高性能阻裂抗?jié)B外加劑的研制及其對混凝土性能影響的研究

摘　要　采用將無機增強阻裂材料WJ和有機減水保塑憎水阻孔外加劑YJ進行分別研制并優(yōu)化復合的技術路線研制了高性能阻裂抗?jié)B外加劑KLFS。實驗結果表明：以生明礬、硫鋁酸鹽水泥熟料、天然二水石膏和無機物質A作為主要成分的無機增強阻裂材料，膨脹性能穩(wěn)定，膨脹率落差小，90d齡期仍有1.88×10-4的膨脹率，并有一定的增強作用；對高效減水劑引入憎水阻孔組分、保水組分進行改性研制成的有機減水保塑憎水阻孔外加劑YJ ，可提高混凝土工作性，嚴格控制坍落度損失，并長期阻孔，同時降低混凝土早期水化溫升，有效防止早期溫度收縮裂縫的出現(xiàn)?；炷林袚饺?/SPAN>KLFS 后，2h后坍落度20cm，90d抗壓強度比為128%，膨脹規(guī)律好，90d仍有1.12×10-4的限制膨脹率， 28d劈裂強度由基準混凝土的2.81MPa 提高到3.28MPa ，堿含量低，無鋼筋銹蝕，耐久性好。

關鍵詞　增強阻裂　憎水阻孔　高性能阻裂抗?jié)B外加劑

　　隨著國民經(jīng)濟的不斷增長，我國建筑業(yè)快速發(fā)展，混凝土作為現(xiàn)代最大宗的人造建筑材料，其配合比設計技術、施工技術、質量控制技術都得到了迅速發(fā)展，達到了一個新水平。但長期以來對混凝土耐久性的嚴重忽視，使得我國大批工程建筑的安全使用期達不到設計要求。國內(nèi)近20年來對混凝土的耐久性問題引起了足夠的重視，也相應開展了不少有意義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點工程過早出現(xiàn)病害、耐久性差[1～3]。開裂滲漏是引起混凝土耐久性不良的最重要因素之一?；炷翝沧⒑?/SPAN>，在凝結硬化過程中，會由于化學收縮、冷縮、干縮、自收縮等原因引起體積收縮，而混凝土是一種脆性材料，其抗拉強度低(約為抗壓強度的1/10～1/20)， 極限拉應變也很小(0.02%～0.03%) ，當前述的收縮因受限制而產(chǎn)生的拉應力超過其本身的抗拉強度時混凝土就會開裂[4 ，5] 。

混凝土一旦出現(xiàn)開裂滲水現(xiàn)象，混凝土的鋼筋銹蝕、化學侵蝕、凍融破壞等問題便會產(chǎn)生，混凝土發(fā)生迅速的耐久性劣化。據(jù)統(tǒng)計資料表明，1996年某市住宅建筑的滲漏和裂縫投訴占總投訴件的35.5%，占全年竣工項目的10.5%，1997年有所提高，分別為45.5%和12.9%。嚴重滲漏現(xiàn)象造成建筑物壽命和使用功能下降，給國家和人民生命財產(chǎn)造成很大損失?？梢?/SPAN>，研制開發(fā)既能顯著提高混凝土阻裂抗?jié)B能力，又能大幅度改善混凝土工作性，保證新拌混凝土優(yōu)異施工性能，延長混凝土使用壽命的高性能阻裂抗?jié)B外加劑具有重要的理論價值和實際意義。

1 　原料

(1) 水泥： 湖北黃石華新水泥公司生產(chǎn)的42.5號普通硅酸鹽水泥。

(2) 細集料： 湖北巴河中沙，細度模數(shù)為2.6～2.8，含泥量為0.8%。

(3) 粗集料：湖北陽新石灰石，粒徑5～20mm ，連續(xù)級配，含泥量為0.7%。

(4) 無水硫鋁酸鈣：湖北安陸特種水泥廠硫鋁酸鹽水泥熟料，主要礦物無水硫鋁酸鈣(C₄A₃S) ，β- C₂S。

(5) 生明礬石：湖北荊門產(chǎn)天然明礬石K₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·4Al(OH)₃。

