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HCC滲透型流體修補(bǔ)砂漿的配制及性能研究
柴石明
(南京滬聯(lián)新型建材有限公司, 南京 210041)
摘要：研究了膠凝材料、高活性物質(zhì)、各化學(xué)添加劑的摻量，得出HCC滲透型修補(bǔ)漿料的最優(yōu)配比，展開了對(duì)修補(bǔ)漿料的諸如本體強(qiáng)度、粘結(jié)性能、流態(tài)特征及其耐候性的研究，通過(guò)SEM分析了其不同齡期下的晶體生長(zhǎng)。當(dāng)水泥用量為42.0%、硅粉為2.5%、膠粉為4.0%、減水劑為0.84%、CMC為0.1%、納米物質(zhì)為0.03%、憎水劑為0.08%時(shí)，具有很好的技術(shù)指標(biāo)和施工性能，達(dá)到或超過(guò)JG/T 336-2011《混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)用聚合物水泥砂漿》標(biāo)準(zhǔn)A型力學(xué)指標(biāo)要求20%以上。
關(guān)鍵詞：納米滲透；修補(bǔ)；早期強(qiáng)度；粘接強(qiáng)度
Study and Manufacture on the Modification Permeeable HCC Repairing Mortar
Chai Shi-ming
(Nanjing Hulian New Building Materials Co., Ltd. Nanjing 210041, China)
Abstract：This paper researched the content of cementitious materials, high active substance, and trace chemical additives. Through the following experimental study works, strength, adhesive strength and weather resistance, obtained the optimal ratio of HCC permeability polymer mortar. All the performance of HCC could meet the requirements when cement, silica fume, VAE, superplasticizer, CMC, nano-silica and hydrophobic agent were 42.0%, 2.5%, 4.0%,0.84%, 0.1%, 0.03% and 0.08%, respectively. And the performance of it could meet or exceed the standard of JG/T 336-2011.
Key Words: Nano materials penetration, Repair, Early strength, Adhesive strength
1 引言
混凝土和砂漿是我國(guó)近現(xiàn)代建筑的主體材料，容易出現(xiàn)老化和破損等情況。近來(lái)世界范圍內(nèi)的修補(bǔ)材料以聚合物改性水泥基為主，主要的技術(shù)手段有：丁苯或丙烯酸乳膠等的有機(jī)物改性、高活性礦物的活化改性、納米物質(zhì)改性等。在此基礎(chǔ)上，從而也演化出了相應(yīng)修補(bǔ)材料的發(fā)展方向及對(duì)應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，產(chǎn)品多、性能側(cè)重強(qiáng)是目前建筑領(lǐng)域中修補(bǔ)材料的特點(diǎn)，同時(shí)建筑破損的產(chǎn)生原因不明和復(fù)雜性使得修補(bǔ)材料的選用和側(cè)重顯得愈發(fā)重要和難以取舍[1、2]。
HCC滲透修補(bǔ)漿料（以下簡(jiǎn)稱修補(bǔ)料）是通過(guò)乳膠粉、高活性礦物和納米物質(zhì)的共同作用，從改善其本體的力學(xué)性能、與修補(bǔ)界面的粘結(jié)強(qiáng)度、工程應(yīng)用的便捷性等要求做為產(chǎn)品的技術(shù)要求，具有粘結(jié)力強(qiáng)、抗?jié)B耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)JG/T 336-2011《混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)用聚合物水泥砂漿》標(biāo)準(zhǔn)的要求。實(shí)現(xiàn)一類材料做到較多的性能指標(biāo)，提高修補(bǔ)材料在建筑修補(bǔ)工程中的通用性。
