HF- QF 膨脹纖維抗裂防水劑對混凝土劈裂抗拉性能的影響研究

曹亞西，李宗霖

（中交路橋北方工程有限公司，北京）

引言

隨著城市對綜合性、多功能化建筑需求的不斷提高，大型公共建筑越來越多，大面積混凝土隨之增多，其開裂問題成為亟待解決的關鍵技術問題。工程中很多案例由于環境溫度和混凝土材料的收縮徐變等因素使結構產生裂縫，對結構的安全性、耐久性造成嚴重影響[1]。在完成項目的施工后，受到多種因素的影響混凝土很容易在使用的過程中產生裂縫，一旦出現了裂縫不但會影響混凝土的性能，還會使得建筑的使用價值受到影響，提升各種意外事故發生的概率。并且如果后續混凝土使用的過程中未能保證混凝土的防水能力將會導致外部的水分逐步的滲入混凝土中，而水的滲入會使混凝土產生溶蝕，隨著時間的延長，混凝土材料的力學性能和微觀結構均趨于變差，劈裂抗拉強度對溶蝕最為敏感[2-4]。

抗裂防水劑在混凝土硬化過程中發揮了重要作用，通過抗裂防水劑的應用能夠有效地混凝土硬化過程中很容易出現的干縮和冷縮現象，并且減少混凝土中的應力。同時抗裂防水劑中含有膨脹纖維，使用這種抗裂防水劑時可以促使膨脹纖維在混凝土中實現均勻分布，從而有效地分散了混凝土中的定向應力。而且抗裂防水劑中蘊含的膨脹纖維具有一定的強度，因此它們可以在混凝土中起到錨固作用，有助于減輕混凝土在塑性收縮階段產生的應力。而且通過抗裂防水劑中蘊含的膨脹纖維還能夠阻礙骨料的分離，確保混凝土在凝固硬化的早期階段具有均勻的泌水性，避免混凝土開裂。總之，抗裂防水劑在混凝土工程中具有重要作用，不僅可以改善混凝土的性能，還可以延長其使用壽命。通過綜合應用多元化的手段，有效提高了混凝土結構的耐久性，減少了維護和修復的需要，從而延長了混凝土結構的壽命。

綜上所述，為解決混凝土開裂及滲漏侵蝕問題，本文向混凝土基材里面摻入HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑，研究其對C35 普通混凝土的劈裂抗拉強度的影響，并通過劈裂抗拉破壞形態、軸心抗壓強度、彈性模量和劈裂抗拉應力- 應變曲線揭示HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑的作用效果。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑：購自湖南省恒發建材有限公司，其主要成分包括硫鋁酸鹽、氧化鈣、碳酸鈣、石膏以及聚丙烯纖維等物質，根據GB/T 23439-2017混凝土膨脹劑對HF-QF 膨脹纖維抗裂混凝土進行檢驗，試驗結果見表1。

表1 HF-QF 膨脹纖維抗裂防水混凝土的基本性能凝結時間

水泥：P·O 42.5 級普通酸鹽水泥。砂：機制砂，細度模數2.8。碎石：5～26.5 mm 連續集配碎石。減水劑：LZ-J2 聚羧酸高性能減水劑，減水率為25%～27%，購自貴州省筑城恒創建設工程有限公司。粉煤灰：200 目二級粉煤灰，購自河南省鄭州市鞏義市北山口工業園區。石粉：石灰石粉末，主要成分碳酸鈣（CaCO3）的含量大于99%，購自天津市致遠化學試劑有限公司。

1.2 混凝土配合比

以C35 混凝土為基體，通過添加HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑，HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑的摻量依次為0、14 Kg/m3、22 Kg/m3、30 Kg/m3、38 Kg/m3和46 Kg/m3，研究使用HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑對普通混凝土的劈裂抗拉強度產生的影響。C35 普通混凝土的配合比見表2。

表2 C35 普通混凝土配合比

1.3 試驗方法

按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2019）制作混凝土的標準試件，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，三個試件為一組，分別將其置于電液伺服萬能試驗機下壓板的中心位置，并在上、下壓板與試件之間放置10 mm厚的墊條，墊條要放置在試件中心且與升降臺垂直，進行混凝土的劈裂抗拉強度的測試，加載速度為1 KN/s。混凝土的軸心抗壓強度和彈性模量均按GB/T 50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行，試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm。試驗裝置如圖1 所示。

