一種新型水泥基裂縫粘接修復劑制備及性能測試

古發美

摘 要：針對傳統水泥基材料易開裂的問題，提出制備一種高分子修復劑對水泥基材料進行修復。探究了該修復劑對水泥基材料的修復效果與機理，結果表明： 試驗制備的高分子修復劑修復機理主要是通過離子間吸附、膨脹和絡合作用對水泥基材料進行修復。28 d養護齡期試件在不同養護環境下的平均裂縫寬度分別為自來水環境0.01 mm、酸環境0.06 mm、堿環境0.02 mm、中性環境0.06 mm和硫酸鹽環境0.02 mm，且均表現出較好的修復性能。

關鍵詞：修復性能；高分子修復劑；修復機理；水泥基材料

中圖分類號：TQ314.262

文獻標志碼：A文章編號：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程中，受外部環境的影響，易出現開裂現象，造成水泥基材料使用壽命短，甚至對使用者的生命安全產生威脅，因此對水泥基材料進行修復是很有必要的。針對該問題，部分學者也進行了很多研究，如對海水腐蝕的水泥基，提出一種新型自修復劑，這種修復劑在水泥基材料出現裂縫時，能夠在裂縫中間形成水鎂石和方解石，對水泥裂縫進行有效修復［1］；但其研究特異性較強，僅針對海水腐蝕下的水泥基材料開裂問題。有研究則提出通過生物法修復水泥基材料，結果表明，微膠囊與科氏芽孢桿菌能在水泥基材料開裂后及時修復裂縫，賦予了水泥材料仿生自主修復功能［2］。為了尋找更適合的水泥基材料修復方式，本試驗制備了一種新型高分子修復劑，并對其修復效果和修復機理進行分析。

1 材料與設備

1.1 材料與方法

本試驗主要材料：過硫酸銨（AR，創贏化工）、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（標準品，明城礦產品）、P·O42.5水泥（匯霆星建材）、聚羧酸減水劑（AR，博克化學股份）、丙烯酸（AR，澤西新材料科技）、稀硝酸（AR，馳達化工）、過硫酸鈉（AR，華航化工）、氫氧化鈉（AR，杰維化工）。

本試驗主要設備：JJ-5型水泥膠砂攪拌機（星藍建筑儀器）、HZJ1型水泥砂漿振動臺（人從眾機械制造）、ZBL-U510型非金屬超聲檢測儀（環球測繪儀器）、ZT501型裂縫測寬儀（中拓科儀科技）、SU9000型超高分辨率場發射掃描電鏡（維翰光電科技）。

1.2 試驗方法

1.2.1 高分子修復劑的制備

（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，加入一定質量的亞甲基雙丙烯酰胺，充分攪拌；

（2）放入質量分數為2%的過硫酸銨和四甲基乙二胺作為引發體系進行反應，反應結束后加入一定質量的水，在氮氣條件下攪拌反應，反應的溫度和時間分別為45 ℃和24 h；

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

1.2.2 水泥砂漿試件的制備

參照GB/T 17671—1999標準設計并制備水泥砂漿試件［3-4］。為了探究高分子修復劑對水泥基材料的修復效果，本試驗共設計2組試驗，具體配比結果如表1所示。

（1）按照表1配比精準稱取原材料。將修復劑與水泥混合，減水劑完全溶于水；

（2）提前潤濕水泥膠砂攪拌機，倒入水泥和水并低速攪拌30 s；

（3）在30 s內，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，打開高速攪拌模式，繼續攪拌30 s；

（4）關閉攪拌機，立刻將攪拌葉片上的砂漿材料刮到攪拌鍋中，同時，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）繼續高速攪拌90 s，關閉攪拌機，將攪拌機內砂漿材料分3次倒入提前準備好的模具中，每次加料都需要在HZJ1型水泥砂漿振動臺上振實，排出砂漿內部氣泡；

（6）常溫養護1 d拆模，放入標準養護箱內標準養護至指定齡期。養護溫度和濕度分別為20 ℃和90%。

1.2.3 自修復作用環境

（1）自來水環境：試驗室接的自來水；

（2）硫酸鹽環境：質量分數為6%的硫酸鈉溶液；

（3）海水環境：試驗室用人工海水；

（4）堿環境：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在以上6種環境中，用保鮮膜完全密封后置于標準養護箱內養護。