2修補(bǔ)料配比實(shí)驗(yàn)
2.1原材料、儀器和技術(shù)依據(jù)
水泥：南京海螺水泥有限公司產(chǎn)P.O.52.5水泥，密度ρc=3.05g/cm3，比表Sc=360m2/kg；粉煤灰：華能南京電廠，ρf=2.26g/cm3，S95級(jí)；硅粉：武漢新必達(dá)硅粉材料公司，密度ρsf=2.06g/cm3，火山灰活性指數(shù)0.91，比表Ssf=13.4m2/g；砂：石英砂：密度ρqs=2.64 g/cm3；聚羧酸減水劑：蘇州弗克公司Niyon700型，減水率22%；膨脹劑：南京滬聯(lián)公司產(chǎn)，HP型；所用化學(xué)試劑皆為化學(xué)純（AR）。用摻量不同的添加劑進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其質(zhì)量百分比全部為修補(bǔ)料總質(zhì)量的百分比。
主要試驗(yàn)儀器：XZM100振動(dòng)型磨機(jī)，武漢探礦機(jī)械公司；TYE-300B型試驗(yàn)壓力機(jī)，無(wú)錫建儀儀器機(jī)械有限公司；SPZ-100型膨脹率測(cè)定儀，杭州三思儀器有限公司；NRJ-411A膠砂攪拌機(jī)，無(wú)錫建儀儀器機(jī)械有限公司；恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱：PYX-150-B型，廣東韶關(guān)科力試驗(yàn)儀器有限公司；JSM-6380LV型掃描電鏡，日本島津公司。
表1.部分原料的化學(xué)組成/%
原料 | 化學(xué)組成/% | |||||||
LOI | CaO | MgO | SiO2 | Fe2O3 | Al2O3 | SO3 | f-CaO | |
水泥 | 0.13 | 64.65 | 1.11 | 20.94 | 2.95 | 5.62 | 2.45 | 0.10 |
粉煤灰 | 2.02 | 6.54 | 2.16 | 43.50 | 3.20 | 40.25 | 0.34 | 0 |
硅粉 | 1.88 | 0.67 | 1.32 | 93.95 | 1.25 | 0.91 | 0.15 | 0 |
修補(bǔ)料主要性能指標(biāo)為本體強(qiáng)度、抗?jié)B壓力、粘結(jié)強(qiáng)度，以及在此基礎(chǔ)上開發(fā)出的流動(dòng)性能。各指標(biāo)檢測(cè)方法：抗壓折強(qiáng)度、凍融循環(huán)、凝結(jié)時(shí)間、拉伸粘結(jié)強(qiáng)度執(zhí)行JG/T 336-2011中規(guī)定；抗?jié)B壓力測(cè)試方法執(zhí)行GB 23440-2009中規(guī)定；流動(dòng)性能執(zhí)行GB/T 50448-2008中規(guī)定。
2.2 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)
在對(duì)如上的技術(shù)指標(biāo)要求中，以單組份現(xiàn)場(chǎng)加水施工方案時(shí)的I類產(chǎn)品作為產(chǎn)品最終形態(tài)時(shí)，選取出影響強(qiáng)度的膠凝材料、影響凝結(jié)時(shí)間的減水劑和膠粉、影響粘結(jié)強(qiáng)度的膠粉和納米活性材料、影響流態(tài)性能的高分子聚合物添加劑等。各因素相互影響并作用，有一個(gè)較佳的協(xié)調(diào)摻量，在本論文中通過(guò)選定六因素五水平的L25(65) 正交實(shí)驗(yàn)表，因素水平見表2，用砂補(bǔ)齊至1000‰。其他指標(biāo)如凝結(jié)時(shí)間和收縮率屬于微量化學(xué)試劑可控指標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)后期予以調(diào)整。
表2. L25(65)六因素五水平實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
因素 | A | B * | C | D * | E | F |
水泥/‰ | 硅粉/% | 膠粉/‰ | 減水劑/% | CMC/‰ | 納米物質(zhì)/‰ | |
1 | 300 | 3 | 20 | 1.8 | 0.50 | 0.20 |
2 | 340 | 4 | 25 | 2.0 | 0.75 | 0.25 |
3 | 380 | 5 | 30 | 2.2 | 1.00 | 0.30 |
4 | 420 | 6 | 35 | 2.4 | 1.25 | 0.35 |
