綠色建筑材料裂縫自修復(fù)研究

■ 張軍學(xué) ZHANG Junxue

1 背景介紹

自水泥發(fā)明以來，建筑材料在建筑業(yè)中就扮演著重要的角色，但是由于水泥基材料的溫度變化、濕度變化、收縮、膨脹、不均勻沉陷、外荷載等原因，均會導(dǎo)致水泥基材料產(chǎn)生各種形式的裂縫，裂紋的出現(xiàn)會極大地降低材料的抗?jié)B性能和力學(xué)性能[1-5]。因此，為了延長建筑物的使用壽命，避免由水泥基材料裂縫所帶來的損失，對水泥基材料裂紋的修復(fù)成為當(dāng)前亟待解決的問題[6]。

傳統(tǒng)的被動修補(bǔ)是之前的主要選擇，但是傳統(tǒng)的事后修補(bǔ)方案，由于其本身的局限性和高昂的代價，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的需要。通過加入特殊組分的方法在理論上雖然可行，但是在實(shí)際應(yīng)用中又有諸多的限制條件，仍有待進(jìn)一步的研究[7-8]。因此，需要一種高效、經(jīng)濟(jì)、可行的修復(fù)方案來解決當(dāng)前的問題[9-10]。

自動修復(fù)技術(shù)由于種種限制無法實(shí)現(xiàn)或者修復(fù)效果不佳，本文為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)的被動修復(fù)方法缺陷，提高修復(fù)水平，采用正交分析的方法進(jìn)行自動修復(fù)材料技術(shù)的研究。選取6種原料，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化處理，同時，對各種力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)及成分進(jìn)行分析，綜合評估自動修復(fù)材料的效果，為解決建筑裂縫問題提供補(bǔ)充和技術(shù)支撐。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原材料

原料有6種，分別為：助劑A、硫鋁酸鹽水泥B、硅酸鹽水泥C、氫氧化鈣D、活性劑E、石英砂等。

2.2 試驗(yàn)方法及測試標(biāo)準(zhǔn)

按照標(biāo)準(zhǔn)試件制作樣品，分組養(yǎng)護(hù)后，進(jìn)行涂料涂抹，涂抹比例為每塊6g。試塊規(guī)格為4cm×4cm×4cm。測試種類有抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B程度、黏結(jié)程度等測試指標(biāo)。

基本性能測試參考《水泥基滲透結(jié)晶型防水材料》（GB18445－2001），抗?jié)B性能參考JC474的標(biāo)準(zhǔn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 最佳試驗(yàn)方案篩選

正交實(shí)驗(yàn)根據(jù)試件的早期性能（凝結(jié)時間、抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度）進(jìn)行設(shè)計，具體設(shè)計細(xì)節(jié)見表1。

3.2 第一階段防水材料的性能測試及配方優(yōu)化

表2為第一輪優(yōu)化的正交實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.3 不同組分對凝結(jié)時間的影響

根據(jù)圖1和圖2可知，助劑對初凝和終凝時間的影響有限，都為先升高，再降低；硫鋁酸鹽水泥對初凝時間和終凝時間影響明顯，在摻入量為40%時，初凝和終凝時間都為最小；圖3、圖4和圖5分別為普通硅酸鹽水泥、Ca(OH)2、活性劑對凝結(jié)時間的影響，總體上對凝結(jié)時間影響不大，初凝和終凝時間變化規(guī)律類似。基于以上圖1～5的分析，硫鋁酸鹽水泥對初凝時間和終凝時間影響最為明顯，其它成分對凝結(jié)時間影響不大。

3.4 不同組分對抗?jié)B性能的影響

圖6～10為不同摻量的助劑、硫鋁酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、Ca(OH)2、活性劑對抗?jié)B壓力的影響。助劑和硫鋁酸鹽水泥影響不大，基本對抗?jié)B壓力保持不變的趨勢；普通硅酸鹽水泥的摻量對抗?jié)B壓力有著周期性的影響，影響幅度為0.9～1.0MPa。Ca(OH)2對抗?jié)B壓力有負(fù)面影響，隨著摻量的增加，抗?jié)B壓力逐漸減小；活性劑對抗?jié)B壓力的影響是積極的，活性劑的增加導(dǎo)致抗?jié)B性能的提升。

