防裂抗滲劑對混凝土早期開裂及抗滲性的影響

郭相偉，喻林，譚濤，陳韋凌，程梓豪

（河海大學 力學與材料學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

水工混凝土由于長期暴露于大氣與水環境中，承受水流沖刷、太陽輻射和風霜雨雪的侵蝕以及冰凍、干濕等外界作用，加之內部應力狀態、化學反應的影響，與常規混凝土相比，混凝土開裂問題在水工建筑物主體結構中普遍存在[1-3]。氣體和水分子通過微裂縫進入混凝土結構內部，破壞內部堿性環境、造成鋼筋銹蝕，損害混凝土的使用性能，嚴重危害水工混凝土的結構安全[4-5]。

劉生如和劉玲[6]研制了具有微膨脹、減水、密實、憎水組分的防裂抗滲劑GMT，試驗表明，砂漿中摻入防裂抗滲劑后早期強度提高，抗裂性能好，抗滲透性能增強，大大提高了砂漿的耐久性。呂興棟等[7]通過試驗研究了防裂抗滲劑對混凝土性能的影響，防裂抗滲劑可以提高混凝土拌和物的粘稠度、抗離析性能和保水保坍性能，改善現場混凝土施工和易性。在前期研究成果上，本文研究的HPT-X防裂抗滲劑是一種新型復合外加劑，由高活性粉劑和改性纖維按一定比例復配組成，可以有效降低混凝土早期塑性開裂，改善水泥水化過程和水化產物的顆粒形貌及空間排列，增強混凝土的致密性和抗滲性能。

1 試驗

1.1 原材料

膠凝材料：海螺牌P·O42.5水泥，標準稠度用水量26.8%；F類Ⅱ級粉煤灰。膠凝材料的主要化學成分和物理性質分別見表1、表2。

表1 膠凝材料的化學組成 %

表2 膠凝材料的物理性能

骨料：細骨料采用2區天然河砂，細度模數2.6，表觀密度2610 kg/m3，堆積密度1620 kg/m3；粗骨料采用5～31.5 mm連續級配碎石，表觀密度2730 kg/m3，堆積密度1570kg/m3。

減水劑：PCA-Ⅰ型聚羧酸高性能減水劑，江蘇蘇博特新材料有限公司，減水率25%。

防裂抗滲劑HPT-X：由高活性粉劑和改性聚酯纖維組成（見圖1）。高活性粉劑表觀密度2.35～2.38 g/cm3，比表面積641 m2/kg；改性聚酯纖維長度12 mm，直徑20μm，密度1.36 g/cm3，抗拉強度大于600 MPa，斷裂伸長率30%～45%。

圖1 防裂抗滲劑的組成材料

1.2 試驗配比及制作

為了研究HPT-X對混凝土性能的影響，設計了4種不同摻量的混凝土配合比，如表3所示。

表3 混凝土配合比設計 kg/m3

拌合以及養護流程：將干燥的粗、細骨料倒入強制式單臥軸混凝土攪拌機中干拌30 s，再將水泥、粉煤灰和HPT-X加入并攪拌2min，最后加水和減水劑混合溶液攪拌3min。將攪拌好的拌合物注入模具，并用振動臺振動30 s，成型后放入標準養護箱養護1 d拆模，并繼續在標準養護箱養護至規定齡期，進行各項性能測試。

1.3 試驗方法

1.3.1 飽水法測試孔隙率

混凝土內部孔隙包括連通孔隙、半連通孔隙以及封閉孔隙，三者孔隙率之和等于材料的總孔隙率，影響混凝土材料性能的以連通孔隙和半連通孔隙為主，如混凝土的吸水性、抗滲性、抗凍性等。本研究基于飽水法測試混凝土孔隙率，假定測試時封閉孔隙不參與作用，飽水法測試混凝土孔隙率的計算公式如下：

