古發(fā)美

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)水泥基材料易開(kāi)裂的問(wèn)題，提出制備一種高分子修復(fù)劑對(duì)水泥基材料進(jìn)行修復(fù)。探究了該修復(fù)劑對(duì)水泥基材料的修復(fù)效果與機(jī)理，結(jié)果表明： 試驗(yàn)制備的高分子修復(fù)劑修復(fù)機(jī)理主要是通過(guò)離子間吸附、膨脹和絡(luò)合作用對(duì)水泥基材料進(jìn)行修復(fù)。28 d養(yǎng)護(hù)齡期試件在不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的平均裂縫寬度分別為自來(lái)水環(huán)境0.01 mm、酸環(huán)境0.06 mm、堿環(huán)境0.02 mm、中性環(huán)境0.06 mm和硫酸鹽環(huán)境0.02 mm，且均表現(xiàn)出較好的修復(fù)性能。

關(guān)鍵詞：修復(fù)性能；高分子修復(fù)劑；修復(fù)機(jī)理；水泥基材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ314.262

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）04-0091-05

Study on the preparation technique and performance of a noval cement based crack repair agent

GU Famei

（Chongqing Vocational College of Applied Technology，Hechuan，Chongqing，401520，China）

Abstract：Aiming at the problem that traditional cement-based materials are easy to crack，a polymer repair agent was proposed to repair cement-based materials，and the repair effect and mechanism of the repair agent on cement-based materials were explored.The results showed that the repair mechanism of the polymer repair agent prepared in this experiment was mainly to repair cement-based materials through ion adsorption，expansion and complexation.The average crack width of specimens at 28 days curing age under different curing environments was 0.01 mm in tap water environment，0.06 mm in acid environment，0.02 mm in alkali environment，0.06 mm in neutral environment and 0.02 mm in sulfate environment.Under these curing conditions，it showed good repair performance.

Key words：repair performance;polymer repair agent;repair mechanism;cement based materials

水泥基材料在使用的過(guò)程中，受外部環(huán)境的影響，易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，造成水泥基材料使用壽命短，甚至對(duì)使用者的生命安全產(chǎn)生威脅，因此對(duì)水泥基材料進(jìn)行修復(fù)是很有必要的。針對(duì)該問(wèn)題，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如對(duì)海水腐蝕的水泥基，提出一種新型自修復(fù)劑，這種修復(fù)劑在水泥基材料出現(xiàn)裂縫時(shí)，能夠在裂縫中間形成水鎂石和方解石，對(duì)水泥裂縫進(jìn)行有效修復(fù)［1］；但其研究特異性較強(qiáng)，僅針對(duì)海水腐蝕下的水泥基材料開(kāi)裂問(wèn)題。有研究則提出通過(guò)生物法修復(fù)水泥基材料，結(jié)果表明，微膠囊與科氏芽孢桿菌能在水泥基材料開(kāi)裂后及時(shí)修復(fù)裂縫，賦予了水泥材料仿生自主修復(fù)功能［2］。為了尋找更適合的水泥基材料修復(fù)方式，本試驗(yàn)制備了一種新型高分子修復(fù)劑，并對(duì)其修復(fù)效果和修復(fù)機(jī)理進(jìn)行分析。

1 材料與設(shè)備

1.1 材料與方法

本試驗(yàn)主要材料：過(guò)硫酸銨（AR，創(chuàng)贏化工）、四甲基乙二胺（AR，威振化工）、亞甲基雙丙烯酰胺（AR，鑫碩化工）、丙烯酰胺（AR，水方程凈水材料）、河砂（標(biāo)準(zhǔn)品，明城礦產(chǎn)品）、P·O42.5水泥（匯霆星建材）、聚羧酸減水劑（AR，博克化學(xué)股份）、丙烯酸（AR，澤西新材料科技）、稀硝酸（AR，馳達(dá)化工）、過(guò)硫酸鈉（AR，華航化工）、氫氧化鈉（AR，杰維化工）。

本試驗(yàn)主要設(shè)備：JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)（星藍(lán)建筑儀器）、HZJ1型水泥砂漿振動(dòng)臺(tái)（人從眾機(jī)械制造）、ZBL-U510型非金屬超聲檢測(cè)儀（環(huán)球測(cè)繪儀器）、ZT501型裂縫測(cè)寬儀（中拓科儀科技）、SU9000型超高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（維翰光電科技）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 高分子修復(fù)劑的制備

