陳啟輝,朱士豪,劉巧玲,李占先,孫劍平
(1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,山東 濟南 250101;2.中鐵十四局集團建筑工程有限公司,山東 濟南 250014)
建筑物由于設(shè)計不當(dāng)、施工不佳、環(huán)境變化等因素,常常在使用過程中發(fā)生滲漏水現(xiàn)象。據(jù)調(diào)查顯示,所抽取的建筑屋面樣本滲漏率高達95.33%,地下建筑樣本滲漏率達57.51%[1]。目前,常見的封堵細(xì)微裂縫的防水堵漏材料大多為丙烯酰胺類、丙烯酸鹽類、聚氨酯類、木質(zhì)素類、脲醛樹脂類等有機材料類[2-6]。但丙烯酰胺單體具有毒性,目前在很多國家已不再使用[7];丙烯酸鹽類漿液凝膠強度較低,且造價較高[8];聚氨酯類漿液黏度大,可灌性差,且預(yù)聚體中殘留的多異氰酸酯為劇毒物質(zhì)[9];木質(zhì)素類注漿材料強度較低,對人體皮膚有害[10];脲醛樹脂類漿液固結(jié)體較脆,抗?jié)B性差,且污染環(huán)境[11]。無機材料類防水堵漏材料以水泥類為代表,水泥類材料原材料簡單、造價低、環(huán)保無毒、耐久性優(yōu)良,但水泥類漿液顆粒較大,難以注入細(xì)微裂縫。
為提高水泥漿液的可灌性,可將水泥再次磨細(xì),獲得超細(xì)水泥。超細(xì)普通硅酸鹽水泥顆粒細(xì)小,具有極好的微裂縫可灌性[12],且購買方便,因此,可以選擇超細(xì)普通硅酸鹽水泥作為灌縫堵漏的基質(zhì)材料。但普通硅酸鹽水泥凝結(jié)時間過長,不能滿足應(yīng)急堵漏、快速修補的要求。硫鋁酸鹽水泥具有快硬早強的特性[13],與普通硅酸鹽水泥復(fù)配后可縮短水泥基防水堵漏材料的凝結(jié)時間。由于水泥類材料是多孔、多相、非均質(zhì)的脆性材料,水性環(huán)氧樹脂可在水泥漿體中形成聚合物膜結(jié)構(gòu),填充水泥水化產(chǎn)物間的孔隙,提高水泥漿體的韌性、變形協(xié)調(diào)性及抗?jié)B性能。
為縮短水性環(huán)氧樹脂改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的凝結(jié)時間,提高早期強度,滿足快速修補的要求,試驗先將超細(xì)普通硅酸鹽水泥與自行磨細(xì)的具有快硬早強特性的硫鋁酸鹽水泥復(fù)配,測試硫鋁酸鹽水泥在不同摻量時對超細(xì)水泥基防水堵漏材料凝結(jié)時間、流動度以及抗折、抗壓強度的影響,并獲得最優(yōu)配比,在此基礎(chǔ)上摻入水性環(huán)氧樹脂,研究水性環(huán)氧樹脂改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料工作性能、基本力學(xué)性能、界面粘結(jié)性能、變形性能及微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。
水泥:P·O42.5 超細(xì)水泥(OPC),比表面積994 m2/kg,體積平均粒徑D[4,3]=25.9 μm,北京中德新亞建筑技術(shù)有限公司;硫鋁酸鹽水泥(SAC),42.5 級,中國聯(lián)合水泥集團有限公司。采用長沙天創(chuàng)粉末技術(shù)有限公司生產(chǎn)的行星球磨機進行磨細(xì),比表面積875 m2/kg,D[4,3]=28.9 μm。水泥的主要化學(xué)成分如表1 所示。
表1 水泥的主要化學(xué)成分 %
硅灰:比表面積1260 m2/kg,D[4,3]=28.8 μm,河南義翔新材料有限公司。粉煤灰:Ⅰ級,比表面積1200 m2/kg,D[4,3]=21.4 μm,市購。混凝土膨脹劑:硫鋁酸鈣類,自行磨細(xì),比表面積928 m2/kg,D[4,3]=31.3 μm,江蘇蘇博特新材料股份有限公司。水性環(huán)氧樹脂:博力康-EP51,江蘇蘇博特新材料股份有限公司。混凝土消泡劑:有機硅類,山東華迪科技有限公司。減水劑:聚羧酸減水劑,固含量50%,江蘇蘇博特新材料股份有限公司。
試驗用粉體材料的級配曲線如圖1 所示。
圖1 粉體材料的級配曲線
1.2.1 工作性能
凝結(jié)時間:依照GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》進行測試;流動度:依照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑均質(zhì)性試驗方法》進行測試。
1.2.2 基本力學(xué)性能
抗折、抗壓強度:依照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》,成型40 mm×40 mm×160 mm 棱柱體試塊,養(yǎng)護至規(guī)定齡期后進行測試。
1.2.3 界面粘結(jié)性能
彎拉粘結(jié)性能[14]:使用ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂成型40 mm×40 mm×160 mm 的基材水泥膠砂試塊,中部折斷后將斷塊放入原試模,試模另一半澆筑水泥基防水堵漏材料,養(yǎng)護至規(guī)定齡期后進行上述抗折強度試驗,以此抗折強度為彎拉粘結(jié)強度,試驗?zāi)P腿鐖D2 所示。
圖2 彎拉粘結(jié)強度的試驗?zāi)P?/p>
