響應面法優化速凝型無機防水堵漏材料的配方研究

韓明虎 胡浩斌 張琪 武蕓 張臘臘 李永銳

（1 隴東學院化學化工學院，甘肅 慶陽 745000；2 慶陽西慶涂料有限公司，甘肅 慶陽 745000）

防水堵漏材料是具有防潮、抗滲和堵漏功能的專用材料，在市政建設、國防軍工、橋梁隧道、農業水利和交通運輸等行業領域中需求日益廣泛，其投入、研發和應用逐年增長，主要包括剛性堵漏、合成高分子、高聚物改性和溶劑改性型等多個品種[1-2]。其中，以優質特種水泥和砂石為原料生產的無機防水堵漏材料，因具有良好的耐水、耐高溫、耐腐蝕、抗滲、抗裂及粘結等特性，成為一種施工簡單、維修方便、穩定堅固且綠色環保的新型剛性材料，普遍應用于各種磚混建筑、公路和地下工程的堵漏修繕，受到了社會眾多行業的廣泛青睞[3-4]。

無機防水堵漏材料一般分速凝型和緩凝型兩種，速凝型是以硫鋁酸鹽水泥為基料，硅酸鹽水泥為填料，通過添加輔助材料調節凝結時間和強度，達到快速防水堵漏的功能材料[5-6]。硫鋁酸鹽水泥具有快硬早強、抗滲抗凍、結構致密和耐蝕低堿等優點，水化產物的填充和密實作用明顯，但后期強度增長緩慢，容易出現倒縮現象。硅酸鹽水泥強度發展穩定、水化熱大、性能好且成本低，在各類材料中被廣泛使用，但存在凝結時間過長、早期強度發展緩慢和結石率低等缺點，難以滿足快速防水堵漏的應用要求[7-8]。有人嘗試簡單復配兩種水泥獲得綜合性能優越的無機防水堵漏材料，但發現混合材料的粘接強度降低，抗滲性能較差[9-10]。同時，當前市場上的速凝型防水堵漏產品存在凝結時間不穩定、粘接強度低、耐久性差、施工復雜和適用范圍窄等問題，而且快速防水堵漏功能均不理想，相關研究的文獻報道較少[11]。

因此，本研究以快硬硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的混合體為基材，添加白砂作骨架，碳酸鋰作促凝劑，在單因素試驗的基礎上，通過響應面法優化配方，制備一種性能穩定、成本低且無毒害的速凝型無機防水堵漏材料，使其凝結硬化快、粘接強度高且抗滲性能好，具有良好的工程應用價值。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

快硬硫鋁酸鹽水泥（R·SAC42.5）；普通硅酸鹽水泥（P·O42.5R）；白砂（80～120目）；碳酸鋰；生石灰；聚羧酸類減水劑（瑞士西卡產）；干粉型消泡劑（德固賽產）；石膏粉。以上原料均由慶陽西慶涂料有限公司提供，工業級。

電子天平（YP20002型），上海衡際科學儀器有限公司；電動漆膜附著力試驗儀（QFD型），上海精勝科學儀器有限公司；分散砂磨機（SF智能型），上海貝微電機有限公司；砂漿凝結時間測定儀（ZKS-100型），滄州華韻實驗儀器有限公司。

1.2 材料的制備

向料罐中加入一定量的R·SAC42.5和P·O42.5R，混合分散均勻后，依次加入適量的白砂、碳酸鋰、生石灰、石膏、減水劑和消泡劑，高速攪拌均勻，包裝備用。

1.3 配方的優化

1.3.1 單因素試驗

保持生石灰1 g，石膏1 g，減水劑0.1 g，消泡劑0.15 g的用量不變，采用單因素試驗分別考察R·SAC42.5、P·O42.5R、白砂和碳酸鋰的用量對材料的凝結時間的影響。

1.3.2 響應面法

速凝型無機防水堵漏材料在工程應用中一般首先考慮凝結時間（初凝和終凝時間），凝結時間過短，將導致施工時間不夠；凝結時間過長，材料的早起抗壓和抗折強度下降，無法滿足快速防水堵漏的功能。單因素試驗結果表明，初凝時間和終凝時間變化趨勢一致。因此，以初凝時間為評價指標，在單因素試驗的基礎上，進行響應面分析優化4種主要組分用量，確定材料的最優配方。