式中：W1——試塊飽和狀態時懸吊在水中的質量，g；

W2——試塊飽和面干時的質量，g；

W3——試塊烘干后的質量，g。

1.3.2 抗水滲透試驗

混凝土抗水滲透試驗參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中的“滲水高度法”進行，試件上口直徑175 mm、下口直徑185 mm、高度150 mm。標準養護規定齡期后的圓臺試件經擦拭晾干后采用橡膠圈密封，將密封試件置于抗滲儀后加載穩定壓力值為1.2 MPa并保持加壓24 h，最后將取出的試件沿縱斷面劈開并記錄水痕高度，若試件在加載過程中表面滲水則滲水高度為試件高度。試件滲水高度按式（2）進行計算：

式中：hj——第i個試件第j個測點處的滲水高度，mm；

hl——第i個試件的平均滲水高度，為10個測點滲水高度的平均值，mm。

1.3.3 平板試驗

目前關于混凝土早期抗裂性能的測試方法較多，常用的包括平板法、圓環法和單軸約束法等，本試驗采用平板試驗法，模擬混凝土受到的四周約束和底部約束。試驗參照T/CECS 10001—2019《用于混凝土中的防裂抗滲復合材料》進行早期抗裂試驗，采用800 mm×600 mm×100 mm的鋼制平板試模，內設7根裂縫誘導器，試驗過程中，模具作為誘導裂縫產生的裝置與試件連在一起，不必拆模。平板試驗模具示意和實物見圖2。

圖2 平板試驗模具示意與實物照片

2 試驗結果與分析

2.1 HPT-X摻量對混凝土孔隙率的影響

將成型好的混凝土試塊放入60℃烘箱，每隔12 h稱重1次，直至質量基本不再變化為止。表4為混凝土試塊標準養護28 d后測得的數據。

表4 混凝土試件孔隙率

從表4可以看出，隨著HPT-X摻量的增加，混凝土孔隙率有明顯的減小，其中C-0.5組混凝土孔隙率較基準組降低了9.1%，C-1.0組混凝土孔隙率較基準組降低了12.9%，C-2.0組混凝土孔隙率雖然較基準組也有降低，但改變了孔隙率下降的趨勢。產生此現象的原因可能是，凝結初期HPT-X中的活性粉劑參與水化而封堵了一些孔隙變成不連通孔，增加了混凝土的密實度，因此孔隙率不斷減小；當HPT-X摻量過多時，纖維超過臨界值，造成纖維分布不均勻，在攪拌過程中纖維之間夾雜的微小氣泡難以排出，影響混凝土的密實度，導致孔隙率雖仍小于基準組但不再繼續降低。由此可以得出，摻入HPT-X后能改善混凝土的密實度，降低混凝土孔隙率。

2.2 HPT-X摻量對混凝土抗水滲透性能的影響

對每組相同HPT-X摻量下測得的滲水高度通過式（2）求出平均滲水高度，作為該組試件滲水高度的測試值（見表5）。

由表5可見，隨著HPT-X摻量的增加，各齡期混凝土試件的平均滲水高度不斷減小，當摻量超過1.0 kg/m3后，滲水高度略微增大。7 d時，C-0.5組混凝土滲水高度為基準組的83.7%，C-1.0組混凝土滲水高度為基準組的75.7%，滲水高度降低近25%；28 d時，C-0.5組混凝土滲水高度為基準組的75.8%，C-1.0組混凝土滲水高度為基準組的65.3%，滲水高度降低更加明顯；當齡期為56 d時，由于基準組混凝土試塊內部水化反應已經基本結束，整體達到較為密實的狀態，滲水高度的降低沒有早期明顯，C-0.5組混凝土滲水高度為基準組的80.2%，C-1.0組混凝土滲水高度為基準組的70.7%。

