高性能阻裂抗渗外加剂的研制及其对混凝土性能影响的研究

摘　要　采用将无机增强阻裂材料WJ和有机减水保塑憎水阻孔外加剂YJ进行分别研制并优化复合的技术路线研制了高性能阻裂抗渗外加剂KLFS。实验结果表明：以生明矾、硫铝酸盐水泥熟料、天然二水石膏和无机物质A作为主要成分的无机增强阻裂材料，膨胀性能稳定，膨胀率落差小，90d龄期仍有1.88×10-4的膨胀率，并有一定的增强作用；对高效减水剂引入憎水阻孔组分、保水组分进行改性研制成的有机减水保塑憎水阻孔外加剂YJ ，可提高混凝土工作性，严格控制坍落度损失，并长期阻孔，同时降低混凝土早期水化温升，有效防止早期温度收缩裂缝的出现。混凝土中掺入KLFS 后，2h后坍落度20cm，90d抗压强度比为128%，膨胀规律好，90d仍有1.12×10-4的限制膨胀率， 28d劈裂强度由基准混凝土的2.81MPa 提高到3.28MPa ，碱含量低，无钢筋锈蚀，耐久性好。

关键词　增强阻裂　憎水阻孔　高性能阻裂抗渗外加剂

　　随着国民经济的不断增长，我国建筑业快速发展，混凝土作为现代最大宗的人造建筑材料，其配合比设计技术、施工技术、质量控制技术都得到了迅速发展，达到了一个新水平。但长期以来对混凝土耐久性的严重忽视，使得我国大批工程建筑的安全使用期达不到设计要求。国内近20年来对混凝土的耐久性问题引起了足够的重视，也相应开展了不少有意义和卓有成效的研究工作，但仍有不少混凝土工程甚至耐久性要求高的重点工程过早出现病害、耐久性差[1～3]。开裂渗漏是引起混凝土耐久性不良的最重要因素之一。混凝土浇注后，在凝结硬化过程中，会由于化学收缩、冷缩、干缩、自收缩等原因引起体积收缩，而混凝土是一种脆性材料，其抗拉强度低(约为抗压强度的1/10～1/20)， 极限拉应变也很小(0.02%～0.03%) ，当前述的收缩因受限制而产生的拉应力超过其本身的抗拉强度时混凝土就会开裂[4 ，5] 。

混凝土一旦出现开裂渗水现象，混凝土的钢筋锈蚀、化学侵蚀、冻融破坏等问题便会产生，混凝土发生迅速的耐久性劣化。据统计资料表明，1996年某市住宅建筑的渗漏和裂缝投诉占总投诉件的35.5%，占全年竣工项目的10.5%，1997年有所提高，分别为45.5%和12.9%。严重渗漏现象造成建筑物寿命和使用功能下降，给国家和人民生命财产造成很大损失。可见，研制开发既能显著提高混凝土阻裂抗渗能力，又能大幅度改善混凝土工作性，保证新拌混凝土优异施工性能，延长混凝土使用寿命的高性能阻裂抗渗外加剂具有重要的理论价值和实际意义。

1 　原料

(1) 水泥： 湖北黄石华新水泥公司生产的42.5号普通硅酸盐水泥。

(2) 细集料： 湖北巴河中沙，细度模数为2.6～2.8，含泥量为0.8%。

(3) 粗集料：湖北阳新石灰石，粒径5～20mm ，连续级配，含泥量为0.7%。

(4) 无水硫铝酸钙：湖北安陆特种水泥厂硫铝酸盐水泥熟料，主要矿物无水硫铝酸钙(C₄A₃S) ，β- C₂S。

(5) 生明矾石：湖北荆门产天然明矾石K₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·4Al(OH)₃。

(6)熟明矾：天然明矾石在400～600℃煅烧后得到。

(7) 天然二水石膏：湖北应城产天然石膏Ca₂SO₄·2H₂O。

(8) 无水石膏：天然石膏在600℃煅烧得到，主要矿物γ- CaSO₄ 。

(9) 半水石膏：天然石膏在140℃煅烧得到。

(10) FDN ：武汉浩源外加剂厂。

(11) UEA ：安徽某厂生产。

(12) 无机物质A、有机憎水阻孔组分B：自行研制。

2 　高性能阻裂抗渗外加剂KLFS的研制

　　本研究采用将无机增强阻裂材料和有机减水保塑憎水阻孔外加剂进行分别研制并优化复合的技术路线来研制高性能阻裂抗渗外加剂。通过无机增强阻裂材料的研制，使混凝土在水化初期产生适量的微膨胀，补偿混凝土收缩，降低孔隙率，改善混凝土中孔结构分布，提高混凝土力学强度和阻裂抗渗能力。对高效减水剂引入憎水阻孔组分、保塑组分进行改性研制成有机减水保塑憎水阻孔外加剂可提高混凝土工作性，严格控制坍落度损失，并长期阻孔，同时降低混凝土早期水化温升，有效防止早期温度收缩裂缝的出现。

