高聚物改性混凝土養(yǎng)生劑配方設計與優(yōu)化

李 保

（山西交通控股集團有限公司 大同北高速公路分公司，山西 大同 037000）

0 引言

水泥混凝土是當今工程領域應用最廣、用量最大的建筑材料，具有承載力強、耐久性好、材料來源豐富等諸多優(yōu)點。其性能不僅與原材料、配合比相關，更與后期良好的養(yǎng)生措施密不可分[1-6]。

傳統的養(yǎng)生方式主要包括：覆蓋草簾濕布等吸水材料灑水養(yǎng)生、間歇灑水養(yǎng)生，存在耗水量大、費時費力、養(yǎng)生不徹底等問題[7]。

采用養(yǎng)生劑養(yǎng)生相對傳統養(yǎng)生方式是一種新型高效的混凝土養(yǎng)生方式，發(fā)展時間較短但發(fā)展迅速。養(yǎng)生劑是一種噴涂或涂刷于混凝土表面，能在混凝土表面形成一層連續(xù)不透水的密閉養(yǎng)生薄膜的乳液或高分子溶液。養(yǎng)生劑薄膜使混凝土表面與空氣隔絕，降低水分蒸發(fā)，從而使混凝土利用自身水分最大限度地完成水化作用，以保證混凝土達到養(yǎng)生效果。具有以下優(yōu)點：節(jié)約水資源，適用于缺水地區(qū)；適用于混凝土構筑物的立面或結構復雜的部位；適用于不允許用水養(yǎng)生的地區(qū)：飛機場、跑道；節(jié)省蓋草蓋、澆水的物力和人力，降低成本；延長養(yǎng)生時間、提高混凝土后期強度及勻質性；可以避免干縮裂紋[8-10]。

目前在水泥混凝土施工過程中，養(yǎng)生劑并沒有得到廣泛的應用，其原因主要是養(yǎng)生劑產品性能較差。本文借助高聚物對養(yǎng)生劑進行改性，提高養(yǎng)生劑薄膜的韌性和與基底的黏接性能，改善養(yǎng)生劑薄膜的保水性能和與基底的黏附性能，防止薄膜開裂及剝落[11-13]。

目前市面銷售的養(yǎng)生劑主要為改性石蠟基，具有成膜密實，保水性好的特點，但薄膜較脆，易破損，且黏附性較差，易與混凝土基材脫落，針對存在的問題，借助高聚物對養(yǎng)生劑進行改性，提高養(yǎng)生劑薄膜的韌性和與基底的黏接性能，從而使改性養(yǎng)生劑具備較好的養(yǎng)生效果。

1 試驗材料及方案設計

1.1 試驗原材料及養(yǎng)生劑制備

1.1.1 原材料

水性氧化聚乙烯蠟乳液、硅丙乳液為工業(yè)級，消泡劑、氟碳表面活性劑、增塑劑、成膜助劑為分析純，去離子水。

1.1.2 養(yǎng)生劑的制備

先將水性氧化聚乙烯蠟乳液置于裝有定量水的攪拌桶內使用攪拌機進行恒速攪拌，然后將消泡劑、氟碳表面活性劑、增塑劑、成膜助劑依次加入，攪拌機保持恒速攪拌，最后將硅丙乳液加入繼續(xù)攪拌5～8 min。

1.2 養(yǎng)生劑配方及性能評價

1.2.1 正交表選取及水平設置

根據文獻資料，初步制定養(yǎng)生劑的配方見表1。

表1 養(yǎng)生劑配方表 %

從正交表中選擇L25（56），即6個因素，5個水平的表格，具體見表2。

表2 養(yǎng)生劑配方優(yōu)化試驗因素水平L25（56）

1.2.2 養(yǎng)生劑性能評價方法

根據正交試驗確定最佳配方，主要評價方法有3項：有效保水率、抗壓強度比和黏附性能，其中有效保水率和抗壓強度比參考JT/T 522—2004《公路工程混凝土養(yǎng)護劑》規(guī)定的測試方法，黏附性能參考GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》中規(guī)定的方法。試驗中混凝土配合比：水泥用量400 kg/m3，水灰比0.4，砂率36%，養(yǎng)生劑噴涂量0.3 kg/m2。

2 試驗結果分析及養(yǎng)生劑性能測試

2.1 試驗結果分析

根據養(yǎng)生劑原理可知，有效保水率是養(yǎng)生劑成膜密封性優(yōu)劣的重要指標，可通過抗壓強度比進行評價，而JTT 522—2004《公路工程混凝土養(yǎng)護劑》中對養(yǎng)生劑的黏附性能及測試方法未做規(guī)定說明，因此養(yǎng)生劑的黏附性能測試采用GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗》方法作為評價養(yǎng)生劑薄膜與基材的黏附性能評價方法。試驗采用以上3項指標對養(yǎng)生劑性能進行綜合評價，從而優(yōu)選出最佳配方，表3為正交試驗分析結果和對3項指標所進行的計算和分析。