正拉粘結(jié)性能:采用自行設(shè)計的方法,在基材混凝土上粘貼塑料板模板,并澆筑水泥基防水堵漏材料,成型50 mm×50 mm×5 mm 棱柱體試塊,養(yǎng)護至規(guī)定齡期后在試塊表面涂上高強膠,并粘結(jié)小鋼板,采用高精度錨桿拉拔儀進行正拉粘結(jié)性能測試,試驗?zāi)P腿鐖D3 所示。
圖3 拉伸粘結(jié)強度的試驗?zāi)P?/p>
1.2.4 變形性能
變形性能依照J(rèn)CT 603—2004《水泥膠砂干縮實驗方法》進行測試,采用立式砂漿收縮儀(百分表);試塊尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。
1.2.5 微觀形貌
采用掃描電鏡對防水堵漏材料28 d 齡期水化產(chǎn)物進行掃描電鏡(SEM)觀察分析。
選取凝結(jié)時間、流動度和抗折、抗壓強度設(shè)計超細(xì)水泥基防水堵漏材料基礎(chǔ)配合比。經(jīng)過前期試驗研究,當(dāng)SAC 摻量小于10%時,水泥基防水堵漏材料凝結(jié)時間過長,不滿足快速修補的施工要求,因此本試驗中SAC 初始摻量為10%。為改善超細(xì)水泥基防水堵漏材料密實性、流動性及變形性能,在水泥基防水堵漏材料中摻入硅灰、粉煤灰及膨脹劑。超細(xì)水泥基防水堵漏材料基礎(chǔ)配比為:膠凝材料由65%OPC+10%SAC+5%硅灰+10%粉煤灰+10%膨脹劑組成,消泡劑、減水劑摻量分別固定為膠凝材料總質(zhì)量的0.2%、0.4%,水膠比為0.3,增加SAC 分別為13%、15%、18%、20%(OPC 用量同步減少),研究SAC 摻量對超細(xì)水泥基防水堵漏材料性能的影響。
2.2.1 SAC 摻量對超細(xì)水泥基防水堵漏材料凝結(jié)時間的影響(見圖4)
圖4 SAC 摻量對超細(xì)水泥基防水堵漏材料凝結(jié)時間的影響
由圖4 可見,隨著SAC 摻量的增加,超細(xì)水泥基防水堵漏材料的凝結(jié)時間逐漸縮短,SAC 可起到促凝的作用。當(dāng)SAC摻量從10%增加到15%,凝結(jié)時間急劇縮短,摻量為15%時初凝時間為86 min,比摻量為10%時縮短了59.2%左右。SAC 的快硬特性是由于SAC 中的無水硫鋁酸鈣可與石膏快速反應(yīng)生成針狀鈣礬石。當(dāng)SAC 摻量為15%~20%時,凝結(jié)時間縮短至90 min 以下,可滿足現(xiàn)場快速封堵施工要求。并且,其初終凝時間間隔較短,為5~15 min,有利于提高施工效率。
2.2.2 SAC 摻量對超細(xì)水泥基防水堵漏材料流動度的影響(見圖5)
圖5 SAC 摻量對超細(xì)水泥基防水堵漏材料流動度的影響
由圖5 可見,隨著SAC 摻量的增加超細(xì)水泥基防水堵漏材料的流動度逐漸減小,當(dāng)摻量從10%增加20%時,水泥漿體的流動度減小了約20 mm。這是由于SAC 的促凝效果加速了水泥基防水堵漏材料的凝結(jié)硬化,使?jié){體流動度減小。當(dāng)SAC 摻量為20%時,水泥基防水堵漏材料的流動度達276 mm,可滿足泵送灌縫施工要求。
2.2.3 SAC 摻量對超細(xì)水泥基防水堵漏材料強度的影響(見圖6)
圖6 SAC 摻量對超細(xì)水泥基防水堵漏材料強度的影響
由圖6 可見:(1)當(dāng)養(yǎng)護齡期為1 d 時,隨著SAC 摻量從10%增加到20%,超細(xì)水泥基防水堵漏材料的抗折、抗壓強度均明顯提高,抗折強度由2.8 MPa 提高到5.1 MPa,抗壓強度由8.7 MPa 提高到29.5 MPa,SAC 的促凝早強作用使得超細(xì)水泥基防水堵漏材料早期強度明顯提高。(2)但當(dāng)養(yǎng)護齡期為3、28 d時,超細(xì)水泥基防水堵漏材料的抗折、抗壓強度均隨著SAC 摻量的增加而逐漸降低。當(dāng)摻量為18%~20%時,其抗折、抗壓強度甚至?xí)陀? d 時的強度。這是由于鈣礬石的膨脹機理導(dǎo)致早期微裂紋的產(chǎn)生。隨著養(yǎng)護齡期的延長,漿體中微裂紋會變寬延長,水化產(chǎn)物間的粘結(jié)力降低,出現(xiàn)強度倒縮現(xiàn)象[15],隨著SAC 摻量的增加,強度倒縮現(xiàn)象會愈發(fā)明顯。同時,隨著水泥水化反應(yīng)的進行,水泥石強度的提高可稍微彌補強度倒縮。
通過對凝結(jié)時間、流動度以及抗折、抗壓強度性能指標(biāo)對比分析,初步確定超細(xì)水泥基防水堵漏材料中SAC 的最佳摻量為15%。該摻量下配制的超細(xì)水泥基防水堵漏材料初凝時間為86 min,流動度為282 mm,1 d 抗折、抗壓強度分別為3.7、16.4 MPa,28 d 抗折、抗壓強度分別為10.6、82.1 MPa。
在超細(xì)水泥基防水堵漏材料中SAC 的摻量為15%的情況下,分別摻入膠凝材料質(zhì)量3%、5%、7%的水性環(huán)氧樹脂進行改性,研究其對超細(xì)水泥基防水堵漏材料工作性能、基本力學(xué)性能、界面粘結(jié)性能、變形性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。
3.1.1 對凝結(jié)時間的影響(見圖7)
