基于響應面法的綜合抗滲自愈性能水泥基滲透結晶防水材料制備方案優化*

賀雄飛，黃 偉，張 浩，唐 剛

(1.廣東省隧道結構智能監控與維護企業重點實驗室，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.安徽工業大學 建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243032)

0 引言

隨著我國經濟的發展，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。混凝土構件受荷載或環境溫濕度變化等因素的影響，沿內部初始缺陷產生微裂縫，一旦與構件表面裂縫貫通，會對構件耐久性產生不利影響，嚴重惡化其服役性能[1]。傳統的防水材料只能涂覆在混凝土構件表面，不能阻滯或修復混凝土構件產生的微裂縫和表面裂縫[2-3]。將滲透結晶技術用于防水材料，實現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件產生的微裂縫和表面裂縫，其中水泥基滲透結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晶防水材料，其中活性物質是該防水材料的核心成分。20世紀60年代，水泥基滲透結晶防水材料在歐洲、日本獲得進一步發展[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市場[8]。為了進一步適應國內市場的實際情況，目前普遍利用國外母料與國內輔料按照相關技術標準配制生產水泥基滲透結晶防水材料，實現了此類材料的半國產化[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個因素對其綜合抗滲自愈性能的影響，探討各因素對水泥基滲透結晶防水材料綜合抗滲自愈性能的影響規律，獲得水泥基滲透結晶防水材料最佳制備方案，依據GB 18445-2012《水泥基滲透結晶型防水材料》測試優化其相關性能。研究成果對優化制備水泥基滲透結晶防水材料，提高其綜合抗滲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(連續級配，粒徑5～25 mm，含泥量0.3%)，中砂(細度模數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型高精度抗滲儀，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，其預養護溫度為(20±3)℃，預養護時間為1 d。

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

1.4 響應面法設計

響應面法(Response Surface Methodology, RSM)是利用實驗數據擬合因素與響應值之間的關系，以實現同時考慮多個因素來探尋最優影響值，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，防水材料的抗滲自愈性能作為目標函數即響應值。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果。從表2可以看出，經水泥基滲透結晶防水材料處理后的混凝土，其一次抗滲壓力(28 d)為1.31～1.51 MPa，二次抗滲壓力(56 d)為1.01～1.24 MPa，說明水泥基滲透結晶防水材料不僅具有良好的抗滲性能，而且具有一定的自愈性能。由于一次抗滲壓力與二次抗滲壓力變化趨勢存在不一致性，為了獲得綜合抗滲自愈性能優化的水泥基滲透結晶防水材料制備方案，需要對一次抗滲壓力與二次抗滲壓力作歸一化處理：H1為一次抗滲壓力(28 d)經歸一化處理后的值；H2為二次抗滲壓力(56 d)經歸一化處理后的值；水泥基滲透結晶防水材料的綜合抗滲自愈性能Z=H1+H2。

表2 響應面實驗設計及結果

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摻量和綜合抗滲自愈性能Z進行分析，結果見表3。從表3可以看出，根據各因素的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晶防水材料的綜合抗滲自愈性能影響顯著。

表3 回歸模型分析結果

2.2 響應面模型優化結果

利用響應優化器對表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摻量與綜合抗滲自愈性能進行優化，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晶防水材料，其綜合抗滲自愈性能響應值Y的合意性為1.000 0，表明此時該材料綜合抗滲自愈性能最佳。

2.3 優化水泥基滲透結晶防水材料性能

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1.3節的實驗方法制備優化水泥基滲透結晶防水材料并測試其性能，結果見表4。

表4 優化水泥基滲透結晶防水材料性能

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

3 結論

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晶防水材料中各組分摻量對水泥基滲透結晶防水材料綜合抗滲自愈性能的影響，依據GB 18445-2012測試優化其相關性能，得到以下主要結論：

a.水泥基滲透結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摻量對綜合抗滲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.優化后的水泥基滲透結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.優化后的水泥基滲透結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、濕基面黏結強度為2.12 MPa、一次抗滲壓力(28 d)為1.50 MPa、二次抗滲壓力(56 d)為1.22 MPa。