2.1 　无机增强阻裂材料WJ 的研制

(1) 原材料：生明矾、硫铝酸盐熟料、熟明矾、硫酸铝、不同温度下煅烧的MgO、天然二水石膏、增强抗裂组分A、市售膨胀剂UEA。

(2) 实验及结果分析

实验设计了多种无机增强阻裂材料配方，以10%的掺量替代水泥，制成相应的水泥砂浆和混凝土，进行凝结时间、强度等性能实验，并测定它们的自由膨胀率，实验结果见表1，表2。依据表2数据作膨胀曲线如图1所示。

由表1，表2及图1数据可知，基准混凝土在水养14d后，移入空气中养护7d(即21d 龄期) 时，即产生3.08×10-4的收缩率，掺UEA和1#，2#，3#无机增强阻裂材料的混凝土出现收缩的时间明显延长，42d龄期时均仍有一定的膨胀率，未出现收缩，显然抗裂防渗能力得到了提高。但掺UEA的水泥砂浆，其初凝和终凝时间明显缩短(初凝、终凝由基准的2.25h ，3.37h 缩短成1.32h和2.03h) ，3d和28d的抗折和抗压强度有较大幅度的降低， 早期膨胀率较大， 14d后转入(20±2)℃，相对湿度(60±5)%的环境后，膨胀率落差较大，28d膨胀率较14d降低70%。这主要是因为UEA以熟明矾和无水硫铝酸钙、煅烧石膏配制而成，水化速度快，早期能形成大量的钙矾石，而后期因膨胀源钙矾石数量得不到补充，因此造成膨胀率落差大。含无水硫铝酸钙配制的阻裂材料1#样，虽膨胀性能比较稳定，但凝结时间较快，砂浆抗压、抗折强度受损。含熟明矾石配制的阻裂材料3#样表现与试样1相似的特性，且凝结时间更快，这是由于生明矾石经过煅烧，其主要成分硫铝酸钾[KAl₃(SO4)₂(OH)₂]分解，生成了碱R₂O和无水硫铝酸钙。含生明矾石配制的阻裂材料2#，在水泥砂浆中表现为凝结时间正常，抗压强度及抗折强度与基准砂浆接近，且膨胀率发展较稳定，后期落差最小，90d龄期仍有1.88×10-4的膨胀率，这是因为除了主要成分含铝相材料与水泥水化产物氢氧化钙反应形成钙矾石，产生体积膨胀，起补偿收缩作用外，无机物质A 还与水泥水化产物氢氧化钙反应缓慢形成许多微小晶体，体积增大，堵塞孔隙，密实性增大，克服了UEA掺入后浆体强度有所降低的缺点，此外，后期产生的微小晶体，补充膨胀源，抗裂抗渗性能提高，90d 龄期仍有一定的膨胀值。根据上述结果，我们确定以生明矾、硫铝酸盐水泥熟料、天然二水石膏、MgO和无机物质A等作为无机增强阻裂材料主要成分，简称WJ材料。

2.2 　有机减水保塑憎水阻孔外加剂YJ的研制

国内抗裂防水材料分为无机防水材料和有机防水材料2大类，目前研究和应用的有机防水材料普遍存在这样的问题，即：有机防水材料添加到混凝土中只起到了一个化学屏蔽作用，当承受水压时会被冲破，无法在承受较高水压下阻孔，另外它们在混凝土中也是不稳定的，一段时间后就会失效，被排出混凝土。为此，我们研究和配制了有机憎水阻孔组分B，该组分可改善混凝土的润湿性能，可以和混凝土内部粒子以分子水平相粘结，以非极性基使毛细孔孔壁憎水化，且结合产物分布于整个基体内部，憎水阻水作用在整个混凝土内部都是有效的，而不单局限于毛细管，其阻水效果是长久的。

高水泥用量和低水灰比的高性能混凝土为满足施工要求，必须具备高工作性，为此，必须掺入高效减水剂，但是多数高效减水剂虽可获得初始高流动性的混凝土，但坍落度损失大，特别是掺加膨胀剂UEA 的补偿收缩混凝土，难以满足远距离运输、泵送施工或免振捣等施工要求。针对这些问题，我们以FDN为基体，引入保水组分、活化组分来严格控制坍落度损失，最后与有机憎水阻孔组分B以合理的比例复合成有机减水保塑憎水阻孔外加剂，简称之为YJ外加剂。

FDN是目前工程应用效果较好的一种高效减水剂，我们将YJ材料与FDN进行对比性实验。试验中WJ材料采用内掺法，掺量为12%。实验结果如表3所示。

从这些数据我们不难发现，混凝土中掺入YJ后， 扩展度高达60cm， 坍落22.5cm，且2h后坍落度仍有21.5cm，而混凝土中掺入FDN后， 虽扩展度高达56cm， 坍落度为21.5cm，但1.5h后坍落度仅有12cm。

