水泥基渗透结晶型防水涂料配方的优化设计

O 前 言
1942年德国化学家路易斯·杰逊首先发明使用了水泥基渗透结晶型防水材料,随后这一技术在欧美、日本各国的地下、水利、水池、污水等防水工程中广泛推广使用,20世纪80年代引入我国,首先应用于上海地铁工程。水泥基渗透结晶型防水涂料主要是由硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥、精制石英砂为基材,掺入活性矿物激发母料组成的刚性防水涂料。其防水机理:当与水混合涂刷于混凝土基体上时,材料中活性化学物质便会在浓度梯度的作用下向混凝土内部渗透,与混凝土中水化产生的Ca(OH) 等发生反应,并促使混凝土中未水化水泥再水化,生成不溶性的枝蔓状晶体,堵塞、封闭毛细孔通道,从而提高混凝土的抗渗迁移,当混凝土产生新的细微裂缝时,一旦有水渗入,又可与游离Ca2+ 反应或促使未水化的水泥再产生新的晶体把裂缝堵住。因此,该类防水涂料赋予了混凝土自修复能力和可靠的永久性防水抗渗作用,并可提高混凝土的抗化学侵蚀作用和冻融侵害作用,增加混凝土的耐久性。
2006年我院自主开发研制成功了活性矿物激发母料,并选用其它优质外加剂和当地材料进行配比组合。本文利用正交实验设计方法对水泥基结晶型防水涂料的配方、性能进行优化研究,确定各材料用量对产品性能指标的影响,并提出最优材料配方设计.

1 实验部分
1.1 实验原料
水泥(C):天山42.5R普通硅酸盐水泥;I级粉煤灰(F),红雁池电厂;填料(S):90~120目,托克逊石英砂厂:高效减水剂(A):FIO,德国BASF公司;触变润滑剂(B):EXM987德国南方化学公司;消泡剂(C):P803,德国MUENZING公司;活性矿物激发剂(D):自主研发:钢渣矿渣水泥:屯河水泥厂;5~25 mm卵石;砂:I区粗砂,乌拉泊砂厂。

1.2 涂料制备
将上述各原材料按照设计的配合比例称量,搅拌混合均匀,即制备得到所需的固体粉状水泥基渗透结晶型防水涂料。

l_3 试样制备
抗折、抗压和粘结强度试块的制各均按GB 18445–2001规定进行;抗渗试验用的混凝土基体也按该标准执行,其配比经试验后确定为:m(水泥):m(石子):m(砂):m(水)=1.00:4.4:3.33:0.75,其中水泥用量为250 kg/m3。

1.4 涂层与养护
抗渗混凝土基体试块成型1 d后脱模,用钢丝刷将上、下两端表面打毛,清洗,除去积水,使试样表面处于面干状态。然后将配制好的涂料按5:2的质量比与水混合均匀,然后将防水涂料浆体刷到混凝士基体的迎水面,分2次涂刷,在第1次涂刷后手触感觉干时再进行第2次涂刷。涂刷用量为1.5 kg/m 。第2次涂刷后,移入标准养护厢内养护3 d,再将涂层混凝土浸在深度为试件高度3/4的水中养护(涂层面不浸水),水温为(20±3)oC。抗渗基体试件I、二次抗渗养护龄期均为21 d,第2次进行21 d水养,基准件养护期为28 d。

1.5 性能测试 ,
所有性能测试方法均按GB 18445-2001的规定进行。抗渗压力测试采用HP一4.0程控自动调压抗渗数控仪;砂浆抗折强度测试采用DKZ~5000型龟动抗折试验机;砂浆抗压强度测试采用NYL-300型压力试验机;湿面粘结强度测试采用XL-2500B型拉力试验机;凝结时间测试采用水泥标准稠度凝结测定仪。

1.6 配方设计
经过初期试验确定水泥用量_为50%,粉煤灰用量为10%,填料用量为33%,组分含量固定不变。其它材料用量见表1相应的因素水平设计,L9(34 )试验方案见表2。
表1 正交实验各因素水平表

