新型剛性結構自防水材料對混凝土抗滲防裂性能的影響研究

程福星，鄧小旭，向飛，李家東，王海龍

（1.武漢源錦建材科技有限公司，湖北 武漢 430083；2.武漢三源特種建材責任有限公司，湖北 武漢 430083）

0 引言

隨著城市化進程逐步加快，工程建設出現了前所未有的熱度，地下結構的開發利用成為了熱點問題，伴隨而來的是建筑結構防水工程問題。混凝土作為一種非勻質性材料，脆性大、易開裂，同時其自身水泥水化放熱及收縮的特性都為構筑物滲漏的發生提供了條件[1-3]。

目前，混凝土結構防水分為剛性防水和柔性防水，剛性防水材料主要包括防水劑、膨脹劑、水化熱抑制劑、纖維抗裂劑和減縮劑等[4-8]，以內摻的形式添加到混凝土中，提高其自身的抗滲、抗裂性能，而柔性防水材料主要包括各類防水卷材和防水涂料，其使用壽命相對較短，無法做到與結構物同壽命[9]。當前防水工程最常用的做法是“剛柔結合”，全面提升構筑物的抗滲性能。

針對當前剛性結構自防水材料在防水工程應用中存在的混凝土工作性差、強度損失、抗滲性能不達標等問題[10-12]，自主研制了一種WUF 型有機-無機復合類混凝土防水劑，與市場上常見的剛性防水材料進行對比，重點探討了對混凝土抗滲防裂行為的影響，以期在工程應用中對防水材料的選擇提供一定的參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥：P·O42.5 水泥，華新水泥股份有限公司，安定性合格，其化學組成見表1，性能指標見表2。

表1 水泥的化學組成 %

表2 水泥的主要性能

礦粉：S95 級，濟南某公司，28 d 活性指數102%。

粉煤灰：Ⅱ級，45 μm 篩篩余為14.8%，武漢青山發電廠，其化學成分見表3。

高性能纖維防裂抗滲復合材料（簡稱HCM）、氧化鎂膨脹劑（簡稱MEA）、氧化鈣-硫鋁酸鈣膨脹劑（簡稱CSA）：市售，纖維組分為聚丙烯纖維；MgO 活性為140 s，80 μm 篩篩余為2.9%，20 ℃水養7 d 和28 d 限制膨脹率分別為0.022%和0.038%；氧化鈣-硫鋁酸鈣膨脹劑80 μm 篩篩余為18.7%，20℃水養7 d 限制膨脹率為6.7×10-4，21 d 轉干空限制膨脹率為6.0×10-6，符合GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》中Ⅱ型要求，化學成分如表3所示。

WUF 型混凝土防水劑：武漢源錦建材科技有限公司自主研發，由保水、膨脹、防水、納米、激發、塑化組分等按一定配比復配而成，其化學成分如表3所示，符合JC 474—2008《砂漿、混凝土防水劑》要求。

表3 原材料化學組成 %

細骨料：河砂，細度模數2.6，含泥量1.3%。

粗骨料：5～31.5 mm 連續級配花崗巖碎石，其主要物理性能指標如表4所示。

表4 花崗巖碎石粗骨料主要物理性能指標

拌合水：自來水。

減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率為22%，武漢三源特種建材責任有限公司。

1.2 試驗方案

1.2.1 混凝土配合比

根據JGJ 55—2011《混凝土配合比設計規程》，設計選用C30 普通混凝土為基準，試驗用混凝土配合比見表5。結合相關標準及實際情況，摻WUF 型混凝土防水劑、CSA、MEA、HCM 分別以膠材用量的5%、10%、6%和1.0 kg/m3取代粉煤灰。

表5 混凝土配合比 kg/m3

1.2.2 混凝土性能檢測方法

混凝土工作性能：參照GB/T 50080—2019《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試。

力學性能：參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試。

耐久性能：參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行測試，其中抗滲試驗采用滲透高度比法，為體現出不同防水材料對抗滲性能的差異性，本試驗抗滲壓力為1.4 MPa，恒壓24 h；混凝土干燥收縮采用接觸法。

平板開裂性能測試：按照GB/T 50082—2009 中早期抗裂試驗方法進行，采用800 mm×600 mm×100 mm 的平面薄板模具，內含7 條裂縫誘導器；另外保持試件表面中心處風速不小于5 m/s。試驗完成后，記錄裂縫寬度和長度，分別計算裂縫平均開裂面積、單位面積裂縫數目、單位面積的總開裂面積。

