武汉理工大学余剑英团队研究成果：硅质外加剂与络合剂协同作用对砂浆微观结构和自修复性能的影响
引言：
水泥基刚性防水材料因其施工便捷、耐久性良好等优点，在地下防水工程中得到广泛应用。然而，此类材料在养护和使用阶段，易受温差收缩、外界荷载等因素影响而产生裂缝，导致防水功能失效，引发建筑物渗漏问题。因此，提升水泥基刚性防水材料的裂缝自修复能力，对于延长其使用寿命、保障工程安全具有重要意义。
一、研究背景 近年来，以二氧化硅为主要成分的硅质矿物外加剂，如硅灰、粉煤灰、偏高岭土和沸石等，在提高水泥基材料裂缝自修复性能方面展现出显著潜力。研究表明，这些外加剂可通过促进水化产物生成或提供自修复物质来改善材料性能。与此同时，络合剂作为一种新型外加剂，能够与水泥基材料中的Ca²⁺结合形成可溶性络合物，并在水分作用下迁移至裂缝处，与空气中的CO₃²⁻反应生成碳酸钙沉淀，从而实现裂缝愈合。鉴于硅质外加剂和络合剂均能提升水泥基材料的自修复能力，本文旨在探究二者协同作用对砂浆微观结构、力学性能、抗渗性能及裂缝自修复性能的综合影响。文章基于武汉理工大学余剑英教授团队研究成果及国家重点研发计划项目资助。 二、创新亮点 （1）协同效应研究：首次系统研究了硅质外加剂（硅灰、沸石、硅藻土）与络合剂协同使用对砂浆性能的多重影响，填补了单一外加剂研究的局限性。 （2）综合性能评估：从微观结构（孔隙分布、水化产物形貌）、力学性能（抗压强度）、抗渗性（氯离子扩散系数）及自修复能力（裂缝愈合效率）四维度展开评估，提供了全面深入的性能分析。 （3）最佳配比验证：通过对比实验，发现硅灰与络合剂复掺时对砂浆性能改善效果最佳，为工程应用提供了科学依据。 （4）机理探索：揭示了硅质外加剂中SiO₂溶解生成水化硅酸钙（C-S-H）与络合剂迁移沉淀碳酸钙（CaCO₃）的协同修复机制，深化了对自修复过程的理解。 三、图文展示 图2 不同掺量的硅质外加剂对砂浆抗压强度的影响 Fig.2 Effect of various dosages of siliceous admixtures on compressive strength of mortar 图3 不同硅质外加剂与水泥净浆的热重曲线 Fig.3 Thermogravimetric curves of cement paste with different siliceous admixtures 图4 复掺硅质外加剂与络合剂对砂浆抗压强度的影响 Fig4 Effect of siliceous admixtures and chelator on compressive strength of mortar 图5 不同砂浆样品的孔径分布 Fig.5 Pore size distribution of different mortar samples 图8 复掺硅质外加剂和络合剂砂浆的氯离子扩散系数 Fig8 Chloride ion diffusion coefficient of mortar with siliceous admixture and chelator 图9 复掺硅质外加剂和络合剂砂浆的相对渗水系数随养护龄期的变化 Fig.9 Variation of relative water permeability coefficient of mortar containing siliceous admixture and chelator with the curing age 四、结论及展望 （1）力学性能提升：硅质外加剂与络合剂协同使用显著提高了砂浆的抗压强度。其中，硅灰与络合剂复掺使砂浆28 d抗压强度提升27.0%，展现出优异的增强效果。 （2）微观结构优化：复掺硅质外加剂与络合剂可细化砂浆孔结构，减少有害孔隙（孔径＞0.1 μm）比例，并通过SEM-EDS分析证实生成了由C-S-H凝胶和CaCO₃晶体组成的致密修复产物，有效改善了材料密实度。 （3）抗渗性能增强：硅灰与络合剂协同作用使砂浆氯离子扩散系数降低23.3%，抗渗性能显著提升，这对于提高地下结构耐久性具有重要意义。 （4）自修复能力突破：在初始渗水率为250 mL/min的预制裂缝试验中，复掺硅灰与络合剂的砂浆养护7 d即可完全修复0.30 mm裂缝，而单掺络合剂砂浆28 d仅修复约50%裂缝，未掺络合剂组则无修复能力。 （5）最佳协同方案：综合比较发现，硅灰与络合剂复掺在孔隙率降低（17.2%）、强度提升、抗渗改善及自修复效率方面均表现最优，为水泥基材料自修复增强提供了理想配比方案。 本研究不仅验证了硅质外加剂与络合剂的协同增效作用，还为开发高性能自修复水泥基材料提供了理论指导和技术支持，具有显著的工程应用价值。 引用本文： 文章发表于《功能材料》2025年第56卷第4期，欢迎引用本文： 付世祥,杨胜文,庄荣华,等.硅质外加剂与络合剂协同作用对砂浆微观结构和自修复性能的影响[J].功能材料,2025,56(4):04016-04023. Fu S X,Yang S W,Zhuang R H,et al.Investigation on synergistic effect of siliceous admixtures and chelator on microstructure and self-healing properties of mortar[J].Journal of Functional Materials,2025,56(4):04016-04023.