5 | 460 | 7 | 40 | 2.6 | 1.50 | 0.40 |
* B和D因素用量為對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)批次所用水泥量的百分?jǐn)?shù)(%)。
按照正交分布的方法設(shè)定了如下各批次的實(shí)驗(yàn)，采用相同流動(dòng)度的統(tǒng)一值，比對(duì)各批次實(shí)驗(yàn)相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)的值，從而得出優(yōu)選的各原料配比，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)及結(jié)果見表3，基于表3而做出的各因素極差分析見圖1。各因素中對(duì)不同齡期強(qiáng)度性能影響程度而言，從圖1可以從四水平中的變化趨勢(shì)得出：在7d和28d抗折強(qiáng)度中分為三個(gè)主要遞減梯度，水泥＞膠粉≈硅粉＞納米材料≈減水劑≈CMC；在在7d和28d抗壓強(qiáng)度中也分為三個(gè)主要遞減梯度，水泥＞硅粉＞膠粉≈納米材料≈減水劑≈CMC。
表3. L25(65) 實(shí)驗(yàn)中不同齡期下的強(qiáng)度性能
實(shí)驗(yàn) | 六因素五水平 | 抗折 /MPa | 抗壓 /MPa | 28d粘結(jié)強(qiáng)度 /Mpa | |||||||
水泥 | 硅粉* | 膠粉 | 減水劑* | CMC | 納米物質(zhì) | 7d | 28 d | 7d | 28 d | ||
1 | 300 | 3% | 20 | 1.8% | 0.50 | 0.20 | 5.40 | 8.30 | 23.5 | 45.3 | 1.21 |
2 | 300 | 4% | 25 | 2.0% | 0.75 | 0.25 | 5.84 | 8.50 | 24.3 | 46.1 | 1.34 |
3 | 300 | 5% | 30 | 2.2% | 1.00 | 0.30 | 6.11 | 8.61 | 25.6 | 47.2 | 1.46 |
4 | 300 | 6% | 25 | 2.4% | 1.25 | 0.35 | 6.23 | 8.82 | 26.3 | 48.1 | 1.51 |
5 | 300 | 7% | 40 | 2.6% | 1.50 | 0.40 | 6.35 | 9.10 | 25.9 | 48.6 | 1.53 |
6 | 340 | 3% | 25 | 2.2% | 1.25 | 0.40 | 6.13 | 8.75 | 27.6 | 48.4 | 1.59 |
7 | 340 | 4% | 30 | 2.4% | 1.50 | 0.20 | 6.27 | 9.22 | 28.3 | 49.2 | 1.64 |
8 | 340 | 5% | 35 | 1.6% | 0.50 | 0.25 | 6.59 | 9.54 | 28.8 | 50.5 | 1.82 |
9 | 340 | 6% | 40 | 1.8% | 0.75 | 0.30 | 6.87 | 10.39 | 29.6 | 51.7 | 1.89 |
10 | 340 | 7% | 20 | 2.0% | 1.00 | 0.35 | 5.96 | 9.48 | 32.7 | 52.3 | 1.47 |
11 | 380 | 3% | 30 | 2.6% | 0.75 | 0.35 | 6.51 | 11.2 | 35.7 | 53.6 | 1.91 |
12 | 380 | 4% | 35 | 1.8% | 1.00 | 0.40 | 6.58 | 11.45 | 37.6 | 54.1 | 2.14 |
13 | 380 | 5% | 40 | 2.0% | 1.25 | 0.20 | 6.69 | 11.58 | 36.8 | 54.3 | 2.00 |
14 | 380 | 6% | 20 | 2.2% | 1.50 | 0.25 | 6.04 | 10.92 | 39.2 | 53.5 | 2.01 |
15 | 380 | 7% | 25 | 2.4% | 0.50 | 0.30 | 6.26 | 11.14 | 38.0 | 54.4 | 2.06 |
16 | 420 | 3% | 35 | 2.0% | 1.50 | 0.30 | 6.85 | 12.30 | 37.1 | 53.9 | 2.18 |
17 | 420 | 4% | 40 | 2.2% | 0.50 | 0.35 | 6.89 | 12.71 | 38.2 | 54.2 | 2.22 |
18 | 420 | 5% | 20 | 2.4% | 0.75 | 0.40 | 7.01 | 12.25 | 39.9 | 54.6 | 2.36 |