2.3 　高性能阻裂抗渗外加剂的研制

无机增强阻裂材料WJ掺入混凝土中后，对混凝土强度和凝结时间影响较小，胀性能稳定，膨胀率落差小，具有优异的补偿收缩作用和抗裂性能，而有机减水保塑剂YJ具有长期阻水和明显减水保塑作用，将二者进行复合，配制成无机-有机复合高性能阻裂抗渗材料，简称KLFS材料，既能补偿混凝土的收缩达到抗裂的目的，又能提高混凝土的工作性能和抗渗性，且能增强混凝土，用于配制阻裂抗渗高性能混凝土。

3 　高性能阻裂抗渗外加剂对混凝土性能的影响

(1) 　物理力学性能

表4是内掺12%KLFS材料后的混凝土物理力学性能与基准的对比情况。表中数据说明混凝土中掺入KLFS 材料后，不仅抗渗性能大幅度提高，且工作性、强度等各种性能优良。

(2) 抗裂性能

内掺12%KLFS材料的混凝土的限制膨胀率实验结果见表5。表6为内掺KLFS材料混凝土的其他抗裂性能指标与基准混凝土的对比情况。可见，加入KLFS 材料之后，混凝土的抗裂性能大幅度提高。混凝土体积稳定性好，膨胀率落差小，能起到补偿收缩的作用。与基准混凝土相比，混凝土中掺入KLFS材料后，混凝土劈裂抗拉强度和轴心抗拉强度均有显著的提高。

　  (3) 抗渗性能

氯离子渗透实验方法[4] ：根据ASTM C1202-94 规定的方法，混凝土试件为Φ100mm ×500mm的圆柱体，每组3 个试件，在标准条件下养护至28d龄期后，将其在水中浸泡达到吸水饱和状态。试件的正、负极2侧分别置于浓度为0.3mol/dm³的NaOH和3 %的NaCl溶液，在混凝土试件的轴向施加60V的直流电压，记录6h内通过试件的电量Q值(C) ，以此来评价混凝土的密实程度和抵抗氯离子渗透能力。内掺12%KLFS材料的混凝土抗渗性能结果见表7。

　  表7充分说明了掺KLFS后，混凝土抗渗性能大大提高，并且抗渗性能优异。

    (4) 抗冻性能

内掺12%KLFS材料配制成混凝土C60，进行慢冻法50次冻融循环实验，结果为抗压强度损失率和质量损失率分别为0.11%和-0.15%。

    (5) 抗钢筋锈蚀性能

对内掺12%KLFS材料的C50混凝土进行50次浸烘循环，发现其钢筋重量损失率仅为3.86%，说明KLFS材料有很好的抗钢筋锈蚀能力。

    (6) 碱含量

KLFS 材料的碱含量比较低，经过碱含量检测(以R2O=K20+0.658Na₂O计) ，R₂O = 1.15%。若每立方混凝土中的水泥含量为350～550kg ，以推荐的12%掺量计算，则每立方混凝土所带入的碱含量为： (350～550)×12%×1.15% = 0.483～0.759kg ，符合“每立方米混凝土因外加剂加入的碱量不得超过11000kg”的规定。这也是用KLFS材料所配制的混凝土具有高流动性、低坍落度损失的原因之一。

4 　结论

(1) 无机增强阻裂材料WJ主要以生明矾、硫铝酸盐水泥熟料、天然二水石膏、MgO 和无机物质A作为主要成分，膨胀性能稳定，膨胀率落差小，90d龄期仍有1.88×10-4的膨胀率，并有增强作用。这是因为除了主要成分含铝相材料与水泥水化产物氢氧化钙反应形成钙矾石，产生体积膨胀，起补偿收缩作用，无机物质A 还与水泥水化产物氢氧化钙反应缓慢形成许多微小晶体，体积增大，堵塞孔隙，密实性增大，克服了UEA 掺入后浆体强度有所降低的缺点。此外，后期产生的微小晶体，补充膨胀源，提高阻裂抗渗能力。

(2) 有机减水保塑憎水阻孔剂YJ 主要包含减水分散组分、保水组分、憎水阻孔组分、活化组分，不仅具有明显的缓凝、保塑、减水和降低水化热的作用，而且可以和混凝土内部粒子以分子水平相粘结，以非极性基使毛细孔孔壁憎水化，且结合产物分布于整个基体内部，憎水阻水作用在整个混凝土内部都是有效的，而不单局限于毛细管，其阻水效果是长久的。

(3) 应用材料复合技术，将无机增强阻裂材料WJ与有机减水保塑憎水阻孔剂YJ复合成高性能阻裂抗渗材料KLFS。混凝土中掺入KLFS材料，不仅工作性优异，坍落度损失小(2h后仍有20cm) ， 有较大的增强作用(90d抗压强度比为128%) ，更重要的是能大幅度提高混凝土的阻裂抗渗能力，膨胀规律好，膨胀率落差小，90d仍有1.12×10-4的限制膨胀率， 28d劈拉强度由基准混凝土的2.81MPa 提高到3.28MPa ，碱含量低，无钢筋锈蚀，耐久性好。

(1 武汉理工大学结构工程与力学系，武汉　430070 ；2 武汉理工大学材料学院，武汉　430070)