表3 養(yǎng)生劑配方優(yōu)化結果分析

采用直觀分析法，計算六因素各自的1、2、3、4、5水平之和S，通過單一因素的水平之和與S進行對比，驗證各因素水平計算的正確性，通過各因素極差R對各因素的重要性進行排序，極差愈大，說明單一因素條件下各水平對養(yǎng)生劑整體性能的影響愈重要。由計算結果可知，有效保水率各因素的重要性排序為D＞C＞B＞A＞F＞E，較優(yōu)配方為A3B5C5D5E2F4；抗壓強度比各因素的重要性排序為A＞D＞F＞B＞E＞C，較優(yōu)配方為A2B2C3D1E2F1；黏附性各因素的重要性排序為B＞A＞C＞D=E=F，因C、D、E、F極差過小，各水平對結果影響不明顯，因此優(yōu)選配方只考慮A、B的水平影響。

本次試驗中，各種原料從功能分類，A、B均為成膜組分，C、D、E、F為性能改善組分，因素A水性氧化聚乙烯蠟乳液對養(yǎng)生劑抗壓強度比和黏附性均為主要因素，對有效保水率為非主要因素，但在不同水平條件下，測試數據差距很小，綜合考慮取A2；因素B硅丙乳液對養(yǎng)生劑有效保水率和黏附性為主要因素，對抗壓強度比為非主要因素，故取B5；因素C消泡劑和D氟碳表面活性劑對養(yǎng)生劑的有效保水率有顯著作用，氟碳表面活性劑可有效提高養(yǎng)生劑的分散穩(wěn)定性，提高養(yǎng)生劑薄膜的均勻性和密封性，攪拌過程和施工過程中會出現很多氣泡，導致薄膜出現裂紋，從而使水分散失，降低養(yǎng)生效果，消泡劑的加入可顯著降低氣泡含量，綜合考慮，取C5、D5；因素E增塑劑在三項指標中均為非重要因素，因此取E2；因素F成膜助劑只在抗壓強度比指標中重要性排名稍微靠前，因此取F1，最后得出養(yǎng)生劑最佳配方為A2B5C5D5E2F1。

2.2 養(yǎng)生劑性能測試

按照最佳配方制備養(yǎng)生劑，然后進行性能測試，測試結果見表4。

表4 養(yǎng)生劑最佳配方性能測試結果

由表4可知，噴涂養(yǎng)生劑的試件與標準養(yǎng)生試件的7 d及28 d抗壓強度比均為93.4%，遠高于空氣養(yǎng)生，說明高聚物改性養(yǎng)生劑可有效提高混凝土的強度，雖較標準養(yǎng)生方式略低，但施工便捷，可節(jié)約大量人力物力，尤其適用于取水不便地區(qū)及立面和形狀復雜部位，保證了混凝土的養(yǎng)生質量。

2.3 工程驗證

2.3.1 室外試驗驗證

為了驗證室內試驗開發(fā)的養(yǎng)生劑在室外養(yǎng)生的效果，在室外空曠環(huán)境進行了中試。如圖1所示，首先現場拌和混凝土，填入模具后進行振搗、抹面，待混凝土泌水結束后采用薄膜養(yǎng)生、棉被養(yǎng)生、養(yǎng)生劑養(yǎng)生和空氣養(yǎng)護4種不同的養(yǎng)生方式對混凝土進行養(yǎng)生，待28 d后進行鉆芯取樣，測試混凝土強度。

圖1 室外試驗流程圖

28 d強度測試結果如表5所示，可見棉被補水養(yǎng)生方式最接近標準養(yǎng)生，養(yǎng)生效果最好，其次為養(yǎng)生劑養(yǎng)生，混凝土強度為棉被補水養(yǎng)生的92.36%，薄膜補水養(yǎng)生和空氣養(yǎng)生效果均較差。經室外試驗驗證混凝土養(yǎng)生劑養(yǎng)生方式效果良好。

表5 室外不同養(yǎng)生方式混凝土強度對比 MPa

2.3.2 工程驗證

依托晉蒙黃河大橋工程，在科村引橋右幅第七孔鋼纖維橋面混凝土進行了實體工程噴涂試驗，噴涂寬度13 m，噴涂長度35 m，共計455 m2，其余部位采用傳統土工布覆蓋灑水養(yǎng)生方式作為對比，見圖2。

圖2 不同養(yǎng)生方式對比圖

考慮當天風速較大，項目組加大養(yǎng)生劑噴涂量，采用縱橫兩次噴涂，用量控制在0.35～0.40 kg/m2，噴涂28 d后，對養(yǎng)生效果進行了檢測，結果顯示，試驗段與對比路段基本無差別，混凝土橋面外觀質量良好，無裂縫出現。

3 結語

本文借助正交分析設計方法，以有效保水率、抗壓強度比和黏附性能為評價指標，對養(yǎng)生劑配方進行了設計和優(yōu)化，結論如下：

a）養(yǎng)生劑最佳配方為：水性氧化聚乙烯蠟乳液40%、硅丙乳液24%，消泡劑0.5%、氟碳表面活性劑0.05%、增塑劑0.7%、成膜助劑0.7%、去離子水34.05%。

b）氟碳表面活性劑和消泡劑對養(yǎng)生劑性能影響明顯，在養(yǎng)生劑制備過程中應嚴格控制其加入量，保證養(yǎng)生劑性能穩(wěn)定。

c）本項目開發(fā)的混凝土養(yǎng)生劑推薦用量為0.3 kg/m2，但施工時應根據天氣及氣候及時調整用量，建議采用縱橫兩次噴涂（涂刷），以保證成膜質量。