1.3 性能測試

1.3.1 超聲波波速測試

檢測試件的超聲波波速。材料不同，超聲波波速也不相同，試驗室通過超聲波波速的改變判斷水泥基材料內部的密實情況，水泥基材料密實程度越高超聲波傳輸速度越高［5］。

超聲波聲速恢復率表達式［6］：

η=vn－vcv0－vc×100%（1）

式中：η為聲波恢復率；v0為正常環境養護的超聲波速；vn為養護n天后的超聲波速；vc為預制裂縫后的殘余波速。

1.3.2 裂縫寬度測試

在ZT501裂縫測寬體的作用下測定待測樣品內部裂縫寬度［7］。

1.3.3 掃描電子顯微鏡

用導電膠將待測樣品固定在樣品臺上，噴金處理后用SU9000型超高分辨率場發射掃描電鏡觀察水泥砂漿材料的斷面形貌。

2 結果與討論

2.1 自來水環境下修復劑修復性能分析

2.1.1 超聲波波速分析

對自來水環境下，超聲波在不同水泥砂漿試件中波速的變化進行檢測，結果如圖1所示。

從圖1可以看出，在自來水環境下，砂漿基體自身具備一定的修復能力。但養護時間超過14 d后，A組試件波速恢復率不再發生改變；B組試件的波速恢復率則持續上升。當養護時間增至28 d后，超聲波波速在水泥砂漿中的恢復率高達73.7%，這說明摻入高分子修復劑后，對水泥基的修復性能產生積極的影響［8］。

2.1.2 裂縫寬度分析

水泥砂漿基體在養護一定時間后，內部環境會出現一些裂縫，對不同養護時間下，水泥砂漿基體內部裂縫寬度進行檢測，結果如圖2所示。

從圖2可以看出，自來水環境下，2個組試驗結果表現出一定的修復性能，但在養護齡期下，B組試件的裂縫寬度恢復率皆明顯高于A組試件；養護28 d，裂縫基本完全愈合。這就說明在自來水環境下，高分子修復劑能夠發揮較好的修復作用，減小水泥基內部的平均裂縫寬度［9-10］。

2.2 鹽環境下修復劑的修復性能分析

2.2.1 超聲波波速分析

圖3為硫酸鹽環境下，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，在硫酸鹽環境下，超聲波波速并沒有較大的差別。這可能是在該環境下，水泥砂漿基體自修復性能發揮較好的作用［11］。但修復劑組樣品仍舊略高于普通樣品，說明在該條件下，高分子修復仍舊可以發揮一定的作用。

2.2.2 裂縫寬度分析

圖4為硫酸鹽環境對水泥砂漿基體內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。這個變化規律與超聲波波速變化基本一致，這再次印證了2.2.1的結論。同時，從裂縫寬度變化的規律還能看出，在硫酸鹽環境下，高分子修復劑對水泥砂漿基體內部裂縫的修復產生積極的作用［12］。

2.3 海水環境下修復劑修復性能分析

2.3.1 超聲波波速分析

圖5為海水環境下超聲波波速的影響。

從圖5可以看出，在海水環境下，2組試件超聲波波速變化基本一致，并沒有發現明顯的差別。這個變化規律說明海水環境對水泥砂漿基體的自修復性能產生積極的影響，但高分子修復劑的修復性能則會被抑制，也就是說，該高分子修復材料應避免在海水環境下使用。

2.3.2 裂縫寬度分析

圖6為海水環境下內部縫隙寬度的變化。

從圖6可以看出，在海水環境下，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。這個變化規律說明海水環境對水泥砂漿裂縫的自修復有積極的作用，但會抑制高分子修復劑的修復性能［13-14］。

2.4 堿環境下修復劑修復性能分析

2.4.1 超聲波波速分析

圖7為堿環境下，超聲波在水泥砂漿試件中波速的變化。

從圖7可以看出，在堿環境下，超聲波在2組試件中的波速變化規律基本一致；而修復劑試驗組超聲波波速恢復率相對較高。這說明在堿性環境下，水泥砂漿基體具有一定的自修復性能，同時，高分子修復劑可以在該環境下發揮一定的修復作用。

2.4.2 裂縫寬度分析

圖8為堿環境下，水泥砂漿試件內部縫隙平均寬度的變化。

從圖8可以看出，隨養護齡期的增加，2組試件內部的裂縫平均寬度皆有所減小， 但B組試件內部的裂縫平均寬度始終小于A組試件。這說明在堿環境下，水泥砂漿材料可以發揮一定的自修復性能。當加入高分子修復劑后，高分子修復劑發揮作用，進一步縮小了水泥砂漿內部裂縫寬度。證實高分子修復劑在堿性環境下也有一定的修復效果。

2.5 酸環境下修復劑修復性能分析

2.5.1 超聲波波速分析

圖9為酸性環境下，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，酸性環境下，2組試件中超聲波波速變化趨勢基本一致，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。這說明在酸性環境下，水泥砂漿材料具有一定的自修復性能，同時，高分子修復劑能夠發揮一定的修復效果，但效果不明顯。

