防裂抗?jié)B劑對混凝土早期開裂及抗?jié)B性的影響

郭相偉，喻林，譚濤，陳韋凌，程梓豪

（河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)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(huán)境中，承受水流沖刷、太陽輻射和風(fēng)霜雨雪的侵蝕以及冰凍、干濕等外界作用，加之內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)、化學(xué)反應(yīng)的影響，與常規(guī)混凝土相比，混凝土開裂問題在水工建筑物主體結(jié)構(gòu)中普遍存在[1-3]。氣體和水分子通過微裂縫進入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，破壞內(nèi)部堿性環(huán)境、造成鋼筋銹蝕，損害混凝土的使用性能，嚴(yán)重危害水工混凝土的結(jié)構(gòu)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?jié)B劑GMT，試驗表明，砂漿中摻入防裂抗?jié)B劑后早期強度提高，抗裂性能好，抗?jié)B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?jié)B劑對混凝土性能的影響，防裂抗?jié)B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(xiàn)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?jié)B劑是一種新型復(fù)合外加劑，由高活性粉劑和改性纖維按一定比例復(fù)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(chǎn)物的顆粒形貌及空間排列，增強混凝土的致密性和抗?jié)B性能。

1 試驗

1.1 原材料

膠凝材料：海螺牌P·O42.5水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量26.8%；F類Ⅱ級粉煤灰。膠凝材料的主要化學(xué)成分和物理性質(zhì)分別見表1、表2。

表1 膠凝材料的化學(xué)組成 %

表2 膠凝材料的物理性能

骨料：細骨料采用2區(qū)天然河砂，細度模數(shù)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(xù)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?jié)B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?jié)B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(shè)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(shè)計 kg/m3

拌合以及養(yǎng)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱養(yǎng)護1 d拆模，并繼續(xù)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱養(yǎng)護至規(guī)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(nèi)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?jié)B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(tài)時懸吊在水中的質(zhì)量，g；

W2——試塊飽和面干時的質(zhì)量，g；

W3——試塊烘干后的質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護規(guī)定齡期后的圓臺試件經(jīng)擦拭晾干后采用橡膠圈密封，將密封試件置于抗?jié)B儀后加載穩(wěn)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(guān)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(huán)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?jié)B復(fù)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(nèi)設(shè)7根裂縫誘導(dǎo)器，試驗過程中，模具作為誘導(dǎo)裂縫產(chǎn)生的裝置與試件連在一起，不必拆模。平板試驗?zāi)＞呤疽夂蛯嵨镆妶D2。

圖2 平板試驗?zāi)＞呤疽馀c實物照片

2 試驗結(jié)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(zhì)量基本不再變化為止。表4為混凝土試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d后測得的數(shù)據(jù)。

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(zhǔn)組降低了9.1%，C-1.0組混凝土孔隙率較基準(zhǔn)組降低了12.9%，C-2.0組混凝土孔隙率雖然較基準(zhǔn)組也有降低，但改變了孔隙率下降的趨勢。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是，凝結(jié)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?。划?dāng)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(dǎo)致孔隙率雖仍小于基準(zhǔn)組但不再繼續(xù)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(dāng)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(zhǔn)組的83.7%，C-1.0組混凝土滲水高度為基準(zhǔn)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(zhǔn)組的75.8%，C-1.0組混凝土滲水高度為基準(zhǔn)組的65.3%，滲水高度降低更加明顯；當(dāng)齡期為56 d時，由于基準(zhǔn)組混凝土試塊內(nèi)部水化反應(yīng)已經(jīng)基本結(jié)束，整體達到較為密實的狀態(tài)，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(zhǔn)組的80.2%，C-1.0組混凝土滲水高度為基準(zhǔn)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(nèi)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?jié)B性越強。因此可以認(rèn)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(huán)境與材料內(nèi)部的物質(zhì)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(jié)，優(yōu)化了基體界面過渡區(qū)，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(dāng)抗?jié)B膜，從而使混凝土的抗?jié)B性得到提高。當(dāng)HPT-X摻量大于1.0 kg/m3后混凝土滲水高度略有增加，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能與拌合過程中帶入的氣泡導(dǎo)致孔隙率增加相關(guān)。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(huán)境與材料內(nèi)部的物質(zhì)遷移通路，使水分通過微小裂縫向混凝土內(nèi)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(nèi)部水化反應(yīng)引起體積收縮，同時內(nèi)部自由水蒸發(fā)引起干縮，當(dāng)由變形引起的拉應(yīng)力超過水泥基體的抗拉強度時，混凝土表面出現(xiàn)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(jié)果見表6。

表6 混凝土早期（7 d）開裂試驗結(jié)果

圖3 混凝土試件裂縫分布形態(tài)

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(nèi)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(fù)合機體的抗拉強度，有效將混凝土塑性收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力傳遞到其他部位，承擔(dān)塑性開裂的能量，抑制混凝土早期裂縫的產(chǎn)生和發(fā)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(nèi)部收縮拉應(yīng)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(wěn)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(xiàn)有抑制效果，當(dāng)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(xiàn)，且7d最大裂縫寬度僅為基準(zhǔn)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(wǎng)阻止了裂縫快速發(fā)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(jié)論

（1）在混凝土拌合物中摻入防裂抗?jié)B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(xù)增加，纖維超過臨界值，在基體內(nèi)分布不均勻，導(dǎo)致孔隙率增大。試驗得到HPT-X最佳摻量為1.0kg/m3。

（2）防裂抗?jié)B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(jié)，減少滲水通道，優(yōu)化基體界面過渡區(qū)，形成抗?jié)B膜，對提高混凝土的抗?jié)B有較明顯的增強作用?？?jié)B性與孔隙率有較高的相關(guān)性，在HPT-X摻量為1.0 kg/m3時，抗?jié)B效果最好。

（3）混凝土摻入HPT-X后具有優(yōu)異的早期抗裂性能，可以延長裂縫出現(xiàn)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(shù)量，但增強的幅度隨HPT-X摻量的增加呈現(xiàn)出減緩的趨勢。