表5 不同齡期試件的滲水高度

液體在混凝土中的擴散，主要通過水泥砂漿內部的連通孔通道、骨料通道和漿體與骨料、纖維界面處的通道，一般來說混凝土的致密性越好，抗滲性越強。因此可以認為，滲水高度的降低，一方面，是由于混凝土孔隙率降低，阻斷了外部環境與材料內部的物質遷移通路；另一方面，由于亂向分布的纖維在混凝土基體中起到錨固作用，與混凝土基體充分黏結，優化了基體界面過渡區，形成高密實的“阻滲基體”[8]，并且“阻滲基體”在水泥石和粗骨料界面之間充當抗滲膜，從而使混凝土的抗滲性得到提高。當HPT-X摻量大于1.0 kg/m3后混凝土滲水高度略有增加，產生此現象的原因可能與拌合過程中帶入的氣泡導致孔隙率增加相關。由于混凝土本身存在許多毛細孔道和微裂縫等缺陷，一部分孔隙會相互連通形成外部環境與材料內部的物質遷移通路，使水分通過微小裂縫向混凝土內部擴散。

2.3 HPT-X摻量對混凝土抗裂性能的影響

在混凝土試件硬化初期，混凝土內部水化反應引起體積收縮，同時內部自由水蒸發引起干縮，當由變形引起的拉應力超過水泥基體的抗拉強度時，混凝土表面出現裂縫，不同HPT-X摻量的試件裂縫如圖3所示。不同組混凝土平板試驗結果見表6。

表6 混凝土早期（7 d）開裂試驗結果

圖3 混凝土試件裂縫分布形態

從表6可以看出，HPT-X具有較好的抗裂效果。分析其主要原因：一方面，混凝土摻入HPT-X后，纖維在混凝土內部呈亂向支撐分布情況，同時改性纖維的彈性模量高于混凝土，提高了復合機體的抗拉強度，有效將混凝土塑性收縮產生的拉應力傳遞到其他部位，承擔塑性開裂的能量，抑制混凝土早期裂縫的產生和發展；另一方面，高活性粉劑的摻入增加了混凝土的致密性，降低了孔隙率，有效降低混凝土內部收縮拉應力的最大值。

圖4、圖5為混凝土平板試驗在不同HPT-X摻量下的裂縫寬度/長度-齡期曲線。

圖4 不同HPT-X摻量時裂縫最大寬度-齡期曲線

圖5 不同HPT-X摻量時裂縫最大長度-齡期曲線

由圖4可見，不同HPT-X摻量的平板試件在3 d前裂縫寬度增長迅速，5 d后趨于穩定，隨著HPT-X摻量的增加，對裂縫最大寬度和早期裂縫的出現有抑制效果，當HPT-X達到本研究中最大摻量2.0 kg/m3時，混凝土試件在1 d前沒有裂縫出現，且7d最大裂縫寬度僅為基準組的24%。

由圖5可見，HPT-X摻量較低時，對裂縫長度的影響不明顯，隨著摻量越高，混凝土中亂向分布的纖維網阻止了裂縫快速發展、延申，使得裂縫最大長度隨HPT-X摻量的增加而不斷降低。

3 結論

（1）在混凝土拌合物中摻入防裂抗滲劑HPT-X能夠改善混凝土的密實性，降低混凝土的孔隙率。但隨著摻量的繼續增加，纖維超過臨界值，在基體內分布不均勻，導致孔隙率增大。試驗得到HPT-X最佳摻量為1.0kg/m3。

（2）防裂抗滲劑HPT-X在混凝土中可以對基體起到錨固作用，與基體充分粘結，減少滲水通道，優化基體界面過渡區，形成抗滲膜，對提高混凝土的抗滲有較明顯的增強作用。抗滲性與孔隙率有較高的相關性，在HPT-X摻量為1.0 kg/m3時，抗滲效果最好。

（3）混凝土摻入HPT-X后具有優異的早期抗裂性能，可以延長裂縫出現時間，降低裂縫最大長度和寬度，明顯降低單位面積的裂縫數量，但增強的幅度隨HPT-X摻量的增加呈現出減緩的趨勢。