圖1 試驗裝置

2 試驗結果分析

2.1 劈裂抗拉強度

劈裂抗拉試驗是檢測混凝土抗拉性能的重要實驗，通過劈裂抗拉試驗可以評估混凝土在受拉應力下的承載能力，故而劈裂抗拉試驗在建筑工程和材料研究中具有重要的應用價值。圖2 給出HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑摻量對混凝土劈裂抗拉強度的影響規律。由圖可得，隨著HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑摻量的增加，劈裂抗拉強度先降低后增加后緩緩下降，當其摻量為30 Kg/m3時，劈裂抗拉強度達到最大值，為3.546 MPa。當HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑摻量超過30 Kg/m3時，混凝土的劈裂抗拉強度高于空白組，摻量為30 Kg/m3、38 Kg/m3和46 Kg/m3時分別增加了35.50%、19.11%和16.51%。劈裂抗拉強度發生增加主要是因為HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑的主要成分為硫鋁酸鹽、石膏和聚丙烯纖維等，硫鋁酸鹽與石膏反應時會產生AFt 晶體和C-S-H 凝膠，同時使得AFt晶體和C-S-H 凝膠填充在混凝土結構中的空隙中，使得混凝土的劈裂抗拉強度增加；當摻量過多時，混凝土中生成的AFt 晶體越來越多，AFt 晶體具有膨脹作用，在其生長的過程中會產生膨脹應力，且HF-QF膨脹纖維抗裂防水劑中含有聚丙烯纖維，摻量過多，由于纖維容易相互纏繞，進而使得在使用HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑制作的混凝土，其內部存在著初始缺陷，從而導致通過這種方式制作出的混凝土的劈裂抗拉強度下降，無法完全滿足實際使用需求。

圖2 膨脹纖維抗裂防水劑對混凝土劈裂抗拉強度的影響

2.2 破壞形態

圖3 給出HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑對混凝土劈拉破壞形態的影響。（b）圖可以看出，普通混凝土為中心破壞，HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑混凝土為中心開裂破壞并伴隨局部破壞。普通混凝土在破壞前首先出現一條貫穿主裂縫，隨著荷載的慢慢增加，裂縫不斷擴展延伸，當達到極限荷載時，試件破壞為兩個均勻的部分；當摻加HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑后，混凝土呈現局部破壞的形態，即在加載的過程中，試件先出現一條主裂縫，并且在主裂縫的周圍伴隨由細小的裂縫，混凝土會沿中心開裂破壞并伴隨墊條處的局部破壞的現象。

圖3 不同混凝土的破壞形態

2.3 應力- 應變曲線

現選取摻量為30 Kg/m3的HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑得到的C35 混凝土，進行軸心抗壓強度和彈性模量的測試，試驗結果如表3 所示。由表可知，HF-QF膨脹纖維抗裂混凝土的軸心抗壓強度和彈性模量分別為29.154 MPa 和36.629 MPa。

表3 HF-QF 膨脹纖維抗裂混凝土的軸心抗壓強度和彈性模量

圖4 為混凝土實測劈裂抗拉應力- 應變曲線。根據曲線圖可以看出，通過在混凝土中添加適量的HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑，能有效提高混凝土的劈拉強度，提升混凝土的應用價值。而且劈裂抗拉試驗過程中所形成的應力- 應變曲線通常可分為上升和下降兩個階段。在試件受力初期，應力和應變呈線性增長，這表示混凝土的強度在這個階段隨著荷載的增加而增強。然而，當荷載加載至峰值以后，試件因開裂失去承載能力，空白組的C35 混凝土呈直線下降，摻加HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑的混凝土先急劇下降后緩緩下降，這表明摻加HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑后雖未改變混凝土脆性破壞的特點，但脆性破壞有所緩和，主要是因為HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑含有聚丙烯纖維能增強混凝土的整體性，但是由于纖維長度較短，無法完全改變其脆性破壞的特點[5]。

圖4 劈裂抗拉應力- 應變曲線

3 結論

C35 普通混凝土的劈裂抗拉強度隨HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑摻量的增加先降低后增加最后降低，當其摻量為30 Kg/m3時，劈裂抗拉強度達到最大值，為3.546 MPa，較空白組增加了35.50%。

C35 普通混凝土的破壞形式為中心開裂破壞，摻加HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑的混凝土破壞形式為中心開裂伴隨局部破壞。

摻加30 Kg/m3HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑的C35 普通混凝土的軸心抗壓強度和彈性模量分別為29.154 MPa 和36.629 MPa。

本文通過研究HF-QF 膨脹纖維抗裂防水劑的摻入對C35 普通混凝土劈裂抗拉強度的影響，分析總結出了劈裂抗拉破壞形態、軸心抗壓強度、彈性模量以及劈裂抗拉應力- 應變曲線等關鍵研究成果，這些研究成果對于改善混凝土結構的性能和耐久性解決混凝土開裂及滲漏侵蝕問題起到了關鍵作用。