賀雄飛，黃 偉，張 浩，唐 剛

(1.廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護企業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 511458；2.中鐵隧道勘察設計研究院有限公司，廣東 廣州 511458；3.安徽工業(yè)大學 建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243032)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，大型建設項目越來越多，建設速度越來越快，對防水材料的功能性提出了更高要求?；炷翗?gòu)件受荷載或環(huán)境溫濕度變化等因素的影響，沿內(nèi)部初始缺陷產(chǎn)生微裂縫，一旦與構(gòu)件表面裂縫貫通，會對構(gòu)件耐久性產(chǎn)生不利影響，嚴重惡化其服役性能[1]。傳統(tǒng)的防水材料只能涂覆在混凝土構(gòu)件表面，不能阻滯或修復混凝土構(gòu)件產(chǎn)生的微裂縫和表面裂縫[2-3]。將滲透結(jié)晶技術用于防水材料，實現(xiàn)其為房屋建筑遮風避雨的同時，可有效阻滯與修復混凝土構(gòu)件產(chǎn)生的微裂縫和表面裂縫，其中水泥基滲透結(jié)晶防水材料因其施工工藝簡單、工作效率高、綜合成本低[4]，已經(jīng)成為防水工程領域的研究熱點。

1942年德國化學家勞倫斯·杰遜在解決水泥船滲漏問題中首次使用了水泥基滲透結(jié)晶防水材料，其中活性物質(zhì)是該防水材料的核心成分。20世紀60年代，水泥基滲透結(jié)晶防水材料在歐洲、日本獲得進一步發(fā)展[5-6]。我國在20世紀80年代初引進了此類防水材料，并將其應用于上海的地鐵工程中[7]。20世紀90年代中期，上海市地鐵運營公司大量采用進口水泥基滲透結(jié)晶防水材料對地鐵進行修補堵漏，效果良好，標志著該防水材料正式進入國內(nèi)市場[8]。為了進一步適應國內(nèi)市場的實際情況，目前普遍利用國外母料與國內(nèi)輔料按照相關技術標準配制生產(chǎn)水泥基滲透結(jié)晶防水材料，實現(xiàn)了此類材料的半國產(chǎn)化[9-10]。

本研究以絡合劑ES、無機硅助劑HS、無機防水劑GS和無機防水劑TS制備活性復合劑，基于響應面法研究水泥基滲透結(jié)晶防水材料中ES摻量、HS摻量、GS摻量、TS摻量4個因素對其綜合抗?jié)B自愈性能的影響，探討各因素對水泥基滲透結(jié)晶防水材料綜合抗?jié)B自愈性能的影響規(guī)律，獲得水泥基滲透結(jié)晶防水材料最佳制備方案，依據(jù)GB 18445-2012《水泥基滲透結(jié)晶型防水材料》測試優(yōu)化其相關性能。研究成果對優(yōu)化制備水泥基滲透結(jié)晶防水材料，提高其綜合抗?jié)B自愈性能具有一定的理論價值和實際意義。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

42.5普通硅酸鹽水泥[ω(SO3)≤3.0%，ω(MgO)≤4.0%，ω(Cl-)≤0.04%，比表面積≥350 m2/kg，初凝時間≥45 min，終凝時間≤6 h，3 d抗壓強度≥20 MPa，3 d抗折強度≥4 MPa，28 d抗壓強度≥45 MPa，28 d抗折強度≥7MPa，安定性合格]，石灰石碎石(連續(xù)級配，粒徑5～25 mm，含泥量0.3%)，中砂(細度模數(shù)2.6，含泥量<0.1%)，石英砂(細度70～140目)，實驗用水為市政用水，絡合劑ES，無機硅助劑HS，無機防水劑GS和無機防水劑TS。

1.2 實驗儀器

ITM306型高精度抗?jié)B儀，JY92-Ⅱ型超聲波細胞破碎儀，YAW-300B微機控制全自動壓力試驗機，KZJ-5000-1型電動抗折試驗機，LJ-2000/5000型電子拉力試驗機。

