地聚合物基防水堵漏材料的性能及机理研究

姬广祥 ，彭小芹 ，王淑萍 ，曾路 ，何锋

（1.重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400045；2.深圳市建设科技促进中心，广东 深圳 518000）

建筑物渗漏问题不仅影响人们的正常生活和工作，而且直接影响到建筑物的使用寿命，主要表现为屋面漏水、墙面渗漏等。据统计，目前我国建筑屋面渗漏率高达95.33%[1]，渗漏问题十分严重。现阶段的防水堵漏材料主要分为无机类和有机类材料，无机类防水堵漏材料又分为缓凝型（用于潮湿基层上的防水抗渗）和速凝型（主要用于渗漏或涌水基体上的防水堵漏）[2]，目前缓凝型无机防水堵漏材料在我国应用较为广泛。无机类防水堵漏材料主要是以铝酸盐水泥或硅酸盐水泥为基材，而铝酸盐水泥后期强度会倒缩，硅酸盐水泥存在凝结时间长、早期强度低等问题[3]。所以，开发一种新型缓凝型无机防水堵漏材料具有重要意义。

地聚合物是利用偏高岭土、粉煤灰、钢渣、煤矸石等硅铝质材料经过碱激发反应而形成的一种新型环保胶凝材料。在激发剂的作用下，原料中的Si—O、Al—O键发生断裂，形成[SiO4]4-、[AlO4]5-四面体，然后通过缩聚形成 O—Si—O—Al—O网络状结构，形成的无机聚合物具有凝结硬化快、早期强度高、耐高温、渗透率低等优点[4-6]，其制备过程中CO2的排放量仅为普通硅酸盐水泥的1/10～1/5[7]，是一种环境友好的材料，已经成为材料领域的研究热点之一。目前，国内外还没有将地聚合物用作防水堵漏材料的研究。本文主要利用地聚合物的上述优点，制备地聚合物基防水堵漏材料，并研究了该地聚合物作为缓凝型无机防水堵漏材料的性能，寻求在实际工程中推广利用。

1 试验

1.1 原材料

偏高岭土：河南开封奇明耐火材料有限公司生产；粉煤灰：重庆烙璜电厂，Ⅱ级干排灰，45 μm方孔筛筛余量为14%；钢渣：莱芜钢铁厂转炉钢渣，比表面积440 m2/kg；矿渣：重庆钢铁厂水淬高炉矿渣，比表面积470.6 m2/kg；偏高岭土、粉煤灰、钢渣和矿渣的化学成分如表1所示。

表1 几种主要原材料的化学成分%

水玻璃：模数为2.51，重庆井口化工厂生产。NaOH：自贡鸿鹤化工股份有限公司生产，分析纯，纯度≥99%。

1.2 试验方法

由于国家尚未颁布地聚合物的相关试验方法，本文地聚合物凝结时间的测试参照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行，力学性能试验参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO）法》进行，抗渗压力、粘结强度、耐热性和抗冻性等试验参照GB 23440—2009《无机防水堵漏材料》进行。采用RigakuD/max-1200 X射线衍射仪（Cu靶）分析地聚合物的水化产物，采用TESCAN VEGA扫描电子显微镜观察地聚合物的微观形貌。

2 试验结果与分析

2.1 地聚合物基防水堵漏材料凝结时间和早期力学性能的研究

在地聚合物反应过程中，碱金属阳离子对溶解在碱溶液中硅铝酸盐的强共价键进行破坏，催化硅铝相结构的解体，同时还参与了溶出相转化为胶体的过程。在凝聚-缩聚阶段，碱金属离子变成了硬化浆体的结构形成组分[8]，碱的存在是地聚合反应所不可缺少的条件，所以碱含量（激发剂中Na2O当量占胶凝材料的质量百分数）对地聚合物的聚合反应起着至关重要的作用。在前期实验研究基础上，本试验选取固体胶凝材料（偏高岭土）内掺25%的矿渣，水玻璃作为碱性激发剂，用NaOH调节水玻璃的模数。研究在水灰比为0.28，水玻璃模数为1.4的条件下，碱含量对地聚合物凝结时间和早期力学性能的影响。结果如图1、图2所示。

图1 碱含量对地聚合物凝结时间的影响

图2 碱含量对地聚合物强度的影响

由图1可知，随着碱含量的增加，地聚合物凝结时间增长（碱含量为4%时，初凝和终凝时间分别为32 min和40 min；碱含量为12%时，初凝和终凝时间分别为113 min和175 min），同时初凝和终凝的时间间隔在增大，但所有试验组的凝结时间均符合GB 23440—2009对缓凝型防水堵漏材料的要求（初凝≥10 min，终凝≤360 min）。

由图2可知，随碱含量的增加，地聚合物3 d抗压、抗折强度逐渐增大，这是因为随着碱含量的增加，体系中的pH值提高，促进了Si—O键和Al—O键的断裂，大部分解聚为低分子聚合体[SiO（OH）3]-和[Al（OH）4]-，并且较多的低分子聚合体之间发生重构，形成三维硅铝酸盐结构，多聚体增多，而低分子质量的聚合体含量减少[9]，所以其强度随着碱含量的增加而增大。当碱含量≥6%时，3 d抗折强度≥5.70 MPa，抗压强度≥39.8 MPa，符合缓凝型防水堵漏材料的标准要求（3 d抗折强度≥3.0 MPa，3 d抗压强度≥13.0 MPa），当碱含量≥8%时。强度增长变缓，因此采用碱含量为8%最为合适，此时地聚合物的初凝和终凝时间分别为71 min和93 min，3 d抗折和抗压强度分别为8.18 MPa和56.6 MPa。