2 结果与讨论
以养护21 d的一次抗渗压力、42 d二次抗渗压力和湿基面粘结强度为涂料性能衡量标准,二次抗渗压力为6个抗渗试块被全部压穿后继续在水中养护21 d后进行测量得到的。
表3为相应的实验水平及检测结果。

由于第1次抗渗试验时基体养护时间为21 d,养护在3/4试件深的水中,且试验时期环境温度较高,其中空白样所测得的一次抗渗压力较低为0.4 MPa,试件的28 d抗压强度为l0.4 MPa。从表3可以看到,试件在涂刷了所配制的涂料后,一次抗渗压力相对都有较大程度的提高,最大值提高达到空白样的375%,最小值也有空白样的200%。

一般来说,普通混凝土在其本身的结构被水压击穿后,结构自我修复能力很弱,二次抗渗的结果也不可能达到未破坏前的水平。涂刷了所配制的防水涂料后,当基体被水压击穿后,涂层内的活性物质也被压力水带入到混凝土基体内部,再次进行养护后,活性物质就充分发挥其催化结晶作用,对结构破坏的混凝土产生修复作用,使其依然具有较高的二次抗渗压力。因为基体所使用水泥类型的原因,其本身所含未水化的成分对二次抗渗压力很弱,可不考虑对二次抗渗的影响。从试验结果分析,对于本次所选用的配方的优化要考虑的因素指标为湿基面粘结强度、一次抗渗和二次抗渗综合指标2个方面。采用功效系数法对正交实验结果进行分析,只针对抗渗结果时,表4中所列的是一次抗渗和二次抗渗的功效系数(f1,f2)、总功效系数 以及功效系数在各水平的平均值K和各水平总功效系数极差R。

表4 抗渗结果功效系数法分析正交实验数值表

从表4的分析结果来看,5号和8号的功效系数值较大。相应的实验组合为A2B3C1D2和A2B1C3D3。从总功效系数的极差R和 值来看,由于R >Ro>R > ,因此,影响涂料的抗渗性能和湿基面粘结强度的因素主、次顺序为A>D>B>C,则最佳因素水平组合为A2B3C3D3。表5中所列的是相应的湿基面粘结强度和抗渗综合指标的功效系数d1,d2 和总的功效系数 及功效系数在各水平的平均值 和各水平总功效系数极差R。

表5 功效系数法分析正交实验数值表

从表5的分析结果来看,5号和8号的功效系数值较大。相应的实验组合为A2B3C1D2和A2B1C3D3。从总功效系数的极差R和 值来看,由于RA=Rs>Rc>尺。,因此,影响涂料的抗渗性能和湿基面粘结强度的因素主、次顺序为A;B>C>D,则最佳因素水平组合为A2B1(B3)C1(C3)D2。
综合表4和表5结果可知,在考虑湿基面粘结强度和抗渗综合指标时,C因素对湿基面粘结强度结果影响最大,从表5分析可知,KC1=1.14,KC3=1.28;而从表4分析可知,C因素对抗渗功效影响为 KC1=0.75,Kc3=0.99;因此应选择c3水平作为C因素的最佳掺量。而B因素对抗渗功效影响从表4可知,KB1(f1 )=1.1,KB3(f1 )=1.3,KB1(f2 )=0.48,Kb3(f2 )=0.52;从表5中对总功效的影响可知, Kb1=0.97, kb3=0.87。因此,综合考虑对抗渗结果的影响,选择B3水平作为B因素的最佳掺量。D因素试验配方用的为分析纯,考虑实际生产用为工业产品,纯度有差异,因此选择D2水平。则综合本次配方的最佳组合为:A1B3C3D2。即高效减水剂A掺量为1.0%;触变润滑剂B掺量为1.0%;消泡剂C掺量为0.3%;矿物激发剂D掺量为3.0%。

3 结语
通过正交试验,测试了设计的各配方材料性能指标,并对实验结果进行了分析研究,成功研制出最优水泥基渗透结晶型防水涂料配方。实现了活性母料的国产化,且生产工艺简单,原材料价格合理,经过现场实际施工应用和蓄水试验,效果良好,有很好的应用推广前景。

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