日期：2022-02-16
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176 核心提示：掺合料及复掺化学防水物质对砂浆抗渗性能影响的研究孙永波1，曾力2，黄站峰3，罗畅1（1.黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州4500
掺合料及复掺化学防水物质对砂浆抗渗性能影响的研究
孙永波1，曾力2，黄站峰3，罗畅1
（1.黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州450003；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072；3.长江勘测规划设计研究院规划处，湖北武汉430010）
0 引言
在混凝土工程中，渗漏问题一直是困扰工程界的疑难病症，是科研人员着力研究解决的重要课题。目前，我国防水材料的发展主要有柔性防水材料和刚性防水材料两大类。柔性防水材料的应用较为广泛，它主要是利用聚合和改性的有机高分子材料，铺贴在混凝土表面，形成1 层憎水防水层，实现防水目的，是属于“治标”的外防水技术。虽其施工方便，但缺点是价格较高、有效期较短、变形较大、易从混凝土表面脱落、大多有毒等。刚性防水材料大多用于大型刚性块体防水建筑物中，它主要是以水泥、砂、石子和少量外加剂等物质，在混凝土表面或内部形成致密、有一定强度、弥合混凝土结构缺陷、增强混凝土防水性能的防水砂浆或防水混凝土，是属于“治本”的内防水技术，其优点是价格低廉、耐久性好、与混凝土变形一致、便于修复等，但是其施工控制较为严格。我国对无机刚性防水材料的研究起步较晚，研究技术相对比较落后，研究成果相对较少，相应的规范也不够完善。本文基于这一点，以水泥砂浆为技术依托，运用微细颗粒级配增密原理和复合叠加原理，在掺入化学防水剂的情况下，对粉煤灰、硅粉等掺合料对砂浆抗渗性能影响的规律进行研究，以得出砂浆抗渗性能佳的合理掺量。
1 试验材料
1.1 胶凝材料
水泥采用湖北黄石华新水泥厂生产的堡垒牌42.5 普硅水泥，密度3.09 g/cm3，安定性合格，C3S 含量42.53％，C2S 含量23.26％，C3A 含量9.75％，C4AF 含量11.22％。其化学成分及物理性能分别见表1 和表2。
1.2 掺和料
粉煤灰为Ⅰ级灰，密度2.15 g/cm3，需水量比95%，45 μm筛筛余10.4%，含水率0.6%。粉煤灰和硅粉的化学成分见表3。
1.3 砂
采用细河砂，成型试件时取砂的饱和面干状态。砂的密度2.75 g/cm3，松散表观密度1.52 g/cm3，吸水率0.8%，含泥量0.5%，有机质含量合格，细粉含量1.7%，细度模数2.05，粒径分布见表4。
1.4 化学防水物质
根据本文试验计划，优选3 种无机化学防水物质作为提高无机防水材料防水性能的组分。
2 试验思路及方法
本文以防水砂浆为技术依托，采用正交设计试验，优选出一种防水效果较好的化学物质，在掺入化学防水物质情况下，运用微细颗粒级配增密原理和复合叠加原理，研究掺合料及复掺化学物质对砂浆抗渗性能的影响；砂浆灰砂比为1∶2，跳桌流动度控制在160 mm 左右，以测试砂浆7 d 龄期的渗透高度作为比较依据，找出各掺合料和化学防水物质对砂浆抗渗性能影响的规律。本试验研究所用抗渗仪器为天津仪器厂生产的砂浆抗渗仪。
按照GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》和DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》的规定，成型抗渗砂浆试件各6个，试件上口直径70 mm、下口直径80 mm、高30 mm。1 d 拆模，然后放入标准养护室内养护至规定龄期。取出并待表面干燥后，在试件侧面用石蜡松香密封，装入试模内，待冷却后，装入渗透仪中。抗渗试验采用一次加压抗渗法，压力为2.5 MPa，耗时8 h，若不透水，劈开，测其渗透高度，作为比较根据[1-2]。
3 配合比设计及试验结果
3.1 优选化学防水物质正交试验
参考目前市场上常用的化学防水剂，本文选择3 种碱类化学防水物质。通过正交试验，利用它们对砂浆抗渗性能的影响，选出一种优的化学物质。采用4 因素3 水平试验，因素水平表见表5。A、B、C 分别为3 种化学防水物质，W/B 为水灰比，多选个因素是为了便于规律的考察，h（7 d）表示掺有化学防水物质砂浆7 d 的渗透高度，下同。
表5 正交设计因素水平表
成型砂浆抗渗试件9 组，每组3 个试件，试验设计及处理结果见表6。
化学防水剂一般用于抗渗要求较低的工程中，由本次试验结果可以看出，化学防水物质加入砂浆中，砂浆的抗渗能力整体上较差，抗渗结果离散性较大。由极差分析得出，各因素影响砂浆抗渗的主次顺序是：D＞A＞B＞C，即水灰比是砂浆抗渗的主要因素，化学防水剂A 在3 个因素中对砂浆抗渗影响为显著。本文选用因素A3，即化学防水剂A 以占水泥质量的3%掺入砂浆中，对新的无机防水材料组分进行优化试验研究。
