水泥基渗透结晶型防水剂的研制及其防水机理分析

水泥基渗透结晶型防水剂的研制及其防水机理分析

王玉倩1，潘钢华1，张菁燕2，潘爱萍3
（1.东南大学江苏省土木工程材料重点实验室，江苏南京211189；2.江苏尼高科技有限公司，江苏常州213015；3.上海欧萨环境资源管理咨询有限公司，上海200082）

0 前言
混凝土是一种非匀质结构，易产生裂纹、孔隙。人们不可能消除裂纹、孔隙，只能把其大小控制在无害级别（孔隙小于20 nm）。控制混凝土裂纹、孔隙大小的办法很多，采用水泥基渗透结晶型防水材料是行之有效的方法之一。水泥基渗透结晶型防水材料是以普通硅酸盐水泥为基料、掺入活性化学成分配制而成的灰色粉状材料，分为防水剂和防水涂料两大类，本文只对其中的水泥基渗透结晶型防水剂进行探索与研究[1-5]。在前期探索试验中，本课题组自配了一种性能符合GB 18445—2001《水泥基渗透结晶型防水材料》要求的水泥基渗透结晶型防水剂（以下简称M 防水剂）。本文在此基础上，利用正交试验方法对M 防水剂的配方、性能进行优化研究，从而确定配方中各活性组分的最优掺量，并采用差示扫描量热法（DSCTG）、环境扫描电子显微镜法（ESEM）和压汞法（MIP）分析微观测试方法研究了其防水机理[6-9]。

1 原材料及试验方法
1.1 原材料
1）水泥：配制混凝土试件用水泥为江南-小野田水泥有限公司P域52.5 硅酸盐水泥，其性能数据如表1 所示。配制M 防水剂用水泥为“金宁羊”牌P域42.5R硅酸盐水泥，其性能数据所表2 所示。


2）集料：砂为普通黄砂，细度模数为2.7，属于中砂，含泥量1.1%。碎石采用二级配石灰岩碎石，粒径为5耀20 mm，含泥量0.8%。

1.2 试验方法
混凝土减水率、泌水率、凝结时间、含气量试验方法按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》进行试验，混凝土抗压强度按照GB/T250081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行试验，混凝土抗渗、收缩性能按照GBJ 82—85《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》进行试验。
1.3 试验方案
经初期试验确定M 防水剂配方为：硅酸盐水泥20%，硅酸镁18%，氧化镁7%，减水剂10%，硅灰7%，各组分含量固定不变，其他为活性组分A、B、C、D。表3 为配方中活性组分A、B、C和D的因素水平设计，L9（34）试验方案见表4。

掺M防水剂混凝土各项性能试验所用的配合比按照GB 18445—2001标准设计，如表5 所示。

为探索M防水剂对水泥水化程度和水化产物的影响，研究M 防水剂的防水机理，对掺M 防水剂的砂浆进行了一系列微观分析，包括：28 d DSC-TG分析、28 d ESEM分析和28 d MIP分析，掺M防水剂砂浆的微观试验配合比见表6

2 结果与分析
2.1 正交试验结果分析
以抗压强度（7 d、28 d）、收缩率比（28 d）、一次抗渗压力（28 d）、二次抗渗压力（56 d）作为掺M防水剂混凝土的性能衡量标准。表7 为相应的试验水平及检测结果。从表7中可以看到在基准混凝土中掺入M 防水剂，可以提高抗压强度、降低收缩率比，还可以提高混凝土的抗渗性能，一次抗渗压力有较大程度的提高，最大值达到基准混凝土的263%，最小值也有210%

采用极差法对正交试验结果进行分析，用K 表示同一水平各因素的试验指标额总和平均值，极差R为同一水平各因素中平均值的最大值与最小值之差，即Kmax-Kmin。极差大表示该因素在这个水平变化范围内造成的差别大，对试验指标产生的影响大，是主要影响因素；极差小表示该因素对试验结果产生的影响小，是次要影响因素。表8—12 分别是对掺M防水剂混凝土7 d抗压强度、28 d抗压强度、28 d 收缩率比、一次抗渗压力和二次抗渗压力正交试验结果的极差分析。