（1）將丙烯酸和丙烯酰胺作為單體，按照2∶3的比例置入燒杯，加入一定質(zhì)量的亞甲基雙丙烯酰胺，充分?jǐn)嚢瑁?/p>

（2）放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的過(guò)硫酸銨和四甲基乙二胺作為引發(fā)體系進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后加入一定質(zhì)量的水，在氮?dú)鈼l件下攪拌反應(yīng)，反應(yīng)的溫度和時(shí)間分別為45 ℃和24 h；

（3）保留固體材料，在水環(huán)境下純化保溫1 d，將產(chǎn)物干燥后碾磨成粉，得到高分子修復(fù)劑。

1.2.2 水泥砂漿試件的制備

參照GB/T 17671—1999標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)并制備水泥砂漿試件［3-4］。為了探究高分子修復(fù)劑對(duì)水泥基材料的修復(fù)效果，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)2組試驗(yàn)，具體配比結(jié)果如表1所示。

（1）按照表1配比精準(zhǔn)稱取原材料。將修復(fù)劑與水泥混合，減水劑完全溶于水；

（2）提前潤(rùn)濕水泥膠砂攪拌機(jī)，倒入水泥和水并低速攪拌30 s；

（3）在30 s內(nèi)，分次、勻速的將砂子加入到正在攪拌的混合材料中，待砂子完全加入后，打開(kāi)高速攪拌模式，繼續(xù)攪拌30 s；

（4）關(guān)閉攪拌機(jī)，立刻將攪拌葉片上的砂漿材料刮到攪拌鍋中，同時(shí)，用刮鏟將鍋底的砂漿材料刮松，確保所有材料都混合均勻；

（5）繼續(xù)高速攪拌90 s，關(guān)閉攪拌機(jī)，將攪拌機(jī)內(nèi)砂漿材料分3次倒入提前準(zhǔn)備好的模具中，每次加料都需要在HZJ1型水泥砂漿振動(dòng)臺(tái)上振實(shí)，排出砂漿內(nèi)部氣泡；

（6）常溫養(yǎng)護(hù)1 d拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至指定齡期。養(yǎng)護(hù)溫度和濕度分別為20 ℃和90%。

1.2.3 自修復(fù)作用環(huán)境

（1）自來(lái)水環(huán)境：試驗(yàn)室接的自來(lái)水；

（2）硫酸鹽環(huán)境：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的硫酸鈉溶液；

（3）海水環(huán)境：試驗(yàn)室用人工海水；

（4）堿環(huán)境：pH值為12的氫氧化鈉溶液；

（5）酸溶液：pH值為5的硝酸溶液；

（6）中性溶液：pH值為7的去離子水。

將制備的試件完全浸沒(méi)在以上6種環(huán)境中，用保鮮膜完全密封后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 超聲波波速測(cè)試

檢測(cè)試件的超聲波波速。材料不同，超聲波波速也不相同，試驗(yàn)室通過(guò)超聲波波速的改變判斷水泥基材料內(nèi)部的密實(shí)情況，水泥基材料密實(shí)程度越高超聲波傳輸速度越高［5］。

超聲波聲速恢復(fù)率表達(dá)式［6］：

η=vn－vcv0－vc×100%（1）

式中：η為聲波恢復(fù)率；v0為正常環(huán)境養(yǎng)護(hù)的超聲波速；vn為養(yǎng)護(hù)n天后的超聲波速；vc為預(yù)制裂縫后的殘余波速。

1.3.2 裂縫寬度測(cè)試

在ZT501裂縫測(cè)寬體的作用下測(cè)定待測(cè)樣品內(nèi)部裂縫寬度［7］。

1.3.3 掃描電子顯微鏡

用導(dǎo)電膠將待測(cè)樣品固定在樣品臺(tái)上，噴金處理后用SU9000型超高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察水泥砂漿材料的斷面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 自來(lái)水環(huán)境下修復(fù)劑修復(fù)性能分析

2.1.1 超聲波波速分析

對(duì)自來(lái)水環(huán)境下，超聲波在不同水泥砂漿試件中波速的變化進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，在自來(lái)水環(huán)境下，砂漿基體自身具備一定的修復(fù)能力。但養(yǎng)護(hù)時(shí)間超過(guò)14 d后，A組試件波速恢復(fù)率不再發(fā)生改變；B組試件的波速恢復(fù)率則持續(xù)上升。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間增至28 d后，超聲波波速在水泥砂漿中的恢復(fù)率高達(dá)73.7%，這說(shuō)明摻入高分子修復(fù)劑后，對(duì)水泥基的修復(fù)性能產(chǎn)生積極的影響［8］。