差額計稅會計相關規定根據財會［2016］22號文，企業應增設應交稅費——應交增值稅（銷項稅額抵減）、應交稅費——簡易計稅、應交稅費——轉讓金融商品應交增值稅三個相關明細科目，對增值稅差額計稅業務進行核算。具體會計處理為：

1.4 性能的測定

取適量制備的材料，按總質量的30%加入水，快速充分攪拌至均勻，按照《無機防水堵漏材料》（GB 23440-2009）對各項性能進行檢測。

2 結果與討論

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 R·SAC42.5 用量對材料凝結時間的影響

保持P·O42.5R為40 g、白砂為35 g和碳酸鋰為0.1 g，其它組分用量不變，考察R·SAC42.5用量為150 g、160 g、170 g、180 g、190 g和200 g時材料的初凝與終凝時間，結果見圖1。

圖1 R·SAC42.5用量對凝結時間的影響

由圖1可見，隨著R·SAC42.5用量的增加，材料的初凝和終凝時間均變短，當R·SAC42.5用量為180 g時，材料的初凝時間為2 min，終凝時間為6 min，凝結時間達到最小值。繼續增加R·SAC42.5用量，凝結時間無變化，表明R·SAC42.5的早強、速凝和膨脹作用已達到最佳，過多的R·SAC42.5將會減弱材料后期強度，增加產品成本。因此，選擇R·SAC42.5的最佳用量為180 g。

2.1.2 P·O42.5R 用 量對材料凝結時間的影響

保持R·SAC42.5為180 g、白砂為35 g和碳酸鋰為0.1 g，其它組分用量不變，考察P·O42.5R用量為20 g、30 g、40 g、50 g、60 g和70 g時材料的初凝與終凝時間，結果見圖2。

由圖2可見，隨著P·O42.5R用量的增加，材料的初凝與終凝時間均先減小后增大，當P·O42.5R用量為40 g時，材料的凝結時間最短。由于P·O42.5R作為水硬性膠凝填料，當添加量較少時，產品膠凝作用下降，水泥膠凝體形成速率降低，凝結時間變長；用量過多時將導致R·SAC42.5質量占比下降，早強速凝作用減弱。因此，選擇P·O42.5R最佳用量為40 g。

圖2 P·O42.5R用量對凝結時間的影響

保持R·SAC42.5為180 g、P·O42.5R為40 g和碳酸鋰為0.1 g，其它組分用量不變，考察白砂用量為20 g、25 g、30 g、35 g和40 g時，材料的初凝與終凝時間，結果見圖3。

圖3 白砂用量對凝結時間的影響

由圖3可見，隨著白砂用量的增加，材料的初凝與終凝時間均先減小后增大，白砂為35 g時，材料凝結時間達到最短。白砂是具有增稠作用的填料，作為材料的填充和骨架，當用量較少時，水泥膠凝體凝聚網絡形成過慢，材料強度較低，凝結時間較長；用量過多時，將導致材料在施工過程中出現黏度過高和強度下降的現象，而且凝結時間變長。因此，選擇白砂的最佳用量為35 g。

2.1.4 碳酸鋰用量對材料凝結時間的影響

保持R·SAC42.5為180 g、P·O42.5R為40 g和白砂為35 g，其它組分用量不變，考察碳酸鋰用量為0.05 g、0.1g、0.15 g、0.2 g和0.25 g時，材料的初凝與終凝時間，結果見圖4。

圖4 碳酸鋰用量對凝結時間的影響

表1 因素水平

表2 試驗設計和結果

由圖4可見，隨著碳酸鋰用量的增加，材料的凝結時間先減小后增大，碳酸鋰為0.1g時，材料凝結時間最短。碳酸鋰作為一種外加水泥促凝劑，當用量較少時，硫鋁酸鹽水泥水化速率低，水化產物鈣礬石較少，對凝結的促進作用有限；用量過多時，鈣礬石生成過快導致晶體粗大，在漿體中分布不均勻，形成多個薄弱點，導致材料強度降低，初凝和終凝時間增加。因此，選擇碳酸鋰的最佳用量為0.1g。