19 | 420 | 6% | 25 | 2.6% | 1.00 | 0.20 | 7.12 | 12.38 | 40.8 | 55.0 | 2.04 |
20 | 420 | 7% | 30 | 1.8% | 1.25 | 0.30 | 7.27 | 12.83 | 40.2 | 56.2 | 2.31 |
21 | 460 | 3% | 40 | 2.4% | 1.00 | 0.25 | 6.94 | 12.45 | 39.4 | 54.9 | 235 |
22 | 460 | 4% | 20 | 2.6% | 1.25 | 0.30 | 6.98 | 12.11 | 39.8 | 55.4 | 2.41 |
23 | 460 | 5% | 25 | 1.8% | 1.50 | 0.35 | 7.03 | 12.36 | 41.2 | 56.6 | 2.47 |
24 | 460 | 6% | 30 | 2.0% | 0.50 | 0.40 | 7.16 | 12.76 | 42.4 | 57.9 | 2.53 |
25 | 460 | 7% | 35 | 2.2% | 0.75 | 0.20 | 7.24 | 12.94 | 40.7 | 57.4 | 2.39 |
如上文所提，水泥作為膠凝材料，對(duì)抗折抗壓強(qiáng)度影響是最大，但隨著其用量的增加，其效力趨于減弱，基本原因?yàn)樘岣咚嘤昧靠梢砸暈閺?qiáng)度趨于水泥凈漿的強(qiáng)度，同時(shí)過(guò)高的水泥量在修補(bǔ)應(yīng)用中沒(méi)有工程價(jià)值并可能引發(fā)薄層修補(bǔ)的上表面龜裂和貫穿型本體開裂，在對(duì)比A1:A5水平的性能，參照標(biāo)準(zhǔn)要求的30/45MPA、6/12Mpa，預(yù)留20%的富余量，選用A4水平作為優(yōu)選值。硅粉作為一種依據(jù)水泥用量的添加摻合料，在3%~7%的區(qū)間時(shí)，體現(xiàn)出與強(qiáng)度的正相關(guān)線性關(guān)系，能提高試件的抗壓強(qiáng)度同時(shí)對(duì)抗折強(qiáng)度具有改善抗折性能，在B4水平時(shí)，具有較好的28d折壓比n=0.208，從而具有很好的強(qiáng)度和柔性。膠粉用量對(duì)凝結(jié)時(shí)間具有較大的影響，從圖1得出膠粉量的增加對(duì)抗折具有正相關(guān)線性關(guān)系，但對(duì)7d和28d抗壓強(qiáng)度分別為負(fù)相關(guān)和輕微影響，從抗折強(qiáng)度出發(fā)，優(yōu)選C5作為最有摻量。D與E因素，是作為調(diào)節(jié)用水量和操作性的指標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)D2和E3水平時(shí)，具有很好的施工和攪拌施工性能。
在粘結(jié)強(qiáng)度中，水泥、硅粉、膠粉、納米物質(zhì)是影響其性能的重要指標(biāo)，另一方面，通過(guò)摻入微量的憎水劑來(lái)改善其浸水和凍融性能，此5個(gè)指標(biāo)分別為A4B4C5D2E3時(shí)作為表4中粘結(jié)強(qiáng)度優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的固定配比，對(duì)比F3、F5和憎水劑0.6‰、0.8‰用量下的拉伸粘結(jié)性能相關(guān)結(jié)果見表4。在表中可以看出，憎水劑的加入可以很好的改進(jìn)浸水后和凍融后拉伸粘結(jié)強(qiáng)度；另一方面，納米物質(zhì)的堆積密度是40kg/m3、憎水劑的堆積密度720kg/m3，在性能相似時(shí)具有較大體積量的原料更利于工業(yè)化產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定，優(yōu)選納米物質(zhì)為F3=0.30‰、憎水劑0.80‰，作為粘結(jié)性能優(yōu)化的優(yōu)選摻量。
表4. 粘結(jié)強(qiáng)度性能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)及結(jié)果
配比 | 納米物質(zhì) | 憎水劑 （內(nèi)摻） | 28d粘結(jié)強(qiáng)度 /Mpa | ||
未處理 | 浸水 | 凍融 | |||
固定配比 | F3 | 0 | 2.21 | 1.88 | 1.59 |
F3 | 0.6‰ | 2.20 | 2.09 | 2.02 | |
F5 | 0.8‰ | 2.41 | 2.27 | 2.25 | |
F3 | 0.8‰ | 2.20 | 2.15 | 2.14 | |