2.1.2 裂縫寬度分析

水泥砂漿基體在養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后，內(nèi)部環(huán)境會(huì)出現(xiàn)一些裂縫，對(duì)不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，水泥砂漿基體內(nèi)部裂縫寬度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，自來(lái)水環(huán)境下，2個(gè)組試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出一定的修復(fù)性能，但在養(yǎng)護(hù)齡期下，B組試件的裂縫寬度恢復(fù)率皆明顯高于A組試件；養(yǎng)護(hù)28 d，裂縫基本完全愈合。這就說(shuō)明在自來(lái)水環(huán)境下，高分子修復(fù)劑能夠發(fā)揮較好的修復(fù)作用，減小水泥基內(nèi)部的平均裂縫寬度［9-10］。

2.2 鹽環(huán)境下修復(fù)劑的修復(fù)性能分析

2.2.1 超聲波波速分析

圖3為硫酸鹽環(huán)境下，超聲波波速在水泥砂漿試件中波速的變化。

從圖3可以看出，在硫酸鹽環(huán)境下，超聲波波速并沒(méi)有較大的差別。這可能是在該環(huán)境下，水泥砂漿基體自修復(fù)性能發(fā)揮較好的作用［11］。但修復(fù)劑組樣品仍舊略高于普通樣品，說(shuō)明在該條件下，高分子修復(fù)仍舊可以發(fā)揮一定的作用。

2.2.2 裂縫寬度分析

圖4為硫酸鹽環(huán)境對(duì)水泥砂漿基體內(nèi)部裂縫平均寬度的影響。

從圖4可以看出，B組試件的平均裂縫寬度略低于A組試件，但平均裂縫寬度差別并不是很大。這個(gè)變化規(guī)律與超聲波波速變化基本一致，這再次印證了2.2.1的結(jié)論。同時(shí)，從裂縫寬度變化的規(guī)律還能看出，在硫酸鹽環(huán)境下，高分子修復(fù)劑對(duì)水泥砂漿基體內(nèi)部裂縫的修復(fù)產(chǎn)生積極的作用［12］。

2.3 海水環(huán)境下修復(fù)劑修復(fù)性能分析

2.3.1 超聲波波速分析

圖5為海水環(huán)境下超聲波波速的影響。

從圖5可以看出，在海水環(huán)境下，2組試件超聲波波速變化基本一致，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的差別。這個(gè)變化規(guī)律說(shuō)明海水環(huán)境對(duì)水泥砂漿基體的自修復(fù)性能產(chǎn)生積極的影響，但高分子修復(fù)劑的修復(fù)性能則會(huì)被抑制，也就是說(shuō)，該高分子修復(fù)材料應(yīng)避免在海水環(huán)境下使用。

2.3.2 裂縫寬度分析

圖6為海水環(huán)境下內(nèi)部縫隙寬度的變化。

從圖6可以看出，在海水環(huán)境下，2組試件的平均裂縫寬度都有一定縮小，但B組試件的平均裂縫寬度始終大于A組試件。這個(gè)變化規(guī)律說(shuō)明海水環(huán)境對(duì)水泥砂漿裂縫的自修復(fù)有積極的作用，但會(huì)抑制高分子修復(fù)劑的修復(fù)性能［13-14］。

2.4 堿環(huán)境下修復(fù)劑修復(fù)性能分析

2.4.1 超聲波波速分析

圖7為堿環(huán)境下，超聲波在水泥砂漿試件中波速的變化。

從圖7可以看出，在堿環(huán)境下，超聲波在2組試件中的波速變化規(guī)律基本一致；而修復(fù)劑試驗(yàn)組超聲波波速恢復(fù)率相對(duì)較高。這說(shuō)明在堿性環(huán)境下，水泥砂漿基體具有一定的自修復(fù)性能，同時(shí)，高分子修復(fù)劑可以在該環(huán)境下發(fā)揮一定的修復(fù)作用。

2.4.2 裂縫寬度分析

圖8為堿環(huán)境下，水泥砂漿試件內(nèi)部縫隙平均寬度的變化。

從圖8可以看出，隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，2組試件內(nèi)部的裂縫平均寬度皆有所減小， 但B組試件內(nèi)部的裂縫平均寬度始終小于A組試件。這說(shuō)明在堿環(huán)境下，水泥砂漿材料可以發(fā)揮一定的自修復(fù)性能。當(dāng)加入高分子修復(fù)劑后，高分子修復(fù)劑發(fā)揮作用，進(jìn)一步縮小了水泥砂漿內(nèi)部裂縫寬度。證實(shí)高分子修復(fù)劑在堿性環(huán)境下也有一定的修復(fù)效果。