2 試驗結果與討論

2.1 對混凝土工作性能的影響

摻不同防水材料新拌混凝土的坍落度和擴展度見表6。

表6 摻不同防水材料新拌混凝土的坍落度和擴展度

由表5、表6 可知，摻入WUF、CSA、MEA 和HCM 4種防水材料后，在維持混凝土初始坍落度為（200±20）mm 時，減水劑用量需求分別是6.25、7.12、7.25、8.25 kg/m3，其對應的初始擴展度分別為560、565、550、520 mm，可見，對混凝土拌合物初始工作性影響從大到小的依次是HCM＞MEA＞CSA＞WUF。經1 h 后，相較于對照組，摻WUF 和CSA 混凝土坍落度和擴展度均無損失，但摻MEA 和HCM 時出現顯著降低，混凝土坍落度分別損失了90 mm 和55 mm，擴展度分別減少了210 mm 和110 mm，表明摻入不同防水材料對混凝土工作性有明顯差異，在實際工程應用時應重點關注。

2.2 不同防水材料對混凝土力學性能的影響（見表7）

表7 不同防水材料對混凝土力學性能的影響

由表7 可知，WUF 和CSA 對混凝土各齡期抗壓強度均無負面影響，抗壓強度均超過對照組，后期強度無倒縮現象，其中摻WUF 對混凝土早期強度有明顯貢獻，3 d 和7 d 的抗壓強度比分別達到了114.6%和108.3%；摻MEA 對混凝土強度有一定負面影響，各齡期抗壓強度均有一定損失，對早期強度的影響更明顯，降幅為5%左右，但混凝土28 d 和60 d 抗壓強度與對照組相當；摻HCM 對混凝土強度影響最大，3、7、14、28、56 d 強度損失率分別為9.8%、11.1%、9.9%、5.8%、3.8%，綜上所述，對混凝土力學性能負面影響大小依次是HCM＞MEA＞CSA＞WUF。

2.3 不同防水材料對混凝土抗滲性能的影響（見表8）

表8 不同防水材料對混凝土滲透高度的影響

由表8 可知，摻入WUF、CSA、MEA 和HCM 后，28 d 齡期混凝土試塊滲透高度分別10.6、98.2、28.8 和127.6 mm，相比于對照組，滲透高度比分別為18.9%、174.7%、51.2%和227.0%，可見，摻入WUF 可顯著降低提高混凝土密實度，進而增加其抗滲性能；MEA 的緩慢膨脹特性也對提高混凝土抗滲性能有一定貢獻，但摻入CSA 和HCM 對提高混凝土密實度均有負面作用，其原因可能是摻CSA 后，混凝土試塊在非限制狀態下早期出現快速膨脹，導致水化產物顆粒增大，產生更多有害孔隙，反而降低了材料的密實度，而摻入HCM 時引入了纖維組分，會導致更多界面過渡區的產生，亦會產生更多有害孔隙[13-14]。

上述結果說明，從提高混凝土密實度、降低有害孔隙數量的角度考慮來改善混凝土抗滲性能的材料是WUF 和MEA，而CSA 和HCM 均會降低混凝土的抗滲性能。

摻不同防水材料混凝土試樣經抗水滲透試驗后劈裂開的斷面形貌如圖1所示。

圖1 摻不同防水材料混凝土抗滲透試驗后的試樣照片

由圖1 可以清楚的觀察到，相較于對照組，摻WUF 和MEA混凝土更密實，斷面更均勻、平整、孔隙較少，而摻CSA 和HCM 試塊斷面更粗糙、孔隙較多，與此同時，對照組、摻CSA和HCM 試樣的兩邊滲透高度不均勻，顯示出抗水滲透性能更薄弱，也進一步說明了混凝土內部密實度較差，而摻WUF和MEA 不僅表現出滲透高度的大幅度降低，還表現出更加優異的滲透均勻性。可見，摻WUF 型混凝土防水劑能大幅度提高混凝土密實度，進而增強抗水滲透性能，對提升混凝土長期耐久性能亦是有利的。