(6)熟明礬：天然明礬石在400～600℃煅燒后得到。

(7) 天然二水石膏：湖北應城產(chǎn)天然石膏Ca₂SO₄·2H₂O。

(8) 無水石膏：天然石膏在600℃煅燒得到，主要礦物γ- CaSO₄ 。

(9) 半水石膏：天然石膏在140℃煅燒得到。

(10) FDN ：武漢浩源外加劑廠。

(11) UEA ：安徽某廠生產(chǎn)。

(12) 無機物質A、有機憎水阻孔組分B：自行研制。

2 　高性能阻裂抗?jié)B外加劑KLFS的研制

　　本研究采用將無機增強阻裂材料和有機減水保塑憎水阻孔外加劑進行分別研制并優(yōu)化復合的技術路線來研制高性能阻裂抗?jié)B外加劑。通過無機增強阻裂材料的研制，使混凝土在水化初期產(chǎn)生適量的微膨脹，補償混凝土收縮，降低孔隙率，改善混凝土中孔結構分布，提高混凝土力學強度和阻裂抗?jié)B能力。對高效減水劑引入憎水阻孔組分、保塑組分進行改性研制成有機減水保塑憎水阻孔外加劑可提高混凝土工作性，嚴格控制坍落度損失，并長期阻孔，同時降低混凝土早期水化溫升，有效防止早期溫度收縮裂縫的出現(xiàn)。

2.1 　無機增強阻裂材料WJ 的研制

(1) 原材料：生明礬、硫鋁酸鹽熟料、熟明礬、硫酸鋁、不同溫度下煅燒的MgO、天然二水石膏、增強抗裂組分A、市售膨脹劑UEA。

(2) 實驗及結果分析

實驗設計了多種無機增強阻裂材料配方，以10%的摻量替代水泥，制成相應的水泥砂漿和混凝土，進行凝結時間、強度等性能實驗，并測定它們的自由膨脹率，實驗結果見表1，表2。依據(jù)表2數(shù)據(jù)作膨脹曲線如圖1所示。

由表1，表2及圖1數(shù)據(jù)可知，基準混凝土在水養(yǎng)14d后，移入空氣中養(yǎng)護7d(即21d 齡期) 時，即產(chǎn)生3.08×10-4的收縮率，摻UEA和1#，2#，3#無機增強阻裂材料的混凝土出現(xiàn)收縮的時間明顯延長，42d齡期時均仍有一定的膨脹率，未出現(xiàn)收縮，顯然抗裂防滲能力得到了提高。但摻UEA的水泥砂漿，其初凝和終凝時間明顯縮短(初凝、終凝由基準的2.25h ，3.37h 縮短成1.32h和2.03h) ，3d和28d的抗折和抗壓強度有較大幅度的降低， 早期膨脹率較大， 14d后轉入(20±2)℃，相對濕度(60±5)%的環(huán)境后，膨脹率落差較大，28d膨脹率較14d降低70%。這主要是因為UEA以熟明礬和無水硫鋁酸鈣、煅燒石膏配制而成，水化速度快，早期能形成大量的鈣礬石，而后期因膨脹源鈣礬石數(shù)量得不到補充，因此造成膨脹率落差大。含無水硫鋁酸鈣配制的阻裂材料1#樣，雖膨脹性能比較穩(wěn)定，但凝結時間較快，砂漿抗壓、抗折強度受損。含熟明礬石配制的阻裂材料3#樣表現(xiàn)與試樣1相似的特性，且凝結時間更快，這是由于生明礬石經(jīng)過煅燒，其主要成分硫鋁酸鉀[KAl₃(SO4)₂(OH)₂]分解，生成了堿R₂O和無水硫鋁酸鈣。含生明礬石配制的阻裂材料2#，在水泥砂漿中表現(xiàn)為凝結時間正常，抗壓強度及抗折強度與基準砂漿接近，且膨脹率發(fā)展較穩(wěn)定，后期落差最小，90d齡期仍有1.88×10-4的膨脹率，這是因為除了主要成分含鋁相材料與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應形成鈣礬石，產(chǎn)生體積膨脹，起補償收縮作用外，無機物質A 還與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應緩慢形成許多微小晶體，體積增大，堵塞孔隙，密實性增大，克服了UEA摻入后漿體強度有所降低的缺點，此外，后期產(chǎn)生的微小晶體，補充膨脹源，抗裂抗?jié)B性能提高，90d 齡期仍有一定的膨脹值。根據(jù)上述結果，我們確定以生明礬、硫鋁酸鹽水泥熟料、天然二水石膏、MgO和無機物質A等作為無機增強阻裂材料主要成分，簡稱WJ材料。

