柴石明

渗透型流体修补砂浆的配制及性能研究

柴石明

（南京沪联新型建材有限公司，江苏南京210041）

研究了胶凝材料、高活性物质、化学添加剂用量对HCC渗透型修补砂浆本体强度、粘结性能及其耐候性的影响，通过SEM分析了修补砂浆水化物在不同龄期的晶体生长过程，得出了HCC渗透型修补砂浆的最优配比。试验结果表明，按最优配比制备的HCC渗透型修补砂浆具有很好的技术性能和施工性能，符合或优于JG/T 336—2011《混凝土结构修复用聚合物水泥砂浆》标准中A型的要求。

纳米渗透；HCC；修补；早期强度；粘接强度

混凝土和砂浆是我国近现代建筑的主体材料，容易出现老化和破损等情况，修补材料以聚合物改性水泥为主，主要的技术手段有：丁苯或丙烯酸乳胶等的有机物改性、高活性矿物的活化改性、纳米材料改性等。产品多、性能侧重强是目前建筑领域中修补材料的特点，同时建筑破损的产生原因不明和复杂性使得修补材料的选用和侧重显得愈发重要和难以取舍［1-2］。

HCC渗透型修补砂浆是通过乳胶粉、高活性矿物和纳米物质的共同作用，从改善其本体的力学性能、与修补界面的粘结强度、工程应用的便捷性等作为产品的技术要求，具有粘结力强、抗渗、耐腐蚀等优点，技术指标符合或优于JG/T 336—2011《混凝土结构修复用聚合物水泥砂浆》的要求。

1　试验

1.1原材料和仪器设备

水泥：南京海螺水泥有限公司产P·O 52.5水泥，密度3.05 g/cm3，比表面积360 m2/kg，化学成分见表1；硅粉：武汉新必达硅粉材料公司，密度2.06 g/cm3，火山灰活性指数0.91，比表面积13.4 m2/g，化学成分见表1；砂：石英砂，密度2.64 g/cm3；聚羧酸减水剂：Niyon700型，减水率22%，苏州弗克公司；膨胀剂：HP型，南京沪联公司产；可再分散胶粉：4015N型，瓦克公司产；纳米材料：气相白炭黑，M-5型，美国CABOT公司产；憎水剂：SHP50，美国道康宁公司；羧甲基纤维素（CMC）：FH9，重庆力宏精细化工有限公司。

表1　水泥和硅粉的主要化学成分%

主要试验仪器为：XZM100振动型磨机，武汉探矿机械公司；TYE-300B型试验压力机、NRJ-411A型胶砂搅拌机，无锡建仪仪器机械有限公司；SPZ-100型膨胀率测定仪，杭州三思仪器有限公司；恒温恒湿养护箱：PYX-150-B型，广东韶关科力试验仪器有限公司；JSM-6380LV型扫描电镜，日本岛津公司。

1.2试验方法

HCC渗透型修补砂浆的抗压、抗折强度，冻融循环，凝结时间，粘结强度按照JG/T 336—2011进行测试；抗渗压力按照GB 23440—2009《无机防水堵漏材料》进行测试；流动性按照GB/T50448—2008《水泥基灌浆材料应用技术规范》进行测试。

2　正交试验设计及结果分析

2.1正交试验优化设计及测试结果

在对如上的技术指标要求中，以单组份现场加水施工方案的Ⅰ类产品作为产品最终形态时，选取出影响强度的胶凝材料、影响凝结时间的减水剂和胶粉、影响拉伸粘结强度的胶粉和纳米材料、影响流态性能的高分子聚合物添加剂等因素，设计的6因素5水平L25（65）正交试验表见表2，用砂补齐至100%。其它指标如凝结时间和收缩率属于微量化学试剂可控指标，在试验后期予以调整。

表2　正交试验因素水平

正交试验设计及性能测试结果见表3，各因素对强度影响的极差分析见图1。

表3　正交试验设计及性能测试结果

图1　各因素对强度影响的极差分析

由表3和图1可以看出，各因素对修补砂浆7 d和28 d抗折强度的影响分为3个主要递减梯度，水泥＞胶粉≈硅粉＞纳米材料≈减水剂≈CMC；对修补砂浆7 d和28 d抗压强度的影响也分为3个主要递减梯度，水泥＞硅粉＞胶粉≈纳米材料≈减水剂≈CMC。

2.2试验结果分析

水泥和硅粉作为胶凝材料提供HCC渗透型修补砂浆的主要强度性能，因而其对抗折、抗压强度影响最大，但随着其用量的继续增大而效力趋于减弱。基本原因为，提高水泥用量可以视为强度趋于水泥净浆的强度，同时过高的水泥量在修补应用中没有产业化意义，并可能引发薄层修补工程的表面龟裂和本体贯穿型开裂。对比水平A1～A5的性能曲线，参照JG/T 336—2011要求的7 d、28 d抗压强度不低于30、45 MPa、7 d、28d抗折强度不低于6、12 MPa，预留20%的指标富余量，选用A4水平作为优选值。硅粉作为依据水泥用量的掺合料，用量在3%～7%时，体现出与强度的正相关线性关系，能提高试件的抗压强度，同时对抗折强度具有改善作用，在B4水平时，具有较好的28 d折压比（0.208），从而认为在因素A4B4时具有很好的强度性能和柔韧性。