由圖7 可見,隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加,改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的凝結(jié)時間逐漸延長。當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量為3%~5%時,凝結(jié)時間的延長趨勢較為平緩。未摻水性環(huán)氧樹脂的基準(zhǔn)樣初凝時間為86 min,水性環(huán)氧樹脂摻量為5%時初凝時間較基準(zhǔn)樣延長了22.1%。當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量為7%時,改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的凝結(jié)時間增幅較大,其初凝時間為149 min,較基準(zhǔn)樣延長了73.2%。改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料凝結(jié)時間延長的原因,主要是因為水性環(huán)氧樹脂可以在水泥顆粒表面形成聚合物膜網(wǎng)格結(jié)構(gòu),使水泥水化層變厚,阻礙了水泥與水的接觸,延緩水泥的水化反應(yīng),從而延長了凝結(jié)時間[16]。
圖7 水性環(huán)氧樹脂摻量對改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料凝結(jié)時間的影響
3.1.2 對流動度的影響(見圖8)
圖8 水性環(huán)氧樹脂摻量對改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料流動度的影響
由圖8 可見,隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加,改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的流動度先增大后減小。基準(zhǔn)樣的流動度為282 mm,當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量為3%時,改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的流動度達到最大(為295 mm),較基準(zhǔn)樣增大了4.6%。當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量為7%時,流動度為277 mm,較基準(zhǔn)樣降低了1.8%。當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量較少時,水性環(huán)氧樹脂顆粒均勻分散在水泥漿體中起到了滾珠效應(yīng)[17],使改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的流動性提高;但因為水性環(huán)氧樹脂漿液具有較大的黏性,當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量較多時,其漿液將自由水包裹,減少了水泥漿體中的自由水,使改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的流動度減小。
3.2.1 對抗折強度的影響(見圖9)
由圖9 可見,在養(yǎng)護齡期為1 d 時,水性環(huán)氧樹脂改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的抗折強度隨水性環(huán)氧樹脂摻量的增加而逐漸降低。當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量為7%時,抗折強度為2.1 MPa,與基準(zhǔn)樣相比降低了43.2%。這是由于水性環(huán)氧樹脂的緩凝作用,延緩了水泥的水化反應(yīng),使改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的早期強度發(fā)展延緩。摻入3%水性環(huán)氧樹脂可有效提高改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的3、28 d 抗折強度,較基準(zhǔn)樣分別提高了15.6%、23.6%。這是由于水性環(huán)氧樹脂在水泥顆粒表面相互交聯(lián)形成的聚合物膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),可以改善水泥漿體的韌性[18],提高改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的抗折強度。當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量較多時,改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料水化程度較低,結(jié)構(gòu)發(fā)展不完全,并且會破壞水泥漿體的均勻性,導(dǎo)致抗折強度降低,水性環(huán)氧樹脂摻量為7%時,改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料3、28 d 抗折強度分別較基準(zhǔn)樣降低了10.4%、11.3%。