2.2 　有機減水保塑憎水阻孔外加劑YJ的研制

國內(nèi)抗裂防水材料分為無機防水材料和有機防水材料2大類，目前研究和應用的有機防水材料普遍存在這樣的問題，即：有機防水材料添加到混凝土中只起到了一個化學屏蔽作用，當承受水壓時會被沖破，無法在承受較高水壓下阻孔，另外它們在混凝土中也是不穩(wěn)定的，一段時間后就會失效，被排出混凝土。為此，我們研究和配制了有機憎水阻孔組分B，該組分可改善混凝土的潤濕性能，可以和混凝土內(nèi)部粒子以分子水平相粘結，以非極性基使毛細孔孔壁憎水化，且結合產(chǎn)物分布于整個基體內(nèi)部，憎水阻水作用在整個混凝土內(nèi)部都是有效的，而不單局限于毛細管，其阻水效果是長久的。

高水泥用量和低水灰比的高性能混凝土為滿足施工要求，必須具備高工作性，為此，必須摻入高效減水劑，但是多數(shù)高效減水劑雖可獲得初始高流動性的混凝土，但坍落度損失大，特別是摻加膨脹劑UEA 的補償收縮混凝土，難以滿足遠距離運輸、泵送施工或免振搗等施工要求。針對這些問題，我們以FDN為基體，引入保水組分、活化組分來嚴格控制坍落度損失，最后與有機憎水阻孔組分B以合理的比例復合成有機減水保塑憎水阻孔外加劑，簡稱之為YJ外加劑。

FDN是目前工程應用效果較好的一種高效減水劑，我們將YJ材料與FDN進行對比性實驗。試驗中WJ材料采用內(nèi)摻法，摻量為12%。實驗結果如表3所示。

從這些數(shù)據(jù)我們不難發(fā)現(xiàn)，混凝土中摻入YJ后， 擴展度高達60cm， 坍落22.5cm，且2h后坍落度仍有21.5cm，而混凝土中摻入FDN后， 雖擴展度高達56cm， 坍落度為21.5cm，但1.5h后坍落度僅有12cm。

2.3 　高性能阻裂抗?jié)B外加劑的研制

無機增強阻裂材料WJ摻入混凝土中后，對混凝土強度和凝結時間影響較小，脹性能穩(wěn)定，膨脹率落差小，具有優(yōu)異的補償收縮作用和抗裂性能，而有機減水保塑劑YJ具有長期阻水和明顯減水保塑作用，將二者進行復合，配制成無機-有機復合高性能阻裂抗?jié)B材料，簡稱KLFS材料，既能補償混凝土的收縮達到抗裂的目的，又能提高混凝土的工作性能和抗?jié)B性，且能增強混凝土，用于配制阻裂抗?jié)B高性能混凝土。

3 　高性能阻裂抗?jié)B外加劑對混凝土性能的影響

(1) 　物理力學性能

表4是內(nèi)摻12%KLFS材料后的混凝土物理力學性能與基準的對比情況。表中數(shù)據(jù)說明混凝土中摻入KLFS 材料后，不僅抗?jié)B性能大幅度提高，且工作性、強度等各種性能優(yōu)良。

(2) 抗裂性能

內(nèi)摻12%KLFS材料的混凝土的限制膨脹率實驗結果見表5。表6為內(nèi)摻KLFS材料混凝土的其他抗裂性能指標與基準混凝土的對比情況?？梢?/SPAN>，加入KLFS 材料之后，混凝土的抗裂性能大幅度提高?；炷馏w積穩(wěn)定性好，膨脹率落差小，能起到補償收縮的作用。與基準混凝土相比，混凝土中摻入KLFS材料后，混凝土劈裂抗拉強度和軸心抗拉強度均有顯著的提高。

