5型水泥胶砂搅拌机（星蓝建筑仪器）、HZJ1型水泥砂浆振动台（人从众机械制造）、ZBL-U510型非金属超声检测仪（环球测绘仪器）、ZT501型裂缝测宽仪（中拓科仪科技）、SU9000型超高分辨率场发射扫描电镜（维翰光电科技）。

1.2 试验方法

1.2.1 高分子修复剂的制备

（1）将丙烯酸和丙烯酰胺作为单体，按照2∶3的比例置入烧杯，加入一定质量的亚甲基双丙烯酰胺，充分搅拌；

（2）放入质量分数为2%的过硫酸铵和四甲基乙二胺作为引发体系进行反应，反应结束后加入一定质量的水，在氮气条件下搅拌反应，反应的温度和时间分别为45 ℃和24 h；

（3）保留固体材料，在水环境下纯化保温1 d，将产物干燥后碾磨成粉，得到高分子修复剂。

1.2.2 水泥砂浆试件的制备

参照GB/T 17671—1999标准设计并制备水泥砂浆试件［3-4］。为了探究高分子修复剂对水泥基材料的修复效果，本试验共设计2组试验，具体配比结果如表1所示。

（1）按照表1配比精准称取原材料。将修复剂与水泥混合，减水剂完全溶于水；

（2）提前润湿水泥胶砂搅拌机，倒入水泥和水并低速搅拌30 s；

（3）在30 s内，分次、匀速的将砂子加入到正在搅拌的混合材料中，待砂子完全加入后，打开高速搅拌模式，继续搅拌30 s；

（4）关闭搅拌机，立刻将搅拌叶片上的砂浆材料刮到搅拌锅中，同时，用刮铲将锅底的砂浆材料刮松，确保所有材料都混合均匀；

（5）继续高速搅拌90 s，关闭搅拌机，将搅拌机内砂浆材料分3次倒入提前准备好的模具中，每次加料都需要在HZJ1型水泥砂浆振动台上振实，排出砂浆内部气泡；

（6）常温养护1 d拆模，放入标准养护箱内标准养护至指定龄期。养护温度和湿度分别为20 ℃和90%。

1.2.3 自修复作用环境

（1）自来水环境：试验室接的自来水；

（2）硫酸盐环境：质量分数为6%的硫酸钠溶液；

（3）海水环境：试验室用人工海水；

（4）碱环境：pH值为12的氢氧化钠溶液；

（5）酸溶液：pH值为5的硝酸溶液；

（6）中性溶液：pH值为7的去离子水。

将制备的试件完全浸没在以上6种环境中，用保鲜膜完全密封后置于标准养护箱内养护。

1.3 性能测试

1.3.1 超声波波速测试

检测试件的超声波波速。材料不同，超声波波速也不相同，试验室通过超声波波速的改变判断水泥基材料内部的密实情况，水泥基材料密实程度越高超声波传输速度越高［5］。

超声波声速恢复率表达式［6］：

η=vn－vcv0－vc×100%（1）

式中：η为声波恢复率；v0为正常环境养护的超声波速；vn为养护n天后的超声波速；vc为预制裂缝后的残余波速。

1.3.2 裂缝宽度测试

在ZT501裂缝测宽体的作用下测定待测样品内部裂缝宽度［7］。

1.3.3 扫描电子显微镜

用导电胶将待测样品固定在样品台上，喷金处理后用SU9000型超高分辨率场发射扫描电镜观察水泥砂浆材料的断面形貌。

2 结果与讨论

2.1 自来水环境下修复剂修复性能分析

2.1.1 超声波波速分析

对自来水环境下，超声波在不同水泥砂浆试件中波速的变化进行检测，结果如图1所示。

从图1可以看出，在自来水环境下，砂浆基体自身具备一定的修复能力。但养护时间超过14 d后，A组试件波速恢复率不再发生改变；B组试件的波速恢复率则持续上升。当养护时间增至28 d后，超声波波速在水泥砂浆中的恢复率高达73.7%，这说明掺入高分子修复剂后，对水泥基的修复性能产生积极的影响［8］。