胶粉用量可以影响凝结时间，同时对抗折强度有较大的影响，从图1得出胶粉用量与抗折强度具有正相关线性关系，但对7d和28d抗压强度分别为负相关和轻微影响，从抗折强度出发，优选C5作为最佳掺量。D与E因素是作为调节用水量和操作性能的指标，聚羧酸减水剂通过促进水泥水化放热而提高水化物生成量，有提高强度的作用［2］，当处于D2和E3水平时，具有很好的施工和搅拌性能。在本体的抗折、抗压强度中不对F因素的水平做出判定。

在HCC渗透型修补砂浆的渗透性粘结性能中，水泥、硅粉、胶粉、纳米材料都是影响粘结强度的重要指标，其中纳米材料对渗透粘结的影响最关键，F3和F5为优选出的水平。设计如下补充实验：5个因素水平A4B4C5D2E3固定不变，通过再掺入微量的憎水剂来改善修补砂浆的浸水和冻融性能，对比F3、F5（纳米材料用量分别为0.030%、0.040%），憎水剂用量分别为0.06%、0.08%时，HCC渗透型修补砂浆的拉伸粘结强度，测试结果见表4。

表4　粘结强度性能优化试验及测试结果

由表4可以看出，憎水剂的加入可以很好地改进修补砂浆浸水和冻融后的拉伸粘结强度。另一方面，纳米材料的堆积密度是40 kg/m3、憎水剂的堆积密度720 kg/m3，在性能相似时具有较大体积量的原料更利于工业化产品的质量稳定，选用纳米材料用量0.030%、憎水剂用量0.08%作为粘结性能优化的最佳掺量。

经过优化后，每1000 g修补砂浆中水泥用量为420 g、硅粉为420×6%=25 g、胶粉为40 g、减水剂为420×2%=8.4 g、CMC为1 g、纳米材料为0.3 g、憎水剂为0.8 g，其余为砂时，制备的HCC渗透型修补砂浆具有如表5所示的性能。

表5　HCC渗透型修补砂浆的性能测试结果

3　修补砂浆的修补机理分析

当修补砂浆中的粉体颗粒与搅拌水接触后，通过减水剂的作用降低浆料里游离水的量，从而降低修补砂浆固化后因游离水挥发后留下的毛细孔道，提高微观结构下孔隙率。在硅粉与水泥水化产生的CH、CSH作用形成新的晶核填充在水泥浆体里，提高了修补砂浆的本体强度［3-4］。可再分散胶粉是一种具有柔性的热塑性树脂，已有研究表明［5］，胶粉可以提高抗折强度，另一方面胶粉会或多或少地降低抗压强度，从而调节了修补砂浆的柔韧性。

按最优配比（除砂外）制备了水泥净浆，对固化后的水泥石进行SEM电镜分析，结果见图2。

图2　修补砂浆在不同龄期的SEM照片

由图2可见，在第12 h时，各原料已经开始水化并成核生长，生成了很多直径在50～200 nm的细小颗粒，在24 h时已经固化并成膜，初步形成了稳定的水泥固化物［4，6］。

按照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》标准，采用P·O42.5水泥和标准砂，胶砂比为1∶3、水胶比为0.5制备M40水泥砂浆试件，28 d抗压强度为47 MPa。按优化后最优配比制备的HCC渗透型修补砂浆对M40砂浆的实际粘结后拉拔试件照片见图3。

图3　修补砂浆对M40砂浆的28 d粘结拉拔破坏

由图3可见，破损的界面为M40砂浆本体，这充分说明HCC渗透型修补砂浆对水泥基材料具有非常好的粘结性能和渗透能力，通过纳米材料的渗透并水化，实现界面的粘接［7］。当用于破损砂浆、破损混凝土的修补时，具有比本体材料更高的力学性能，不会产生再破损。

4　结语

（1）采用水泥、硅粉、胶粉、聚羧酸减水剂、CMC、纳米材料和砂等配制而成单组份HCC渗透型修补砂浆。体系中的活性成分渗透到原破损砂浆混凝土的微孔或毛细孔中，形成牢固的粘结力，从而实现修补。

（2）当水泥用量为42.0%、硅粉为2.5%、胶粉为4.0%、减水剂为0.84%、CMC为0.1%、纳米材料为0.03%、憎水剂为0.08%，其余为砂时，制备的修补砂浆7 d抗压、抗折强度分别为38.9、7.23 MPa，28 d抗压、抗折强度分别为55.2、12.41 MPa，28 d粘结强度为2.20 MPa，浸水和冻融后的粘结强度分别为2.15、2.14 MPa。

（3）HCC渗透型修补砂浆可以广泛应用于混凝土和砂浆的高粘结的渗透修补，与有机修补材料相比，具有成本低、相容性好的特点。

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Study on preparation and performance of permeable HCC repairing mortar

CHAI Shiming（Nanjing Hulian New Building Materials Co.Ltd.，Nanjing 210041，Jiangsu，China）

This paper researched the influence of content of cementitious materials，high active substance，and trace chemical additives on the strength，adhesive strength and weather resistance of permeable HCC polymer mortar，and analyzed the repair mortar hydrate crystal growth process at different ages by SEM，finally obtained the optimal ratio.The results showed that the permeable HCC repairing mortar prepared with optimal ratio has good technical performance and application properties，which meets or exceeds type A requirements as specified in standard JG/T 336—2011"Polymer cement mortar for concrete structure repairing".

nano materials penetration，HCC，repair，early strength，adhesive strength

TU58

A

1001-702X（2015）12-0056-04

2015-06-28；

2015-08-11

柴石明，男，1984年生，吉林松原人，从事水泥建材的开发与应用。