　  (3) 抗?jié)B性能

氯離子滲透實驗方法[4] ：根據(jù)ASTM C1202-94 規(guī)定的方法，混凝土試件為Φ100mm ×500mm的圓柱體，每組3 個試件，在標準條件下養(yǎng)護至28d齡期后，將其在水中浸泡達到吸水飽和狀態(tài)。試件的正、負極2側分別置于濃度為0.3mol/dm³的NaOH和3 %的NaCl溶液，在混凝土試件的軸向施加60V的直流電壓，記錄6h內(nèi)通過試件的電量Q值(C) ，以此來評價混凝土的密實程度和抵抗氯離子滲透能力。內(nèi)摻12%KLFS材料的混凝土抗?jié)B性能結果見表7。

　  表7充分說明了摻KLFS后，混凝土抗?jié)B性能大大提高，并且抗?jié)B性能優(yōu)異。

    (4) 抗凍性能

內(nèi)摻12%KLFS材料配制成混凝土C60，進行慢凍法50次凍融循環(huán)實驗，結果為抗壓強度損失率和質量損失率分別為0.11%和-0.15%。

    (5) 抗鋼筋銹蝕性能

對內(nèi)摻12%KLFS材料的C50混凝土進行50次浸烘循環(huán)，發(fā)現(xiàn)其鋼筋重量損失率僅為3.86%，說明KLFS材料有很好的抗鋼筋銹蝕能力。

    (6) 堿含量

KLFS 材料的堿含量比較低，經(jīng)過堿含量檢測(以R2O=K20+0.658Na₂O計) ，R₂O = 1.15%。若每立方混凝土中的水泥含量為350～550kg ，以推薦的12%摻量計算，則每立方混凝土所帶入的堿含量為： (350～550)×12%×1.15% = 0.483～0.759kg ，符合“每立方米混凝土因外加劑加入的堿量不得超過11000kg”的規(guī)定。這也是用KLFS材料所配制的混凝土具有高流動性、低坍落度損失的原因之一。

4 　結論

(1) 無機增強阻裂材料WJ主要以生明礬、硫鋁酸鹽水泥熟料、天然二水石膏、MgO 和無機物質A作為主要成分，膨脹性能穩(wěn)定，膨脹率落差小，90d齡期仍有1.88×10-4的膨脹率，并有增強作用。這是因為除了主要成分含鋁相材料與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應形成鈣礬石，產(chǎn)生體積膨脹，起補償收縮作用，無機物質A 還與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應緩慢形成許多微小晶體，體積增大，堵塞孔隙，密實性增大，克服了UEA 摻入后漿體強度有所降低的缺點。此外，后期產(chǎn)生的微小晶體，補充膨脹源，提高阻裂抗?jié)B能力。

(2) 有機減水保塑憎水阻孔劑YJ 主要包含減水分散組分、保水組分、憎水阻孔組分、活化組分，不僅具有明顯的緩凝、保塑、減水和降低水化熱的作用，而且可以和混凝土內(nèi)部粒子以分子水平相粘結，以非極性基使毛細孔孔壁憎水化，且結合產(chǎn)物分布于整個基體內(nèi)部，憎水阻水作用在整個混凝土內(nèi)部都是有效的，而不單局限于毛細管，其阻水效果是長久的。

(3) 應用材料復合技術，將無機增強阻裂材料WJ與有機減水保塑憎水阻孔劑YJ復合成高性能阻裂抗?jié)B材料KLFS?；炷林袚饺?/SPAN>KLFS材料，不僅工作性優(yōu)異，坍落度損失小(2h后仍有20cm) ， 有較大的增強作用(90d抗壓強度比為128%) ，更重要的是能大幅度提高混凝土的阻裂抗?jié)B能力，膨脹規(guī)律好，膨脹率落差小，90d仍有1.12×10-4的限制膨脹率， 28d劈拉強度由基準混凝土的2.81MPa 提高到3.28MPa ，堿含量低，無鋼筋銹蝕，耐久性好。

(1 武漢理工大學結構工程與力學系，武漢　430070 ；2 武漢理工大學材料學院，武漢　430070)