高性能阻裂抗?jié)B外加劑的研制及其對(duì)混凝土性能影響的研究

摘　要　采用將無(wú)機(jī)增強(qiáng)阻裂材料WJ和有機(jī)減水保塑憎水阻孔外加劑YJ進(jìn)行分別研制并優(yōu)化復(fù)合的技術(shù)路線研制了高性能阻裂抗?jié)B外加劑KLFS。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：以生明礬、硫鋁酸鹽水泥熟料、天然二水石膏和無(wú)機(jī)物質(zhì)A作為主要成分的無(wú)機(jī)增強(qiáng)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(qiáng)作用；對(duì)高效減水劑引入憎水阻孔組分、保水組分進(jìn)行改性研制成的有機(jī)減水保塑憎水阻孔外加劑YJ ，可提高混凝土工作性，嚴(yán)格控制坍落度損失，并長(zhǎng)期阻孔，同時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度由基準(zhǔn)混凝土的2.81MPa 提高到3.28MPa ，堿含量低，無(wú)鋼筋銹蝕，耐久性好。

關(guān)鍵詞　增強(qiáng)阻裂　憎水阻孔　高性能阻裂抗?jié)B外加劑

　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，我國(guó)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(shè)計(jì)技術(shù)、施工技術(shù)、質(zhì)量控制技術(shù)都得到了迅速發(fā)展，達(dá)到了一個(gè)新水平。但長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)混凝土耐久性的嚴(yán)重忽視，使得我國(guó)大批工程建筑的安全使用期達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。國(guó)內(nèi)近20年來(lái)對(duì)混凝土的耐久性問(wèn)題引起了足夠的重視，也相應(yīng)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(diǎn)工程過(guò)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(jié)硬化過(guò)程中，會(huì)由于化學(xué)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(qiáng)度低(約為抗壓強(qiáng)度的1/10～1/20)， 極限拉應(yīng)變也很小(0.02%～0.03%) ，當(dāng)前述的收縮因受限制而產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)其本身的抗拉強(qiáng)度時(shí)混凝土就會(huì)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(xué)侵蝕、凍融破壞等問(wèn)題便會(huì)產(chǎn)生，混凝土發(fā)生迅速的耐久性劣化。據(jù)統(tǒng)計(jì)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(xiàng)目的10.5%，1997年有所提高，分別為45.5%和12.9%。嚴(yán)重滲漏現(xiàn)象造成建筑物壽命和使用功能下降，給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成很大損失?？梢?jiàn)，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(zhǎng)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(jià)值和實(shí)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(hào)普通硅酸鹽水泥。

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

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

(4) 無(wú)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(wú)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(yīng)城產(chǎn)天然石膏Ca₂SO₄·2H₂O。

(8) 無(wú)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(wú)機(jī)物質(zhì)A、有機(jī)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(wú)機(jī)增強(qiáng)阻裂材料和有機(jī)減水保塑憎水阻孔外加劑進(jìn)行分別研制并優(yōu)化復(fù)合的技術(shù)路線來(lái)研制高性能阻裂抗?jié)B外加劑。通過(guò)無(wú)機(jī)增強(qiáng)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(bǔ)償混凝土收縮，降低孔隙率，改善混凝土中孔結(jié)構(gòu)分布，提高混凝土力學(xué)強(qiáng)度和阻裂抗?jié)B能力。對(duì)高效減水劑引入憎水阻孔組分、保塑組分進(jìn)行改性研制成有機(jī)減水保塑憎水阻孔外加劑可提高混凝土工作性，嚴(yán)格控制坍落度損失，并長(zhǎng)期阻孔，同時(shí)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(wú)機(jī)增強(qiáng)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(qiáng)抗裂組分A、市售膨脹劑UEA。