2.5 酸環(huán)境下修復(fù)劑修復(fù)性能分析

2.5.1 超聲波波速分析

圖9為酸性環(huán)境下，超聲波在水泥砂漿試件中波速的變化情況。

從圖9可以看出，酸性環(huán)境下，2組試件中超聲波波速變化趨勢(shì)基本一致，且波速變化大小相差不大，B組試件的超聲波波速略高于A組試件。這說(shuō)明在酸性環(huán)境下，水泥砂漿材料具有一定的自修復(fù)性能，同時(shí)，高分子修復(fù)劑能夠發(fā)揮一定的修復(fù)效果，但效果不明顯。

2.5.2 裂縫寬度分析

圖10為酸環(huán)境下，水泥砂漿基體內(nèi)部裂縫平均寬度的變化。

從圖10可以看出，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，水泥砂漿基體內(nèi)部裂縫平均寬度慢慢的減小，且B組試件水泥砂漿基體內(nèi)部平均寬度始終略小于A組試件。這與2.5.1的結(jié)論一致，說(shuō)明酸環(huán)境能夠促進(jìn)水泥基體材料的自修復(fù)。同時(shí)，高分子修復(fù)劑也能在該環(huán)境下發(fā)揮一定的作用，但作用并不明顯。

2.6 中性環(huán)境下修復(fù)劑修復(fù)性能分析

2.6.1 超聲波波速分析

圖11為中性環(huán)境下超聲波波速變化。

從圖11可以看出，超聲波波速在水泥砂漿基體內(nèi)部的變化規(guī)律與酸環(huán)境下超聲波波速在水泥砂漿基體內(nèi)部變化規(guī)律基本一致。這說(shuō)明中性環(huán)境與酸性環(huán)境對(duì)水泥砂漿基體的影響基本一致，高分子修復(fù)劑在酸性環(huán)境下與中性環(huán)境下對(duì)水泥砂漿基體的影響也基本一致。

2.6.2 裂縫寬度分析

圖12為中性環(huán)境下裂縫平均寬度的變化。

從圖12可以看出，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，水泥砂漿內(nèi)部裂縫慢慢的縮小，這說(shuō)明中性環(huán)境對(duì)水泥砂漿材料的自修復(fù)性能產(chǎn)生積極的影響。同時(shí)，從圖12還可發(fā)現(xiàn)，雖然B組試件內(nèi)部裂縫平均寬度始終大于A組試件，但B組試件平均裂縫寬度的變化率高于A組試件。這可能因?yàn)橹谱髟嚰r(shí)，振動(dòng)時(shí)間不夠，內(nèi)部存在一些氣泡，使得試件內(nèi)部裂縫的寬度相對(duì)A組試件較大。在高分子修復(fù)劑的作用下，試件內(nèi)部裂縫的平均寬度慢慢的變小，這說(shuō)明在中性環(huán)境下，高分子修復(fù)劑可以發(fā)揮一定的作用。

2.7 高分子修復(fù)劑修復(fù)機(jī)理分析

通過(guò)上面的分析可以發(fā)現(xiàn)，高分子修復(fù)劑在多種環(huán)境中都能發(fā)揮一定的修復(fù)作用，因高分子修復(fù)劑在硫酸鹽環(huán)境中修復(fù)具有一定的代表性，因此在探究高分子修復(fù)劑的修復(fù)機(jī)理時(shí)，以硫酸鹽環(huán)境下的水泥砂漿試件為研究對(duì)象，用SEM掃描電子顯微鏡對(duì)其斷面進(jìn)行分析，結(jié)果如圖13所示。

從圖13可以看出，在水泥砂漿基體內(nèi)部并未有新的物質(zhì)生成，只有少量的膠狀物質(zhì)拉結(jié)，這說(shuō)明高分子修復(fù)劑對(duì)水泥砂漿基體的修復(fù)是物理作用［15］。分析高分子修復(fù)劑的修復(fù)機(jī)理可以發(fā)現(xiàn)，高分子修復(fù)劑中含有吸附性較強(qiáng)的酰胺基結(jié)構(gòu)。這種特殊的結(jié)構(gòu)能夠使反應(yīng)產(chǎn)物在水泥材料基體表面附著，同時(shí)可通過(guò)化學(xué)鍵與羧基官能團(tuán)連接，使得材料緊密結(jié)合，再加上酰胺基團(tuán)吸水膨脹的特點(diǎn)，可以在水泥砂漿基體中起到一定的修復(fù)作用。