2.2 響應面法分析

在單因素試驗的基礎上，保持生石灰、石膏、減水劑和消泡劑等組分的用量不變，以R·SAC42.5用量（X1）、P·O42.5R用量（X2）、白砂用量（X3）和碳酸鋰用量（X4）為影響因素，初凝時間（Y）為評價指標，進行響應面分析。因素水平見表1，設計結果見表2。

通過Design Expert 8.0.6軟件對表2數據進行分析，得到回歸方程為Y＝2.03－0.05X1＋0.05X2－0.067X3－0.13X4＋ 0.17X1X2－ 0.025X1X3＋ 0.1X1X4－0.075X2X3－0.1X2X4＋0.25X3X4＋0.29 X2 1＋0.39 X2 2＋0.16 X2 3＋0.29 X2 4。再進行方差分析，結果見表3。

表3 方差分析

由表3可見，X3、X4、X1X2、X1X4、X2X4、X3X4、X2 1、X2 2、X2 3、X2 4均呈極顯著影響（P＜0.01），X1、X2、X2X3呈顯著影響（P＜0.05），模型有極顯著差異（P＜0.001），回歸系數 R2為0.9746，校正系數 R2 adj為0.9449，表明模型相關度良好且擬合度理想，誤差小；失擬項P＞0.05，表明模型預測值與實際值契合較好，可以用該模型進行分析和預測。

各因素交互作用的響應面圖見圖5，可得材料中4種主要組分的最佳用量：R·SAC42.5為180.73 g，P·O42.5R為39.59 g，白砂為35.28 g，碳酸鋰為0.11 g，材料初凝時間為2.02 min。

圖5 響應面圖

2.3 驗證試驗

考慮實際操作的局限性，配方各組分的最佳用量修正為：R·SAC42.5為180 g，P·O42.5R為40 g，白砂為35 g，碳酸鋰為0.1 g，生石灰1 g，石膏1 g，減水劑0.1 g，消泡劑0.15 g。進行3次重復試驗，按總質量比2：1、4：1和8：1進行放大試驗，材料的初凝時間（取平均值）分別為2.03 min、2.01 min和2.05 min，與理論值（2.02 min）接近，標準誤差為0.02%，檢測材料性能指標符合國家標準，表明該方法準確可靠。

2.4 材料的性能

制備的速凝型無機防水堵漏材料外觀效果見圖6。按1.4項對各項性能進行檢測，結果如表4所示。

圖6 材料外觀圖

表4 材料性能

由圖6可見，材料為灰色固體粉末，外觀狀態良好。由表3可見，材料的各項性能完全符合國家標準（GB 23440-2009），凝結時間短，速率快，涂層平整光滑，質地堅硬，附著力強，而且穩定性、抗滲性、耐熱性和耐凍性均達到生產和應用要求。市場上的無機防水堵漏材料初凝時間普遍在3.5～4.5 min，終凝時間在7.5～8.5 min，本產品在初凝時間為2 min，終凝時間為6 min，3 h的抗壓強度達15.5 MPa，3 h的抗折強度達4.3 MPa，遠優于國家標準和市場同類產品。

2.5 經濟效益評價

本產品已由慶陽西慶涂料有限公司注冊商標，于2016年12月開始生產、包裝和銷售。原料、水電、企業管理和工人工資等實際成本費用為26.75元，銷售單價45元/箱（4袋/箱），截止2018年1月銷售額為35.8萬元，凈利潤約為14.5萬元，在高速公路的修補和建筑防水堵漏上取得良好的應用效果和經濟效益。

3 結語

1）其它組分用量不變，在單因素試驗的基礎上，采用響應面法優化材料配方，經回歸分析確定材料的最優配方：快硬硫鋁酸鹽水泥180g，普通硅酸鹽水泥 40g，白砂35g，碳酸鋰0.1g，測得材料初凝時間為2min，終凝時間為6 min，抗壓強度為15.5MPa（3h），抗折強度為4.3 MPa（3h）。

2）配方具有原料豐富、成本低廉、操作簡單、施工方便和綠色環保等特點，制備的材料凝結時間短、速率快、強度穩定和防水抗滲性能良好，其性能完全符合國家標準要求，有較好的市場應用前景。

3）產品在高速公路、建筑、地下防水工程的修葺中效果顯著，產生了一定的經濟效益，還可用于人防工程、涵洞、地鐵和電纜溝的防水、抗滲及搶修。