2.1.2 裂缝宽度分析

水泥砂浆基体在养护一定时间后，内部环境会出现一些裂缝，对不同养护时间下，水泥砂浆基体内部裂缝宽度进行检测，结果如图2所示。

从图2可以看出，自来水环境下，2个组试验结果表现出一定的修复性能，但在养护龄期下，B组试件的裂缝宽度恢复率皆明显高于A组试件；养护28 d，裂缝基本完全愈合。这就说明在自来水环境下，高分子修复剂能够发挥较好的修复作用，减小水泥基内部的平均裂缝宽度［9-10］。

2.2 盐环境下修复剂的修复性能分析

2.2.1 超声波波速分析

图3为硫酸盐环境下，超声波波速在水泥砂浆试件中波速的变化。

从图3可以看出，在硫酸盐环境下，超声波波速并没有较大的差别。这可能是在该环境下，水泥砂浆基体自修复性能发挥较好的作用［11］。但修复剂组样品仍旧略高于普通样品，说明在该条件下，高分子修复仍旧可以发挥一定的作用。

2.2.2 裂缝宽度分析

图4为硫酸盐环境对水泥砂浆基体内部裂缝平均宽度的影响。

从图4可以看出，B组试件的平均裂缝宽度略低于A组试件，但平均裂缝宽度差别并不是很大。这个变化规律与超声波波速变化基本一致，这再次印证了2.2.1的结论。同时，从裂缝宽度变化的规律还能看出，在硫酸盐环境下，高分子修复剂对水泥砂浆基体内部裂缝的修复产生积极的作用［12］。

2.3 海水环境下修复剂修复性能分析

2.3.1 超声波波速分析

图5为海水环境下超声波波速的影响。

从图5可以看出，在海水环境下，2组试件超声波波速变化基本一致，并没有发现明显的差别。这个变化规律说明海水环境对水泥砂浆基体的自修复性能产生积极的影响，但高分子修复剂的修复性能则会被抑制，也就是说，该高分子修复材料应避免在海水环境下使用。

2.3.2 裂缝宽度分析

图6为海水环境下内部缝隙宽度的变化。

从图6可以看出，在海水环境下，2组试件的平均裂缝宽度都有一定缩小，但B组试件的平均裂缝宽度始终大于A组试件。这个变化规律说明海水环境对水泥砂浆裂缝的自修复有积极的作用，但会抑制高分子修复剂的修复性能［13-14］。

2.4 碱环境下修复剂修复性能分析

2.4.1 超聲波波速分析

图7为碱环境下，超声波在水泥砂浆试件中波速的变化。

从图7可以看出，在碱环境下，超声波在2组试件中的波速变化规律基本一致；而修复剂试验组超声波波速恢复率相对较高。这说明在碱性环境下，水泥砂浆基体具有一定的自修复性能，同时，高分子修复剂可以在该环境下发挥一定的修复作用。

2.4.2 裂缝宽度分析

图8为碱环境下，水泥砂浆试件内部缝隙平均宽度的变化。

从图8可以看出，随养护龄期的增加，2组试件内部的裂缝平均宽度皆有所减小， 但B组试件内部的裂缝平均宽度始终小于A组试件。这说明在碱环境下，水泥砂浆材料可以发挥一定的自修复性能。当加入高分子修复剂后，高分子修复剂发挥作用，进一步缩小了水泥砂浆内部裂缝宽度。证实高分子修复剂在碱性环境下也有一定的修复效果。

2.5 酸环境下修复剂修复性能分析

2.5.1 超声波波速分析

图9为酸性环境下，超声波在水泥砂浆试件中波速的变化情况。

从图9可以看出，酸性环境下，2组试件中超声波波速变化趋势基本一致，且波速变化大小相差不大，B组试件的超声波波速略高于A组试件。这说明在酸性环境下，水泥砂浆材料具有一定的自修复性能，同时，高分子修复剂能够发挥一定的修复效果，但效果不明显。