1.3 實驗方法

首先，將絡合劑ES、無機硅助劑HS、無機防水劑GS和無機防水劑TS依次倒入超聲波細胞破碎儀中，其超聲波功率為600 W、超聲時間為60 min，獲得活性復合劑；將42.5普通硅酸鹽水泥與石英砂按質(zhì)量比3∶7進行復合，獲得膠凝-骨架復合材料；然后將活性復合劑與膠凝-骨架復合材料進行復合，形成水泥基滲透結(jié)晶防水材料，其中絡合劑ES、無機硅助劑HS、無機防水劑GS和無機防水劑TS的摻量以膠凝-骨架復合材料用量的質(zhì)量百分比計算，即ES摻量為1.0%～2.0%、HS摻量為3.0%～7.0%、GS摻量為1.0%～2.0%，TS摻量為0.1%～0.2%。

其次，按每立方米混凝土用190 kg水、350 kg 42.5普通硅酸鹽水泥、780 kg中砂、1 100 kg石灰石碎石進行混合，依據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》制備混凝土試件，其預養(yǎng)護溫度為(20±3)℃，預養(yǎng)護時間為1 d。

最后，依據(jù)GB 18445-2012測試該防水材料對混凝土性能的影響，包括安定性、抗?jié)B性能、抗折強度、抗壓強度和濕基面黏結(jié)強度等。

1.4 響應面法設計

響應面法(Response Surface Methodology, RSM)是利用實驗數(shù)據(jù)擬合因素與響應值之間的關系，以實現(xiàn)同時考慮多個因素來探尋最優(yōu)影響值，并對響應值的各因素水平及其交互作用進行評價[11-12]。本研究以水泥基滲透結(jié)晶防水材料中活性復合劑的絡合劑ES摻量、無機硅助劑HS摻量、無機防水劑GS摻量和無機防水劑TS摻量為影響因素，防水材料的抗?jié)B自愈性能作為目標函數(shù)即響應值。4個影響因素的水平值見表1。

表1 響應面實驗的因素及水平

2 結(jié)果與討論

2.1 響應面模型方差分析

表2給出了響應面實驗設計及結(jié)果。從表2可以看出，經(jīng)水泥基滲透結(jié)晶防水材料處理后的混凝土，其一次抗?jié)B壓力(28 d)為1.31～1.51 MPa，二次抗?jié)B壓力(56 d)為1.01～1.24 MPa，說明水泥基滲透結(jié)晶防水材料不僅具有良好的抗?jié)B性能，而且具有一定的自愈性能。由于一次抗?jié)B壓力與二次抗?jié)B壓力變化趨勢存在不一致性，為了獲得綜合抗?jié)B自愈性能優(yōu)化的水泥基滲透結(jié)晶防水材料制備方案，需要對一次抗?jié)B壓力與二次抗?jié)B壓力作歸一化處理：H1為一次抗?jié)B壓力(28 d)經(jīng)歸一化處理后的值；H2為二次抗?jié)B壓力(56 d)經(jīng)歸一化處理后的值；水泥基滲透結(jié)晶防水材料的綜合抗?jié)B自愈性能Z=H1+H2。

表2 響應面實驗設計及結(jié)果

采用Design Expert 8.0對表 2中的絡合劑ES摻量、無機硅助劑HS摻量、無機防水劑GS摻量、無機防水劑TS摻量和綜合抗?jié)B自愈性能Z進行分析，結(jié)果見表3。從表3可以看出，根據(jù)各因素的P值，可以獲得各因素對響應值的顯著性順序為絡合劑ES摻量>無機硅助劑HS摻量>無機防水劑TS摻量>無機防水劑GS摻量。該模型絡合劑ES摻量、無機硅助劑HS摻量和無機防水劑TS摻量的P>0.05，且絡合劑ES摻量與無機硅助劑HS摻量的P值較大，說明上述因素對水泥基滲透結(jié)晶防水材料的綜合抗?jié)B自愈性能影響顯著。