圖9 水性環(huán)氧樹脂摻量對改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料抗折強度的影響
3.2.2 對抗壓強度的影響(見圖10)
圖10 水性環(huán)氧樹脂摻量對改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料抗壓強度的影響
由圖10 可見,隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加,改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的1、3、28 d 抗壓強度逐漸降低。水性樹脂摻量為7%時,1 d 抗壓強度較基準(zhǔn)樣降低了57.3%。當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量為3%時,其3、28 d 抗壓強度分別為37.2、68.9 MPa,較基準(zhǔn)樣降低了9.3%、16.1%;水性環(huán)氧樹脂摻量為5%時,其3、28 d 抗壓強度分別為31.3、66.4 MPa,較基準(zhǔn)樣分別降低了23.7%、19.1%。雖然在水性環(huán)氧樹脂摻量為3%、5%時,改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的抗壓強度要低于基準(zhǔn)樣,但依舊較高,可滿足強度要求。改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料抗壓強度降低的原因:一方面,水性環(huán)氧樹脂的摻入延緩了水泥的水化反應(yīng);另一方面,聚合物膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的彈性模量較小,與水泥石共同承壓時,其支撐作用要遠(yuǎn)小于水泥石。因此改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的剛度要小于基準(zhǔn)樣,從而導(dǎo)致其抗壓強度低于基準(zhǔn)樣。
粘結(jié)強度直接影響原界面二次破壞是否發(fā)生,防水堵漏材料需與基體具有較高的的粘結(jié)力,確保材料在凝結(jié)硬化后不被水壓力擠出。改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的28 d 彎拉粘結(jié)強度與正拉粘結(jié)強度如表2 所示。
表2 水性環(huán)氧樹脂摻量對改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料28 d 粘結(jié)強度的影響
由表2 可見:(1)水性環(huán)氧樹脂摻量為3%時,改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的彎拉粘結(jié)強度有所提高,其平均值為3.480 MPa,最大值為3.979 MPa,均高于基準(zhǔn)樣;(2)當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量為7%時,彎拉粘結(jié)強度有所降低;(3)水性環(huán)氧樹脂各摻量下改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的正拉粘結(jié)強度明顯提高,在水性環(huán)氧樹脂摻量為5%時正拉粘結(jié)強度平均值達到最大,與基準(zhǔn)樣相比提高了72.6%;(4)水性環(huán)氧樹脂摻量為3%時正拉粘結(jié)強度最大值較基準(zhǔn)樣提高了49.7%。水性環(huán)氧樹脂在水泥基防水堵漏材料中交聯(lián)而成聚合物膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),增強了復(fù)合水泥體系與基材混凝土粘結(jié)作用,是水性環(huán)氧樹脂改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料粘結(jié)強度高于基準(zhǔn)樣的主要原因。圖11 為彎拉粘結(jié)強度測試后改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料與基材水泥砂漿的交界面。
圖11 改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料與基材水泥砂漿的交界面
表3 水性環(huán)氧樹脂摻量對改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料豎向膨脹的影響