2.5.2 裂縫寬度分析

圖10為酸環境下，水泥砂漿基體內部裂縫平均寬度的變化。

從圖10可以看出，隨養護時間的增加，水泥砂漿基體內部裂縫平均寬度慢慢的減小，且B組試件水泥砂漿基體內部平均寬度始終略小于A組試件。這與2.5.1的結論一致，說明酸環境能夠促進水泥基體材料的自修復。同時，高分子修復劑也能在該環境下發揮一定的作用，但作用并不明顯。

2.6 中性環境下修復劑修復性能分析

2.6.1 超聲波波速分析

圖11為中性環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部的變化規律與酸環境下超聲波波速在水泥砂漿基體內部變化規律基本一致。這說明中性環境與酸性環境對水泥砂漿基體的影響基本一致，高分子修復劑在酸性環境下與中性環境下對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為中性環境下裂縫平均寬度的變化。

從圖12可以看出，隨養護時間的增加，水泥砂漿內部裂縫慢慢的縮小，這說明中性環境對水泥砂漿材料的自修復性能產生積極的影響。同時，從圖12還可發現，雖然B組試件內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。這可能因為制作試件時，振動時間不夠，內部存在一些氣泡，使得試件內部裂縫的寬度相對A組試件較大。在高分子修復劑的作用下，試件內部裂縫的平均寬度慢慢的變小，這說明在中性環境下，高分子修復劑可以發揮一定的作用。

2.7 高分子修復劑修復機理分析

通過上面的分析可以發現，高分子修復劑在多種環境中都能發揮一定的修復作用，因高分子修復劑在硫酸鹽環境中修復具有一定的代表性，因此在探究高分子修復劑的修復機理時，以硫酸鹽環境下的水泥砂漿試件為研究對象，用SEM掃描電子顯微鏡對其斷面進行分析，結果如圖13所示。

從圖13可以看出，在水泥砂漿基體內部并未有新的物質生成，只有少量的膠狀物質拉結，這說明高分子修復劑對水泥砂漿基體的修復是物理作用［15］。分析高分子修復劑的修復機理可以發現，高分子修復劑中含有吸附性較強的酰胺基結構。這種特殊的結構能夠使反應產物在水泥材料基體表面附著，同時可通過化學鍵與羧基官能團連接，使得材料緊密結合，再加上酰胺基團吸水膨脹的特點，可以在水泥砂漿基體中起到一定的修復作用。

同時，高分子修復劑內的羧基可與與金屬離子進行絡合，生成結構較為穩定的產物，能夠連接修復劑與水泥砂漿材料，阻止水泥砂漿材料內部裂縫的產生和發展，進而起到一定的修復作用［20］。

3 結語

本研究制備的高分子修復劑在多種環境下都可對水泥基材料進行修復，通過對高分子修復劑的修復機理進行分析，得到的具體結論如下。

（1）在自來水環境下，高分子修復劑修復性能表現良好。養護齡期為28 d的修復劑水泥砂漿試件，超聲波波速恢復率為73.7%，內部裂縫平均寬度為0.004 mm；

（2）海水環境下會抑制高分子修復劑，因此應避免在海水環境下使用；

（3）高分子修復劑在酸性環境、鹽環境、中性環境和堿環境中發揮一定的修復效果；

（4）高分子修復劑的修復機理是通過酰胺基與羧基官能團連接，再加上吸水膨脹和絡合的特性對水泥基材料內部裂縫進行修復，也就是高分子修復劑是通過物理作用對水泥基材料進行修補。

【參考文獻】

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

［2］ 趙曉艷，高明亮，周健，等.微膠囊復合芽孢桿菌修復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界面強度影響因素分析［J］.廣西科技大學學報，2021，32（4）：71-76.

［4］ 王漢鵬，李占鴻，謝正良，等.應變強化型水泥基復合材料研究綜述［J］.結構工程師，2021，37（5）：222-230.

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

［6］ 郭向勇，王建軍，李東彬.既有建筑混凝土結構耐久性修復技術綜述［J］.工程質量，2021，39（11）：8-12.

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

［8］ 劉月雷，楊洋，李福海，等.水泥基滲透結晶型防水材料作用機理及性能評價［J］.市政技術，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混凝土修復性能的影響研究［J］.西南師范大學學報（自然科學版），2021，46（12）：95-100.

［10］ 蔡基偉，閆文哲，賈翔宇，等.燒失造孔法燒結長英巖尾礦透水磚實驗研究［J］.河南大學學報（自然科學版），2021，51（6）：706-711.

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

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

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

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

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