表1 組分配比正交優(yōu)化方案1

圖1 助劑對凝結(jié)時間的影響

圖2 硫鋁酸鹽水泥對凝結(jié)時間的影響

圖3 普通硅酸鹽水泥對凝結(jié)時間的影響

圖4 Ca(OH)2對凝結(jié)時間的影響

圖5 活性劑對凝結(jié)時間的影響

圖6 助劑對抗?jié)B壓力的影響

3.5 不同組分對試件抗壓強(qiáng)度的影響

圖11～15為各組分對抗壓強(qiáng)度的影響。助劑的最佳摻量約為4%；硫鋁酸鹽水泥對抗壓強(qiáng)度的影響是周期性的，40%左右是最佳值；普通硅酸鹽水泥對抗壓強(qiáng)度的影響同樣為周期性，最佳比重約30%上下；Ca(OH)2對抗壓強(qiáng)度的影響是先升高再降低，在摻量為3%時為最佳；活性劑則是呈現(xiàn)不斷提升的影響，最佳量初步估計為1.5%。

3.6 不同組分對試件黏結(jié)強(qiáng)度的影響

助劑對黏結(jié)強(qiáng)度影響最佳摻量為4%，見圖16；硫鋁酸鹽水泥對黏結(jié)強(qiáng)度的影響為先增強(qiáng)再降低，最佳摻量約為40%；普通硅酸鹽水泥對黏結(jié)強(qiáng)度的影響隨著比重增加而加大，相關(guān)影響需要進(jìn)一步驗(yàn)證；Ca(OH)2對黏結(jié)強(qiáng)度起消極作用，摻量越多，黏結(jié)強(qiáng)度越低；活性劑的比重越高，效果越明顯，但考慮到成本問題，需要確定1.5%為最佳添加量（圖17～20）。

圖7 硫鋁酸鹽水泥對抗?jié)B壓力的影響

圖8 普通硅酸鹽水泥對抗?jié)B壓力的影響

圖9 Ca(OH)2對抗?jié)B壓力的影響

圖10 活性劑對抗?jié)B壓力的影響

圖11 助劑對抗壓強(qiáng)度的影響

圖12 硫鋁酸鹽水泥對抗壓強(qiáng)度的影響

圖13 普通硅酸鹽水泥對抗壓強(qiáng)度的影響

圖14 Ca(OH)2對抗壓強(qiáng)度的影響

圖15 活性劑對抗壓強(qiáng)度的影響

圖16 助劑對黏結(jié)強(qiáng)度的影響

圖17 硫鋁酸鹽水泥對黏結(jié)強(qiáng)度的影響

圖18 普通硅酸鹽水泥對黏結(jié)強(qiáng)度的影響

圖19 Ca(OH)2對黏結(jié)強(qiáng)度的影響

圖20 活性劑對黏結(jié)強(qiáng)度的影響

3.7 不同組分對試件性能的綜合評價

通過各組分對凝結(jié)時間、抗?jié)B、抗壓、黏結(jié)強(qiáng)度等指標(biāo)的分析，確定的初步方案為助劑4.5%，硫鋁酸鹽水泥43%，活性劑1.5%，此方案需要進(jìn)一步優(yōu)化驗(yàn)證。

3.8 第二輪最終方案確定

表2為選取地組配方進(jìn)行二次優(yōu)化處理配比表，目的為驗(yàn)證初步方案的配比 。

通過表2的第二輪優(yōu)化方案，可以看到優(yōu)14的各項(xiàng)數(shù)據(jù)是最佳的，故最佳配比為：助劑5%，硫鋁酸鹽水泥42%，活性劑1.5%，普通硅酸鹽水泥為34%。

3.9 試件的微觀結(jié)構(gòu)分析

通過對空白試件和處理試件的SEM觀測，可得到微觀圖片，見圖21和圖22。

圖21空白試件的孔隙很多，微觀上分析容易造成水分子的滲透；圖22加入修復(fù)劑后的SEM試件，結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，塊狀更多，孔隙顯著減少，促進(jìn)了材料的愈合效果。圖23為裂縫處成分的XRD分析，得出填充物為氫氧化鎂，起到了抗?jié)B的效果。

4 結(jié)語

基于以上大量的正交實(shí)驗(yàn)，在凝結(jié)時間、抗?jié)B、抗壓以及黏結(jié)強(qiáng)度等各指標(biāo)的分析基礎(chǔ)上，研究得出：修復(fù)劑成分最優(yōu)比例為助劑5%，硫鋁酸鹽水泥42%，活性劑1.5%，普通硅酸鹽水泥34%；正交實(shí)驗(yàn)得出的最佳涂料配方，處理水泥空白試件后，抗?jié)B性能超過1.5MPa，抗壓強(qiáng)度超過45MPa；加入修復(fù)劑后的SEM試件，結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，塊狀更多，整體性更強(qiáng)，有助于改善滲透的作用，通過XRD分析得出填充物為氫氧化鎂。

表2 第二輪優(yōu)化方案配比表

圖21 水泥砂漿空白試件的SEM照片

圖22 修復(fù)后試件的SEM照片

圖23 修復(fù)物的X射線衍射分析圖