新型抑溫型抗裂防水劑的制備與性能研究

鄧小旭，鄒偉，王雨禾，李國權，雷中梨

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

0 引言

混凝土是一種非勻質多孔材料，內部存在大量的微觀結構缺陷，這些缺陷在特定條件下就會成為后期離子、液體和氣體的滲透通道[1-2]。水泥作為混凝土的主要膠凝材料，其水化過程中會產(chǎn)生大量熱能，而混凝土作為一種傳熱的不良體，散熱效果較差，當構筑物結構尺寸較大時，混凝土內部溫度會急劇上升，最高可超過80℃，然而環(huán)境溫度一般不會超過40℃，當混凝土內外溫差大于25℃時，就極易產(chǎn)生溫度裂縫[3]。有研究表明[4]，溫度裂縫是當前混凝土結構物產(chǎn)生裂縫的主要原因。開裂和滲水會直接影響建筑物的使用壽命，是混凝土存在并亟需解決的問題。

目前市場上常見的防水劑都是單一提高混凝土的抗?jié)B性能，但是當混凝土出現(xiàn)收縮開裂后防水就變成了空談。水泥水化溫控材料能有效降低水泥的水化放熱速率，減小混凝土內部溫峰值，從而預防溫度裂縫的產(chǎn)生，近年來已經(jīng)成為行業(yè)研究熱點[5-6]。目前，市場上已有溫控材料的應用，且出現(xiàn)了相應的復合產(chǎn)品，如溫控型膨脹劑、溫控型減水劑等。

針對上述混凝土長期存在并亟需解決的開裂和滲水問題，開發(fā)了一種新型抑溫型混凝土抗裂防水劑HAW，與市場上常見的幾種剛性混凝土自防水材料進行對比試驗研究，探討了其對水泥水化溫升、混凝土力學性能、耐久性能和早期抗裂性能的影響，以期為防水材料在混凝土工程中的應用提供一定參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：凈漿試驗采用基準水泥，符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》要求；混凝土試驗采用P·O42.5普硅水泥，華新水泥股份有限公司生產(chǎn)，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求，水泥的物理力學性能見表1。

表1 水泥的物理力學性能

防水材料：高性能纖維抗裂抗?jié)B復合材料HCM、混凝土抗裂硅質防水劑JXⅢ、混凝土無機納米抗裂減滲劑WDF，均為市售。抑溫型混凝土抗裂防水劑HAW：武漢源錦建材科技有限公司自主研發(fā)，主要由抑溫組分、防水組分和聚羧酸減水劑按照一定比例復合而成，其中抑溫組分由醇羥基淀粉、羥丙基麥芽糊精經(jīng)常溫水解改性制成；防水組分由粉煤灰、硬脂酸鈣、甲基硅酸鈉和甲酸鈣按照一定比例復合而成。其性能符合JC/T 474—2008《砂漿、混凝土防水劑》的要求。

粉煤灰：Ⅱ級，武漢青山發(fā)電廠，45 μm篩篩余15%。

礦粉：S95級，石家莊錦銘礦業(yè)有限公司生產(chǎn)，28 d活性指數(shù)104%。

水泥、粉煤灰、礦粉、HAW防水劑的化學成分見表2。

表2 原材料的化學組成 %

細骨料：當?shù)睾由?，中砂，細度模?shù)2.6，含泥量1.5%。

粗骨料：5～31.5 mm連續(xù)級配花崗巖碎石，主要技術性能見表3。

表3 粗骨料的技術性能

減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率25%，武漢三源特種建材責任有限公司生產(chǎn)。

拌合水：自來水。

1.2 混凝土配合比

根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》配制C30混凝土，配合比見表4。根據(jù)工程實際使用情況，抑溫型混凝土抗裂防水劑HAW、高性能纖維抗裂抗?jié)B復合材料HCM、混凝土抗裂硅質防水劑JXⅢ、混凝土無機納米抗裂減滲劑WDF四種防水材料均以外摻的形式單獨摻入，摻量分別為膠凝材料質量的5%、0.3%、5%和2%。

表4 混凝土配合比 kg/m3

1.3 測試方法

水泥凈漿溫升試驗：采用基準水泥，水膠比為0.35；防水劑按照表4摻量及摻入方式摻加，采用行星式水泥膠砂攪拌機攪拌。稱取制備好的水泥漿體2500 g裝入郵政8號聚苯乙烯泡沫箱中，加蓋并用膠帶密封，之后將測溫傳感器連接至自動數(shù)據(jù)采集儀，開始測溫。郵政8號聚苯乙烯泡沫箱外部尺寸210 mm×110 mm×130mm，內部尺寸180 mm×80 mm×105 mm，壁厚15 mm；測溫儀采用深圳拓普瑞公司的TP 700自動數(shù)據(jù)采集儀，試驗過程見圖1。試驗過程中實驗室恒溫（20±2）℃，漿體入模溫度（20±2）℃。