F5 | 0.6‰ | 2.43 | 2.40 | 2.39 | |
2.3 HCC修補(bǔ)劑的配比及性能
在如上的實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化中，每1000g修補(bǔ)劑中當(dāng)水泥用量為420g、硅粉為420×6%=25g、膠粉為40g、減水劑為420×2%=8.4g、CMC為1g、納米物質(zhì)為0.3g、憎水劑為0.8g，其余為砂時(shí)，具有如表5的技術(shù)性能。
表5. HCC型修補(bǔ)劑的性能
凝結(jié)時(shí)間 | 抗壓強(qiáng)度 /MPa | 抗折強(qiáng)度 /MPa | 拉伸粘結(jié)強(qiáng)度 /MPa | 收縮率 /% | |||||
初始/min | 終凝/h | 7d | 28d | 7d | 28d | 未處理 | 浸水 | 25次凍融 | |
210 | 8.9 | 38.9 | 55.2 | 7.23 | 12.41 | 2.20 | 2.15 | 2.14 | 0 |
3修補(bǔ)料的修補(bǔ)機(jī)理分析
當(dāng)修補(bǔ)劑中的粉體顆粒與攪拌水接觸后，通過(guò)減水劑的作用降低漿料里游離水的量，從而降低修補(bǔ)劑固化后因游離水揮發(fā)后留下的毛細(xì)孔道，提高圍觀結(jié)構(gòu)下孔隙率，在硅粉與水泥水化產(chǎn)生的CH、CSH作用形成新的晶核填充在水泥漿體里，提高了修補(bǔ)料的本體強(qiáng)度[2、3]?？稍俜稚⒛z粉是一種具有柔性的熱塑性樹脂，已有研究表明[4]，膠粉可以提高抗折強(qiáng)度，另一面膠粉量可以或多或少的降低抗壓強(qiáng)度，從而調(diào)節(jié)了修補(bǔ)劑的柔韌性。
納米材料的摻入，與膠粉和硅粉共同作用，提高了對(duì)受損基體的粘結(jié)力，在圖2中對(duì)比12h和24h時(shí)的電鏡照片可以發(fā)現(xiàn)，在第12h時(shí)，各原料已經(jīng)開始水化并成核生長(zhǎng)，生成了很多直徑在50~200nm的細(xì)小顆粒，在24h時(shí)已經(jīng)固化并成膜，初步形成了穩(wěn)定的水泥固化物[3、5]；對(duì)比圖2和圖3，可以得出HCC型修補(bǔ)劑從水化到后期形成密實(shí)水泥基修補(bǔ)材料的過(guò)程。M40砂漿為PO42.5水泥的ISO法標(biāo)準(zhǔn)1：3水泥砂漿試件，抗壓強(qiáng)度為47Mpa，圖4為修補(bǔ)劑對(duì)M40砂漿的實(shí)際粘結(jié)后拉拔圖，破損的界面為M40砂漿，這充分說(shuō)明HCC型修補(bǔ)劑對(duì)水泥基材料具有非常好的粘結(jié)性能和滲透能力，通過(guò)納米級(jí)材料的滲透并水化，實(shí)現(xiàn)界面的粘接，當(dāng)用于破損砂漿混凝土的修補(bǔ)時(shí)，具有比本體材料更好的力學(xué)性能，不會(huì)產(chǎn)生再破損[6]。
圖2. 修補(bǔ)劑水化物第12h(左×50k)和第24h(右×10k) FSEM
圖3. 修補(bǔ)劑水化物第7d(左×10k)和第28d(右×5k) FSEM
圖4. 修補(bǔ)劑對(duì)M40級(jí)砂漿28d粘結(jié)拉拔破壞
4結(jié)語(yǔ)
1）該修補(bǔ)料通過(guò)水泥、硅粉、膠粉、奈系減水劑、CMC、納米材料和砂等配制而成的單組份HCC水泥基滲透型流體修補(bǔ)砂漿。體系中的活性成分滲透到原破損砂漿混凝土的微孔或毛細(xì)孔中，形成牢固的粘結(jié)力，從而實(shí)現(xiàn)修補(bǔ)。
2) 當(dāng)水泥用量為42.0%、硅粉為2.5%、膠粉為4.0%、減水劑為0.84%、CMC為0.1%、納米物質(zhì)為0.03%、憎水劑為0.08%，其余為砂時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)抗壓、抗折的7d-28d強(qiáng)度分別為：38.9Mpa-55.2Mpa、7.23Mpa-12.41Mpa，28d粘結(jié)強(qiáng)度2.20Mpa，浸水和凍融后為2.15Mpa、2.14Mpa。
3) HCC型修補(bǔ)劑可以廣泛的用于混凝土和砂漿的高粘結(jié)的滲透修補(bǔ)，與有機(jī)修補(bǔ)材料相比，具有成本低、兼容性好的特點(diǎn)。
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作者簡(jiǎn)介：柴石明，男，吉林松原人，（1984-），助理工程師，從事水泥建材的開發(fā)與應(yīng)用。
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