根据以上正交试验结果极差分析并结合表13分析，各活性组分极差R 在7 d抗压强度、28 d抗压强度、28 d 收缩率比、一次抗渗压力和二次抗渗压力正交试验结果中的顺序一致，即R（活性组分C）>R （活性组分D）>R（活性组分B）逸R（活性组分A）。为降低原材料成本并提高性能，选择各活性组分最优掺量为A（芋）B（I）C（芋）D域），即A 占9%、B 占8%、C占16%、D占7%时，掺M防水剂的混凝土各项性能指标最佳。M 防水剂的最佳配方见表14。

2.2 M防水剂主要性能测试
按表14 的配方配制的M 防水剂, 根据GB18445—2001《水泥基渗透结晶型防水材料》对其进行物理性能测试，结果见表15

3 微观试验分析
3.1 掺M防水剂砂浆的DSC-TG分析图1 为空白砂浆（28 d）的差热曲线，图2 为掺M防水剂砂浆（28 d）的差热曲线，表16 为掺M 防水剂砂浆的热失重分析。

水泥水化主要生成AFt、CSH 凝胶和Ca（OH）2，在加热过程中不同物质的分解温度不同，因此DSC曲线上出现5 个吸热峰：第1 个吸热峰处于100~300益温度范围内，主要是水化硅酸钙、钙矾石脱水；第2个吸热峰处于300~500 益温度范围内，主要是水镁石转化成方镁石，和Ca（OH）2 脱结构水，转化成氧化钙；第3 个吸热峰在500~600 益温度范围内，是琢-石英转变成茁-石英；第4 个吸热峰处于600~700 益范围内，主要是CaCO3 吸热分解；第5 个吸热峰处于在700~900 益范围内，主要是硅酸钙转化成茁-硅灰石。
表16列出了不同温度范围内的热失重，与空白砂浆相比，M 防水剂可以提高水泥水化程度，增加AFt 和CSH凝胶的生成量，且生成水镁石和CaCO3 晶体，而Ca（OH）2 的生成量较空白砂浆低。

3.2 掺M防水剂砂浆的ESEM分析
图3（a）和（b）分别为空白砂浆和掺M 防水剂砂浆通过环境扫描电镜放大10 000 倍的局部照片。对比两张照片可以看出，掺M防水剂砂浆试样的水化程度较空白砂浆水化程度高，（a ）中有大量孔隙，（b ）中在孔隙处聚集生成很多棒状晶体，堵塞了毛细孔。
图4 为图3（b）照片中孔隙处生成晶体的能谱分析，发现除水泥水化产物水化硅酸钙和钙矾石晶体外，还有针状水镁石晶体和碳酸钙晶体。表17 是图3（b）照片中孔隙处生成晶体的元素分析结果。


3.3 掺M防水剂砂浆孔径（MIP）分析
图5 和图6 分别是空白砂浆和掺M防水剂砂浆28 d孔径分布曲线。表18 是掺M 防水剂砂浆28 d孔径分布。

从图5、图6 可以看出：掺入M 防水剂后，砂浆的孔隙率较空白砂浆下降了5.39%，并且孔径分布趋于微小化。掺M 防水剂的砂浆中，>100 nm的有害孔降低了3.65%，这是由于M 防水剂与水泥水化物反应生成的物质填充了砂浆内部的毛细孔，从而改善砂浆的孔径分布，使得砂浆内部孔隙更加细小化。

4 结论
1）采用正交设计试验优化M防水剂配方中各活性组分的掺量，最终最优掺量为A（芋）B（I）C（芋）D（域），即A 占9%、B 占8%、C 占16%、D 占7%时，掺M防水剂混凝土的各项性能指标最佳。
2）采用DSC-TG 分析M防水剂的防水机理，试验结果表明：与空白砂浆相比，掺M防水剂可以提高水泥水化程度，增加AFt、CSH 凝胶的生成量，且在孔隙处生成较多水镁石和CaCO3 晶体，而Ca（OH）2 的生成量较空白砂浆试样低；生成的针状晶体，聚集在孔隙处，减少了孔隙率，降低了大孔比例，增加了小孔比例，对改善砂浆孔径有积极作用。
3）采用ESEM 分析M 防水剂的防水机理，试验结果表明：与空白砂浆相比，掺M防水剂可以促进水化程度，在孔隙聚集处生成很多棒状晶体，如水镁石、碳酸钙和钙矾石晶体，堵塞了毛细孔，提高了防水抗渗能力。
4）采用MIP 分析M 防水剂的防水机理，试验结果表明：掺M防水剂的砂浆孔隙率较空白砂浆下降，孔径分布趋于微小化，且>100 nm的有害孔减少。