圖1 凈漿水化溫升試驗

混凝土工作性能按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試?；炷亮W性能按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行測試?；炷聊途眯阅馨凑誈B/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。其中抗水滲透試驗采用滲水高度法，壓力1.2 MPa，恒壓24 h；抗氯離子滲透試驗按照電通量法進行。

吸水率試驗：按照JC/T 474—2008中吸水量比試驗方法，將養(yǎng)護28 d后的試件取出，在78℃下烘干48 h稱重，然后將試件成型面朝下放入水槽，下部用2根φ10 mm的鋼筋墊起，試件浸入水中高度50 mm，期間注意經(jīng)常加水以保持水面恒定。分別稱取浸泡0.5、1、3、6、12、24、48 h后的試件質量，計算吸水率。

早期抗裂性能試驗：采用GB/T 50082—2009中的平板抗裂試驗評價。平板鋼制模具尺寸800 mm×600 mm×100 mm，內設7根裂縫誘導器，試件成型后保持中心正上方100 mm位置風速5 m/s，試驗過程見圖2。24 h齡期時測量裂縫長度和寬度，計算平均開裂面積、單位面積的裂縫數(shù)目和單位面積上的總開裂面積。

圖2 平板開裂試驗

2 試驗結果與討論

2.1 防水劑對水泥凈漿水化溫升的影響（見圖3）

圖3 不同防水劑對水泥凈漿水化溫升的影響

由圖3可見，空白組水泥水化溫峰為88.1℃，溫峰時間為9.6 h，摻HCM凈漿組水泥水化溫峰和溫峰時間均與空白組基本相同，摻JXⅢ和WDF組的溫峰與空白組相當，但溫峰時間較空白組延遲約2.5 h；摻HAW組的溫峰僅為52.8℃，較空白組降低40.1%，溫峰時間較空白組延遲5.4 h。說明摻JXⅢ、WDF和HAW防水材料后，對水泥水化初期均有一定緩凝作用。但只有HAW防水劑大幅降低了水泥水化溫峰，這主要是因為HAW防水劑中的抑溫組分在堿性水泥漿中能夠逐漸溶解，連續(xù)緩慢地釋放出糖鏈，吸附在水泥顆粒和后期生成的水化產(chǎn)物上，持續(xù)產(chǎn)生抑制水泥水化的效果，從而降低了水泥水化放熱速率[7]，在相同的散熱條件下，能夠降低混凝土內部溫度峰值，減少混凝土開裂風險，提高耐久性。

2.2 防水劑對混凝土工作性能的影響（見表5）

表5 防水劑對混凝土坍落度和擴展度的影響

由表4及表5可見，摻入HAW、HCM、JXⅢ和WDF四種防水劑后，為保證混凝土初始坍落度（200±10）mm，減水劑用量分別為6.22、8.35、6.25、6.70 kg/m3，可見，對混凝土拌合物初始狀態(tài)影響由大到小依次為HCM、WDF、JXⅢ和HAW。與空白組相比，摻HAW和JXⅢ的混凝土坍落度和擴展度基本無損失，而摻HCM和WDF的1 h經(jīng)時損失顯著增大，1 h坍落度分別損失了70、45 mm，擴展度分別損失了120、100 mm，說明不同防水劑對混凝土的工作性能影響有著顯著的差異，在實際應用過程中需加以關注。

2.3 防水劑對混凝土力學性能的影響（見表6）

表6 防水劑對混凝土不同齡期抗壓強度的影響

由表6可見，摻JXⅢ和WDF的混凝土各齡期抗壓強度較空白組均略有提高，后期強度提高更為明顯，28 d抗壓強度較空白組分別提高6.8%、3.8%；摻HCM對混凝土抗壓強度影響 最 大，1、3、7、14、28 d抗 壓 強 度 較 空 白 組 分 別 降 低 了11.8%、12.6%、9.4%、6.9%、5.2%；摻HAW對混凝土1 d抗壓強度有較大的負面影響，較空白組降低43.2%，但3 d、7 d抗壓強度已基本與空白組相當，14 d、28 d抗壓強度已明顯高于空白組，28 d抗壓強度較空白組提高了14.2%，這主要是因為HAW防水劑會延緩水泥水化進程，特別是大幅降低早期的累計放熱量，因此使混凝土1 d抗壓強度明顯下降；也正是因為早期水化速度慢使得水泥水化更加充分、水化產(chǎn)物更加致密，加之HAW防水劑中的防水組分能夠提高混凝土內部結構密實程度，因此后期抗壓強度較空白組也更高。

2.4 防水劑對混凝土抗?jié)B性能的影響（見表7）

表7 防水劑對混凝土28 d滲透高度的影響

由表7可知，摻入HAW、HCM、JXⅢ和WDF四種防水劑后，混凝土28 d滲透高度比分別為21.0%、162.4%、50.3%、63.0%，可見摻HAW、JXⅢ和WDF可以有效提高混凝土的抗?jié)B性能，特別是摻HAW的實驗組滲透高度較空白組下降了79.0%，抗?jié)B性能提升尤為顯著，說明摻HAW的混凝土結構更加密實，防水性能更好。而摻HCM的滲透高度較空白組更高，說明其降低了混凝土的抗?jié)B性能，這可能是因為HCM是一種纖維復合防水材料，有研究表明[8-9]，纖維摻入到混凝土中會造成混凝土內部孔隙結構出現(xiàn)明顯變化，多出許多直徑較大的孔，纖維摻量越大較大毛細孔的數(shù)量越多；同時纖維的摻入會使混凝土內部出現(xiàn)更多的界面過渡區(qū)[10]，增加混凝土內部的滲水通道，從而導致混凝土抗?jié)B性能的下降。