2.5.2 裂缝宽度分析

图10为酸环境下，水泥砂浆基体内部裂缝平均宽度的变化。

从图10可以看出，随养护时间的增加，水泥砂浆基体内部裂缝平均宽度慢慢的减小，且B组试件水泥砂浆基体内部平均宽度始终略小于A组试件。这与2.5.1的结论一致，说明酸环境能够促进水泥基体材料的自修复。同时，高分子修复剂也能在该环境下发挥一定的作用，但作用并不明显。

2.6 中性环境下修复剂修复性能分析

2.6.1 超声波波速分析

图11为中性环境下超声波波速变化。

从图11可以看出，超声波波速在水泥砂浆基体内部的变化规律与酸环境下超声波波速在水泥砂浆基体内部变化规律基本一致。这说明中性环境与酸性环境对水泥砂浆基体的影响基本一致，高分子修复剂在酸性环境下与中性环境下对水泥砂浆基体的影响也基本一致。

2.6.2 裂縫宽度分析

图12为中性环境下裂缝平均宽度的变化。

从图12可以看出，随养护时间的增加，水泥砂浆内部裂缝慢慢的缩小，这说明中性环境对水泥砂浆材料的自修复性能产生积极的影响。同时，从图12还可发现，虽然B组试件内部裂缝平均宽度始终大于A组试件，但B组试件平均裂缝宽度的变化率高于A组试件。这可能因为制作试件时，振动时间不够，内部存在一些气泡，使得试件内部裂缝的宽度相对A组试件较大。在高分子修复剂的作用下，试件内部裂缝的平均宽度慢慢的变小，这说明在中性环境下，高分子修复剂可以发挥一定的作用。

2.7 高分子修复剂修复机理分析

通过上面的分析可以发现，高分子修复剂在多种环境中都能发挥一定的修复作用，因高分子修复剂在硫酸盐环境中修复具有一定的代表性，因此在探究高分子修复剂的修复机理时，以硫酸盐环境下的水泥砂浆试件为研究对象，用SEM扫描电子显微镜对其断面进行分析，结果如图13所示。

从图13可以看出，在水泥砂浆基体内部并未有新的物质生成，只有少量的胶状物质拉结，这说明高分子修复剂对水泥砂浆基体的修复是物理作用［15］。分析高分子修复剂的修复机理可以发现，高分子修复剂中含有吸附性较强的酰胺基结构。这种特殊的结构能够使反应产物在水泥材料基体表面附着，同时可通过化学键与羧基官能团连接，使得材料紧密结合，再加上酰胺基团吸水膨胀的特点，可以在水泥砂浆基体中起到一定的修复作用。

同时，高分子修复剂内的羧基可与与金属离子进行络合，生成结构较为稳定的产物，能够连接修复剂与水泥砂浆材料，阻止水泥砂浆材料内部裂缝的产生和发展，进而起到一定的修复作用［20］。

3 结语

本研究制备的高分子修复剂在多种环境下都可对水泥基材料进行修复，通过对高分子修复剂的修复机理进行分析，得到的具体结论如下。

（1）在自来水环境下，高分子修复剂修复性能表现良好。养护龄期为28 d的修复剂水泥砂浆试件，超声波波速恢复率为73.7%，内部裂缝平均宽度为0.004 mm；

（2）海水环境下会抑制高分子修复剂，因此应避免在海水环境下使用；

（3）高分子修复剂在酸性环境、盐环境、中性环境和碱环境中发挥一定的修复效果；

（4）高分子修复剂的修复机理是通过酰胺基与羧基官能团连接，再加上吸水膨胀和络合的特性对水泥基材料内部裂缝进行修复，也就是高分子修复剂是通过物理作用对水泥基材料进行修补。

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