2.4 不同防水材料對混凝土氯離子滲透性能的影響（見表9）

表9 不同防水材料對混凝土電通量的影響

由表9 可知，摻防水材料WUF、CSA、MEA、HCM 混凝土電通量相較于對照組分別降低了49.4%、2.2%、12.6%、-1.9%，可見，與抗滲性能規律一致，摻WUF 防水劑后混凝土氯離子電通量大幅降低，也間接證明了其影響了水化產物結構降低了混凝土的孔隙，使得材料更加密實，而摻HCM 后混凝土氯離子電通量反而增大。

2.5 不同防水材料對混凝土碳化性能的影響（見表10）

表10 不同防水材料對混凝土碳化性能的影響

由表10 可知，相較于對照組，摻WUF、CSA、MEA 對混凝土各齡期抗碳化性能均有一定提升，其中摻WUF 表現得更優異，混凝土7 d、14 d 和28 d 碳化深度較對照組分別降低了25.2%、26.1%和28.1%，摻MEA 的抗碳化效果略優于CSA，但摻HCM 反而會加速各齡期混凝土的碳化進程，碳化深度較對照組分別增大了5.1%、5.8%和2.2%。由此可見，4種防水材料表現出來的抗碳化規律與混凝土抗滲性能類似，說明混凝土密實度與其自身的抗碳化能力密切相關。

2.6 不同防水材料對混凝土收縮性能的影響（見圖2）

圖2 不同材料對混凝土干縮性能的影響

從圖2 可以看出，摻4種防水材料混凝土在干燥養護條件下均表現出收縮，且在14 d 齡期以前發展得最快，28 d 后干縮值增長不明顯；摻MEA 和CSA 兩種膨脹劑并沒有顯著降低混凝土的干縮性能，主要是膨脹劑在水化過程中需要大量水分，而干燥養護條件下限制了其膨脹性能的發展，也說明了養護條件對膨脹劑使用的重要性。同時，MEA 對混凝土干縮的抑制效果優于CSA，是因為MEA 水化需水量更小，同時其延遲膨脹特性也有一定作用；摻WUF 對混凝土干縮性能有一定改善，主要是其中的保水組分和防水組分可以將部分自由水封閉在混凝土中，維持內部濕度，促進膠凝材料的水化；而摻HCM 對混凝土干縮值影響不大，各齡期干縮值與對照組相當。

2.7 不同防水材料對混凝土早期收縮開裂行為的影響（見表11）

表11 混凝土早期平板開裂試驗結果

由表11 可知，摻WUF、CSA、MEA 和HCM 后，混凝土平板單位面積的總開裂面積相較于對照組分別降低了33.1%、-16.3%、7.8%、92.5%，同時最大裂縫寬度分別為0.53、0.64、0.59、0.22 mm，可見，摻HCM 對混凝土早期抗裂行為影響最為顯著，其原因是該材料中的纖維組分在混凝土中起到橋接作用，形成三維網狀結構，不僅可提高基體韌性，還能夠分散混凝土早期產生的應力，有效抑制混凝土裂縫的產生和發展[15]；摻WUF 對抑制混凝土早期開裂亦有一定作用，主要是其中的保水組分和防水組分可降低混凝土表面水分的蒸發速率，從而降低早期收縮開裂風險；摻MEA 對早期抗裂行為的影響不大；而CSA 對混凝土早期開裂有負面影響，其原因是氧化鈣-硫鋁酸鈣類膨脹劑早期水化速度快，需水量較大，對混凝土干燥收縮不利。由此可見，4種防水對于早期抗裂行為的影響HCM 表現最優，CSA 表現最差。

3 結論

（1）自制WUF 型混凝土防水劑可提高混凝土的坍落度、擴展度并降低經時損失，對混凝土各齡期力學性能亦是有利的。

（2）摻WUF 型防水劑可顯著提升混凝土耐久性能，滲透高度降低45.6 mm，電通量減少了49.4%，各齡期混凝土碳化深度亦明顯下降。

（3）從提高混凝土密實性的抗滲性能考慮，4種防水材料對其貢獻的優先順序是WUF＞MEA＞CSA＞HCM，相較于對照組，抗滲高度比分別為18.9%、51.2%、174.7%和227.0%。

（4）從提高混凝土早期抗裂性能考慮，4種防水材料對其的優先順序是HCM＞WUF＞MEA＞CSA，相較于對照組，平板開裂面積分別降低了92.5%、33.1%、7.8%和-16.3%。