各組經(jīng)過抗?jié)B試驗的試塊劈裂后斷面照片如圖4所示。

圖4 混凝土抗?jié)B試驗結束劈裂后斷面的照片

由圖4可見，空白組斷面凹凸不平，內部石子分布不均勻且有較多氣孔。與空白組相比，摻HAW的混凝土斷面整齊，內部石子分布均勻且孔隙很少，結構密實度明顯更高。另一方面，空白組試塊不同位置水滲透高度極不均勻，這也間接證明了試塊內部不夠均勻密實，而摻HAW的試塊各個位置滲透高度基本相同，可見摻HAW確實提高了混凝土內部結構的密實度和均勻性，對混凝土的抗?jié)B性能提升尤為顯著。

2.5 防水劑對混凝土抗氯離子滲透性能的影響（見表8）

表8 防水劑對混凝土電通量的影響

由表8可見，摻HAW、JXⅢ和WDF的混凝土電通量比空白組更小，與空白組相比分別減小了59.9%、40.3%、23.6%，而摻HCM的混凝土電通量比空白組提高了2.1%。這與對混凝土抗?jié)B性能的影響規(guī)律一致，摻入HAW能夠增加混凝土的密實度，提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

2.6 防水劑對混凝土吸水率的影響（見圖5）

圖5 防水劑對混凝土吸水率的影響

由圖5可見，摻HCM的混凝土試件吸水率與空白組基本相當，摻HAW、JXⅢ和WDF的混凝土試件，在浸泡相同時間時的吸水率較空白組均顯著降低，特別是摻HAW防水劑的混凝土試件48 h吸水率較空白組下降了45.2%，這主要是因為摻HAW防水劑后增加了混凝土的密實度，混凝土內部孔隙減少從而使得混凝土吸水總量減少；另一方面，HAW防水劑中的有機硅憎水組分摻入混凝土后，其中的硅氧鍵能夠吸附在水泥顆粒表面，憎水基團有序地排列在外形成一層憎水膜[11]，使得水分很難進入混凝土內部。

2.7 防水劑對混凝土早期抗裂性能的影響（見表9）

表9 防水劑對混凝土早期開裂性能的影響

由表9可見，摻入HAW、HCM、JXⅢ和WDF四種防水材料后，混凝土的單位面積總開裂面積較空白組分別降低了49.3%、79.4%、39.6%、26.4%；最大裂縫寬度也比空白組分別減小了0.25、0.49、0.16、0.09 mm?；炷猎缙谒苄蚤_裂主要發(fā)生在混凝土澆筑后4～5 h（還未硬化前），此時混凝土拌合物中的水分會向表面遷移，若遷移速度低于混凝土表面的水分蒸發(fā)速度，混凝土表面區(qū)域就會受約束產(chǎn)生收縮應力，最終導致混凝土在塑性狀態(tài)下開裂。摻HCM的早期抗裂性能最好，主要是因為HCM防水劑中含有纖維，摻入到混凝土中在混凝土內部形成復雜的三維亂向體系，不僅可以提高混凝土的韌性，當混凝土出現(xiàn)微裂縫時，纖維還可以跨越裂縫起到傳遞荷載的橋梁作用，使混凝土內的應力場更加連續(xù)和均勻，抑制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展[12]。摻HAW對混凝土早期開裂也有一定的抑制作用，主要是因為：一方面，HAW防水劑可以顯著降低混凝土早期水化溫升；另一方面，其中的防水組分具有保水功能，2種作用下混凝土表面的水分蒸發(fā)速率大大降低，因此降低了混凝土的早期開裂風險。

3 結論

（1）研制的HAW抑溫型混凝土抗裂防水劑對混凝土的工作性能無負面影響，且可減緩早期水泥水化速率，使水泥水化更加充分，混凝土結構更加致密，提高混凝土的后期力學性能，但會降低混凝土1 d抗壓強度。

（2）摻HAW防水劑可降低混凝土水化放熱速率和內部溫度峰值，大幅降低混凝土早期塑性開裂和溫度開裂的風險。

（3）HAW防水劑能夠顯著提高混凝土的耐久性和防水性，與空白組相比，滲透高度降低79.0%，電通量減小59.9%，48 h吸水率降低45.2%。

（4）JXⅢ和WDF防水材料對于混凝土抗壓強度、抗?jié)B性能、吸水率和早期抗裂性能也有一定的提升，但其提升效果不如HAW防水劑；HCM防水材料可以大幅提高混凝土的早期抗裂性能，但對力學性能和抗?jié)B性能有負面作用。