表3 回歸模型分析結(jié)果

2.2 響應面模型優(yōu)化結(jié)果

利用響應優(yōu)化器對表2中的響應變量即絡合劑ES摻量、無機硅助劑HS摻量、無機防水劑GS摻量、無機防水劑TS摻量與綜合抗?jié)B自愈性能進行優(yōu)化，得出：絡合劑ES摻量為1.6%、無機硅助劑HS摻量為7.2%、無機防水劑GS摻量為0.9%、無機防水劑TS摻量為0.2%時制備的水泥基滲透結(jié)晶防水材料，其綜合抗?jié)B自愈性能響應值Y的合意性為1.000 0，表明此時該材料綜合抗?jié)B自愈性能最佳。

2.3 優(yōu)化水泥基滲透結(jié)晶防水材料性能

在絡合劑ES摻量為1.6%、無機硅助劑HS摻量為7.2%、無機防水劑GS摻量為0.9%和無機防水劑TS摻量為0.2%的條件下，依據(jù)1.3節(jié)的實驗方法制備優(yōu)化水泥基滲透結(jié)晶防水材料并測試其性能，結(jié)果見表4。

表4 優(yōu)化水泥基滲透結(jié)晶防水材料性能

從表4可以看出：優(yōu)化水泥基滲透結(jié)晶防水材料的一次抗?jié)B壓力(28 d)與混凝土二次抗?jié)B壓力(56 d)分別為1.50、1.22 MPa，其綜合抗?jié)B自愈性能為(1.50/1.51)+(1.22/1.24)=1.977 2，高于表2中29組水泥基滲透結(jié)晶防水材料的綜合抗?jié)B自愈性能；同時優(yōu)化水泥基滲透結(jié)晶防水材料的安定性、凝結(jié)時間、抗壓強度、抗折強度和濕基面黏結(jié)強度均優(yōu)于GB 18445-2012的要求值，尤其是具有良好的濕基面黏結(jié)強度，可以增強水泥基滲透結(jié)晶防水材料涂層與新舊混凝土基面的黏結(jié)牢固度，并進一步增強綜合抗?jié)B自愈性能。

3 結(jié)論

以絡合劑ES、無機硅助劑HS、無機防水劑GS和無機防水劑TS制備活性復合劑，基于響應面法研究了水泥基滲透結(jié)晶防水材料中各組分摻量對水泥基滲透結(jié)晶防水材料綜合抗?jié)B自愈性能的影響，依據(jù)GB 18445-2012測試優(yōu)化其相關性能，得到以下主要結(jié)論：

a.水泥基滲透結(jié)晶防水材料中絡合劑ES摻量、無機硅助劑HS摻量、無機防水劑GS摻量、無機防水劑TS摻量對綜合抗?jié)B自愈性能的顯著性順序為絡合劑ES摻量>無機硅助劑HS摻量>無機防水劑TS摻量>無機防水劑GS摻量，其中絡合劑ES摻量與無機硅助劑HS摻量的影響顯著。

b.優(yōu)化后的水泥基滲透結(jié)晶防水材料制備方案為：絡合劑ES摻量1.6%、無機硅助劑HS摻量7.2%、無機防水劑GS摻量0.9%、無機防水劑TS摻量0.2%。

c.優(yōu)化后的水泥基滲透結(jié)晶防水材料的初凝時間為95.0 min、終凝時間為5.5 h、7 d抗壓強度為5.84 MPa、28 d抗壓強度為7.26 MPa、7 d抗折強度為16.82 MPa、28 d抗折強度為23.64 MPa、濕基面黏結(jié)強度為2.12 MPa、一次抗?jié)B壓力(28 d)為1.50 MPa、二次抗?jié)B壓力(56 d)為1.22 MPa。