由表3 可見,由于膨脹劑的作用機理及SAC 的微膨脹作用,摻入15%的SAC 會使超細(xì)水泥基復(fù)合材料產(chǎn)生較為明顯的膨脹。隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加,水性環(huán)氧樹脂改性超細(xì)水泥基復(fù)合材料的初始膨脹量先減小后增大,在水性環(huán)氧樹脂摻量為3%時,其膨脹量僅為基準(zhǔn)樣的33.8%,這主要是因為水性環(huán)氧樹脂的網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)會抑制復(fù)合材料的向外膨脹。另外復(fù)合材料膨脹量的發(fā)展主要發(fā)生在早期3 d 齡期左右。隨著齡期的延長,由于水泥的干燥收縮特性,其膨脹量會有較小的衰減,在水性環(huán)氧樹脂摻量為3%、5%、7%時,其衰減量分別為3.4%、12.8%、16.0%。這是由于水性環(huán)氧樹脂的摻入充填了水泥漿體的孔隙,堵塞了水分蒸發(fā)的通道,減小了改性超細(xì)水泥基復(fù)合材料的干燥收縮[19]。但當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量較多時,復(fù)合材料的孔隙率會略有增加,導(dǎo)致其阻礙復(fù)合材料干燥收縮的效果降低。
水性環(huán)氧樹脂摻量分別為0、3%、5%、7%時,水化28 d 齡期水泥基防水堵漏材料的微觀結(jié)構(gòu)如圖12 所示。
圖12 不同水性環(huán)氧樹脂摻量改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的微觀結(jié)構(gòu)
由圖12 可以清晰地看到,水泥基防水堵漏材料水化產(chǎn)物中存在大量的針狀鈣礬石,鈣礬石晶體在水泥漿體中相互交錯構(gòu)成晶體骨架。水性環(huán)氧樹脂可以充填水泥漿體中的孔隙,其聚合物膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可使水泥漿體結(jié)構(gòu)致密,在水性環(huán)氧樹脂摻量為3%時效果最為明顯。正是這種聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)賦予了改性超細(xì)水泥基復(fù)合體系良好的抗折強度及粘結(jié)強度,并且阻礙了水分蒸發(fā),減緩干燥收縮。當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量為5%、7%時,其微觀結(jié)構(gòu)與摻量為3%時的相比略顯疏松。這是由于水性環(huán)氧樹脂漿液具有較大黏性,當(dāng)其摻量較多時,水泥漿體在攪拌及澆筑過程中會引入空氣,水泥漿體中存在較多的氣泡,使改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的孔隙率增大。
(1)水性環(huán)氧樹脂的摻入會延緩水泥水化反應(yīng),使改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的凝結(jié)時間延長。
(2)當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量為3%~5%時,水性環(huán)氧樹脂顆??善鸬綕L珠效應(yīng),提高水泥基防水堵漏材料的流動度;當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量為7%時,由于水性環(huán)氧樹脂漿液的黏性較大,改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的流動度會有所降低。
(3)水性環(huán)氧樹脂形成的聚合物膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可改善改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的韌性,摻入3%的水性環(huán)氧樹脂可提高改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的抗折強度;同時,由于聚合物膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)彈性模量較小,水性環(huán)氧樹脂的摻入會降低改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的抗壓強度,但在摻量為3%、5%時,改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的抗壓強度依舊較高。
(4)水性環(huán)氧樹脂的摻入可提高水泥基防水堵漏材料的粘結(jié)強度,水性環(huán)氧樹脂形成的聚合物膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),增強了改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料與基材的粘結(jié)作用。在摻量為3%、5%時,水性環(huán)氧樹脂改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的彎拉粘結(jié)強度和正拉粘結(jié)強度均較高。
(5)水性環(huán)氧樹脂可充填水泥漿體孔隙,堵塞水分蒸發(fā)的通道,減小改性超細(xì)水泥基防水堵漏材料的干燥收縮,但當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量較多時,其阻礙防水堵漏材料干燥收縮的效果會略有降低。