3.2 对防水砂浆的单因素分析
3.2.1 粉煤灰的影响
粉煤灰（FA）分别以0、5%、10%、15%等量取代水泥掺入砂浆中，对砂浆的跳桌流动度和7 d 渗透高度的影响见表7。
注：h0 （ 7 d）为同类不掺化学防水物质砂浆的7 d 渗透高度，下同。
表7 结果显示，随着粉煤灰掺量的增加，砂浆的流动度不断增大，但是砂浆的抗渗性能却有所下降；与不掺化学物质的砂浆渗透高度横向对比，复掺化学物质与粉煤灰对砂浆的抗渗性能提高显著。考虑到粉煤灰具有抗收缩性能，及保证防水砂浆具有足够的水泥胶凝材料，本文重点研究砂浆中粉煤灰掺入量为5%和10%的情况。
3.2.2 硅粉的影响
硅粉（SF）等量取代水泥掺入化学物质砂浆中，配比及试验结果见表8。
表8 显示，硅粉较小的掺量就能明显提高砂浆的抗渗性能；随着硅粉掺量的增加，砂浆的抗渗性能逐渐提高；与不掺化学物质的砂浆横向比较，硅粉与化学物质复掺对砂浆抗渗性的改善能力优于单掺。当硅粉等量取代10%的水泥时，砂浆7 d 的抗渗高度为基准砂浆的28.4%。另外，加入的化学防水物质对砂浆有减小流动度的负面作用，在固定水灰比为0.4 的情况下，砂浆的流动度显著降低。过低的流动度不利于施工，同时，硅粉掺量过多又会增大砂浆的干缩率，不利于防水砂浆的抗裂性。因此，选用硅粉掺量为4%进行继续研究。
3.2.3 复掺粉煤灰和硅粉的影响
以复掺硅粉4%，粉煤灰为5%、10%等量取代水泥掺入砂浆中，对砂浆流动度和抗渗性的影响见表9。
表9 复掺SF、FA 对砂浆流动度及渗透高度的影响
表9 结果显示，复掺粉煤灰和硅粉时，随粉煤灰掺量增加，流动度有所增大，而7 d 的渗透高度降低，即抗渗能力提高；与不掺化学物质的砂浆横向比较，复掺化学物质对砂浆抗渗性能的改善更好，但提高的幅度不大。
4 机理分析
粉煤灰是从电厂烟尘中收集的一种细颗粒粉末，其主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化铁，这些成分均具有火山灰活性，形状为硅铝玻璃微珠，粉煤灰越细，品质越好，活性越高。I级粉煤灰为优质粉煤灰，其颗粒比水泥还细，掺入水泥中不仅能与水泥颗粒组成良好的颗粒级配，而且在拌和砂浆时还能起到“滚珠”和“减水”作用。粉煤灰在水泥砂浆中的火山灰活性反应方程式主要是：
xCa（OH）2+SiO2+（n-1）H2O=xCaO·SiO2·nH2O
xCa（OH）2+Al2O3+（n-1）H2O=xCaO·Al2O3·nH2O
该反应过程主要是：受扩散控制的溶解反应，早期硅粉和粉煤灰颗粒表面溶解，反应生成物沉淀在颗粒的表面，后期钙离子继续通过表层和沉淀的水化产物层向芯部扩散，与活性SiO2 发生反应。水泥颗粒水化反应在先，粉煤灰活性物质反应在后，因此称这类反应为二次反应。在砂浆中这两类水化反应交替进行，相辅相成，互相制约。粉煤灰的二次反应生成物C-S-H 胶凝与水泥水化产物Ca（OH）2 沉淀共同组成“双膜层”，随水化反应的进展，双膜层与水泥浆体紧密结合，填充孔隙，从而提高了砂浆的抗渗性能。而粉煤灰虽然也有较高的活性，但其活性到后期才能充分发挥出来，在水泥水化初期粉煤灰只起到物理填充作用。
硅粉中85%～95%以上是无定型SiO2，具有极强的火山灰活性，在水泥水化初期就能与Ca（OH）2 反应，生成C-S-H 凝胶，填充于水泥颗粒之间，可有效降低砂浆的泌水，防止水分在集料下表面凝聚，提高界面过渡区的密实度和减小界面过渡区的厚度，从而减少砂浆的总毛细孔隙率，使孔隙彼此间连接变得困难，所以大大提高了砂浆的抗渗性能。化学防水物质能激发而加速水泥水化，产生更多凝胶体，在砂浆中较早地生成网络状物质，从而使砂浆更加密实。同时，化学物质活性非常高，它能与水泥水化的产物Ca（OH）2迅速反应，生成不溶于水的物质，使得新拌的水泥砂浆较早的失去流动性，所以这些试件的流动度比单掺矿物掺合料的砂浆流动度普遍较小。在复掺防水化学物质情况下，在水泥水化初期，单掺硅粉的砂浆抗渗性能好于单掺粉煤灰的砂浆，但掺入硅粉的砂浆需水量增加，流动度损失较大；当复掺10%的粉煤灰和4%的硅粉时，粉煤灰、硅粉和水泥颗粒构成了合理的微细颗粒级配，使得砂浆中微细颗粒间紧密结合，从而减少砂浆中的空隙；硅粉颗粒活性的在水泥水化初期发挥，生成C-S-H 凝胶，填充孔隙，更增加了砂浆的密实性；粉煤灰在水泥水化初期起到“滚珠”作用，有效的抵消因掺入硅粉而增加的需水量。所以，该复掺掺量对砂浆流动性能和抗渗性能改善佳。而且随着时间增加，粉煤灰的活性逐渐发挥，砂浆的抗渗性能还会不断提高。
5 结语
试验研究了在复掺防水化学物质情况下，粉煤灰和硅粉对砂浆抗渗性能的影响，得出了粉煤灰和硅粉在单掺和复掺及复掺防水化学物质下对砂浆抗渗性能的影响规律，当在砂浆中复掺10%的粉煤灰和4%的硅粉，同时复掺3%的防水化学物质时，砂浆的抗渗性能改善效果佳。