工业副产物粉煤灰、钢渣具有潜在的活性，而偏高岭土的资源有限及价格较贵，因此，研究利用粉煤灰、钢渣取代部分偏高岭土来制备地聚合物，具有重要的社会、经济及技术效益。粉煤灰、钢渣掺量对地聚合物凝结时间和早期力学性能的影响见表2。

表2 地聚合物的凝结时间和早期力学性能

由表2可知：

（1）随粉煤灰掺量增加，地聚合物凝结时间缩短，3 d抗压强度和抗折强度减小。粉煤灰掺量为15%、60%时，地聚合物3 d抗压强度分别比未掺粉煤灰的降低4.4%、30.7%，掺量不同，降低幅度也不同，掺量为15%时强度仅下降4.4%。当粉煤灰掺量大于45%时，地聚合物抗折强度降至3.3 MPa以下，无法满足标准要求。在后续试验中，确定粉煤灰掺量为30%。地聚合物凝结时间明显缩短的原因主要是粉煤灰中含有Ca2+，随着粉煤灰掺量的增加，Ca2+浓度增大，会使地聚合物在初始反应过程中形成多相凝结核，多相凝结核会使地质聚合物胶迅速形成，从而导致地质聚合物凝结时间缩短[10]；粉煤灰中玻璃体[SiO4]4-具有很高的聚合度，并且，Al3+参与了网络结构，使Si—O键和A1—O键键能大，解聚能力低，解聚速度慢，早期反应程度较低，这也会降低地聚合物的早期强度[11]。

（2）随钢渣掺量增大，地聚合物抗折强度和抗压强度均先增大后减小，但所有试验组的抗折强度均在5.6 MPa以上，抗压强度也均大于44 MPa。这可能是因此钢渣中的铁相等惰性物质在地聚合物中起到集料作用，由于铁相本身强度和硬度均较高，因此提高了地聚合物的力学强度。对于钢渣对地聚合物力学性能影响的机理还需要进一步研究分析。

综合以上研究，G2组的3 d强度要优于其余组，故胶凝材料基本配合比确定为：偏高岭土为30%，矿渣25%，粉煤灰30%，钢渣15%，水灰比0.28，水玻璃模数1.4，碱含量8%。

2.2 地聚合物基防水堵漏材料耐久性研究

防水堵漏材料的耐久性主要包括抗渗压力、粘结强度、耐热性及抗冻性，测试结果如表3所示。

表3 地聚合物基防水堵漏材料抗渗压力、粘结强度、耐热性及抗冻性测试结果

从表3可以看出，G2组试件的抗渗压力、粘结强度、耐热性、抗冻性均符合GB 23440—2009对缓凝型防水堵漏材料性能要求。

2.3 地聚合物基防水堵漏材料反应机理初探

为进一步分析地聚合物基防水堵漏材料的反应产物及微观形貌，探究其反应机理，通过XRD图谱、SEM对G2组进行微观分析，结果如图3、图4所示。

图3 G2组3 d龄期水化产物的XRD图谱

通过分析图3可知，该体系3 d的主要产物为C-S-H凝胶、沸石类矿物、未反应完全的C3S、C2S及RO。该体系中仍然存在C3S、C2S，说明钢渣水化速度较慢。所以在偏高岭土-矿渣-粉煤灰-钢渣复合胶凝材料体系中，3 d的产物主要有矿渣水化产生的C-S-H凝胶和偏高岭土地聚合反应产生沸石类矿物提供[12]，并且C-S-H与沸石类矿物能相互共存。

由图4（a）可以看出，矿渣水化和偏高岭土地聚合反应速度较快，3 d生成大量C-S-H凝胶及沸石类矿物，这与XRD的分析结果相吻合，而钢渣、粉煤灰水化较少，可以看到其部分颗粒已经开始被腐蚀，附着在C-S-H凝胶表面，但与结构粘结不是很紧密，还观察到了钢渣中未水化的不规则多边形RO颗粒和大量未被激发的球状粉煤灰玻璃体颗粒（FA）发挥填充效应，填充在水化结构内部。由图4（b）可以看出，到28 d时，钢渣颗粒中的具有水硬活性的矿物已基本参与水化，与前期形成的产物良好地粘结在一起，形成无定型结构的地聚合物[13]，并且粉煤灰颗粒表面也开始溶解反应而形成粗糙的外表面，只有少量未被激发的粉煤灰颗粒填充在结构内部。由图4（c）可以看出，56 d时，该体系中具有水硬活性的矿物已基本参与水化，并形成非常密实的板状结构。从上述SEM图片分析可以推测，钢渣、粉煤灰水化较慢，在早期对体系水化的贡献很小，仅仅具有微集料效应，但是随着龄期的增长，钢渣、粉煤灰逐渐参与水化，生成C-S-H凝胶、沸石类矿物等水化产物，使结构密实，从而提高了地聚合物的力学性能和耐久性能。

图4 G2组试件水化产物的SEM照片

3 结论

（1）当偏高岭土、矿渣、粉煤灰、钢渣掺量分别为30%、25%、30%、15%，水灰比为0.28，水玻璃模数为1.4，碱含量为8%时，地聚合物性能较好，其初凝和终凝时间分别为97 min和110 min，3 d抗折、抗压强度分别达到8.21 MPa、58.2 MPa。

（2）对所制备的地聚合物基防水堵漏材料进行抗渗压力、粘结强度、耐热性和抗冻性测试，结果均符合GB 23440—2009对缓凝型无机防水堵漏材料的要求。

（3）XRD分析发现，偏高岭土-矿渣-粉煤灰-钢渣复合胶凝材料体系的主要产物为沸石类矿物和C-S-H凝胶；经SEM分析表明，地聚合物具有致密的微观结构。

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