同時(shí)，高分子修復(fù)劑內(nèi)的羧基可與與金屬離子進(jìn)行絡(luò)合，生成結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的產(chǎn)物，能夠連接修復(fù)劑與水泥砂漿材料，阻止水泥砂漿材料內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，進(jìn)而起到一定的修復(fù)作用［20］。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究制備的高分子修復(fù)劑在多種環(huán)境下都可對(duì)水泥基材料進(jìn)行修復(fù)，通過(guò)對(duì)高分子修復(fù)劑的修復(fù)機(jī)理進(jìn)行分析，得到的具體結(jié)論如下。

（1）在自來(lái)水環(huán)境下，高分子修復(fù)劑修復(fù)性能表現(xiàn)良好。養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的修復(fù)劑水泥砂漿試件，超聲波波速恢復(fù)率為73.7%，內(nèi)部裂縫平均寬度為0.004 mm；

（2）海水環(huán)境下會(huì)抑制高分子修復(fù)劑，因此應(yīng)避免在海水環(huán)境下使用；

（3）高分子修復(fù)劑在酸性環(huán)境、鹽環(huán)境、中性環(huán)境和堿環(huán)境中發(fā)揮一定的修復(fù)效果；

（4）高分子修復(fù)劑的修復(fù)機(jī)理是通過(guò)酰胺基與羧基官能團(tuán)連接，再加上吸水膨脹和絡(luò)合的特性對(duì)水泥基材料內(nèi)部裂縫進(jìn)行修復(fù)，也就是高分子修復(fù)劑是通過(guò)物理作用對(duì)水泥基材料進(jìn)行修補(bǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

［1］ 黃浩良，吳欣桐，劉昊，等.固化海水離子裂縫自修復(fù)劑制備及其在硬化水泥漿體中的作用機(jī)理［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2021，49（8）：1619-1630.

［2］ 趙曉艷，高明亮，周健，等.微膠囊復(fù)合芽孢桿菌修復(fù)水泥基材料裂縫研究［J］.混凝土，2021（8）：83-87.

［3］ 張紹松，黃芳瑋，陳宇良，等.直剪作用下再生混凝土黏結(jié)界面強(qiáng)度影響因素分析［J］.廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，32（4）：71-76.

［4］ 王漢鵬，李占鴻，謝正良，等.應(yīng)變強(qiáng)化型水泥基復(fù)合材料研究綜述［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2021，37（5）：222-230.

［5］ 黃麗娜，毛倩瑾，張建，等.海藻酸鈣微膠囊對(duì)水泥基材料的自修復(fù)效果研究［J］.混凝土世界，2021（10）：52-55.

［6］ 郭向勇，王建軍，李東彬.既有建筑混凝土結(jié)構(gòu)耐久性修復(fù)技術(shù)綜述［J］.工程質(zhì)量，2021，39（11）：8-12.

［7］ 王建苗，高越青，詹培敏，等.磷酸鉀鎂水泥修補(bǔ)材料研究綜述［J］.硅酸鹽通報(bào)，2021，40（11）：3533-3543.

［8］ 劉月雷，楊洋，李福海，等.水泥基滲透結(jié)晶型防水材料作用機(jī)理及性能評(píng)價(jià)［J］.市政技術(shù)，2021，39（11）：146-151.

［9］ 戴煜倫，謝春燕，符超，等.不同載體載入微生物對(duì)混凝土修復(fù)性能的影響研究［J］.西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，46（12）：95-100.

［10］ 蔡基偉，閆文哲，賈翔宇，等.燒失造孔法燒結(jié)長(zhǎng)英巖尾礦透水磚實(shí)驗(yàn)研究［J］.河南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，51（6）：706-711.

［11］ 耿繼雙，徐鵬飛，王飛，等.水泥基修復(fù)材料和老混凝土界面粘結(jié)性能［J］.低溫建筑技術(shù)，2022，44（1）：65-69.

［12］ 王凱，陳繁育，常洪雷，等.雙摻礦物添加劑對(duì)水泥基材料自修復(fù)性能的影響［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2022，36（5）：59-65.

［13］ 胡青，張業(yè)茂.水泥混凝土路面聚合物修補(bǔ)砂漿的制備與力學(xué)性能研究［J］.化學(xué)與粘合，2022，44（1）：54-57.

［14］ 賈興文，連磊，涂俊，等.嚴(yán)寒環(huán)境下氧化鎂晶須對(duì)磷酸鎂水泥早期力學(xué)性能的影響［J］.功能材料，2021，52（12）：12030-12035.

［15］ 郭皓隆，李昊，張園，等.水泥砂漿的自愈類(lèi)細(xì)胞體制備及自愈性能研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2021，52（11）：1332-1339.