(2) 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了多種無(wú)機(jī)增強(qiáng)阻裂材料配方，以10%的摻量替代水泥，制成相應(yīng)的水泥砂漿和混凝土，進(jìn)行凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度等性能實(shí)驗(yàn)，并測(cè)定它們的自由膨脹率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(zhǔn)混凝土在水養(yǎng)14d后，移入空氣中養(yǎng)護(hù)7d(即21d 齡期) 時(shí)，即產(chǎn)生3.08×10-4的收縮率，摻UEA和1#，2#，3#無(wú)機(jī)增強(qiáng)阻裂材料的混凝土出現(xiàn)收縮的時(shí)間明顯延長(zhǎng)，42d齡期時(shí)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(shí)間明顯縮短(初凝、終凝由基準(zhǔn)的2.25h ，3.37h 縮短成1.32h和2.03h) ，3d和28d的抗折和抗壓強(qiáng)度有較大幅度的降低， 早期膨脹率較大， 14d后轉(zhuǎn)入(20±2)℃，相對(duì)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?yàn)?/SPAN>UEA以熟明礬和無(wú)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(bǔ)充，因此造成膨脹率落差大。含無(wú)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(jié)時(shí)間較快，砂漿抗壓、抗折強(qiáng)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(jié)時(shí)間更快，這是由于生明礬石經(jīng)過(guò)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(wú)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(jié)時(shí)間正常，抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度與基準(zhǔn)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?yàn)槌酥饕煞趾X相材料與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)形成鈣礬石，產(chǎn)生體積膨脹，起補(bǔ)償收縮作用外，無(wú)機(jī)物質(zhì)A 還與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)緩慢形成許多微小晶體，體積增大，堵塞孔隙，密實(shí)性增大，克服了UEA摻入后漿體強(qiáng)度有所降低的缺點(diǎn)，此外，后期產(chǎn)生的微小晶體，補(bǔ)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(jié)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(wú)機(jī)物質(zhì)A等作為無(wú)機(jī)增強(qiáng)阻裂材料主要成分，簡(jiǎn)稱WJ材料。

2.2 　有機(jī)減水保塑憎水阻孔外加劑YJ的研制

國(guó)內(nèi)抗裂防水材料分為無(wú)機(jī)防水材料和有機(jī)防水材料2大類，目前研究和應(yīng)用的有機(jī)防水材料普遍存在這樣的問(wèn)題，即：有機(jī)防水材料添加到混凝土中只起到了一個(gè)化學(xué)屏蔽作用，當(dāng)承受水壓時(shí)會(huì)被沖破，無(wú)法在承受較高水壓下阻孔，另外它們?cè)诨炷林幸彩遣环€(wěn)定的，一段時(shí)間后就會(huì)失效，被排出混凝土。為此，我們研究和配制了有機(jī)憎水阻孔組分B，該組分可改善混凝土的潤(rùn)濕性能，可以和混凝土內(nèi)部粒子以分子水平相粘結(jié)，以非極性基使毛細(xì)孔孔壁憎水化，且結(jié)合產(chǎn)物分布于整個(gè)基體內(nèi)部，憎水阻水作用在整個(gè)混凝土內(nèi)部都是有效的，而不單局限于毛細(xì)管，其阻水效果是長(zhǎng)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(dòng)性的混凝土，但坍落度損失大，特別是摻加膨脹劑UEA 的補(bǔ)償收縮混凝土，難以滿足遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、泵送施工或免振搗等施工要求。針對(duì)這些問(wèn)題，我們以FDN為基體，引入保水組分、活化組分來(lái)嚴(yán)格控制坍落度損失，最后與有機(jī)憎水阻孔組分B以合理的比例復(fù)合成有機(jī)減水保塑憎水阻孔外加劑，簡(jiǎn)稱之為YJ外加劑。

FDN是目前工程應(yīng)用效果較好的一種高效減水劑，我們將YJ材料與FDN進(jìn)行對(duì)比性實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)中WJ材料采用內(nèi)摻法，摻量為12%。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(kuò)展度高達(dá)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(kuò)展度高達(dá)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(wú)機(jī)增強(qiáng)阻裂材料WJ摻入混凝土中后，對(duì)混凝土強(qiáng)度和凝結(jié)時(shí)間影響較小，脹性能穩(wěn)定，膨脹率落差小，具有優(yōu)異的補(bǔ)償收縮作用和抗裂性能，而有機(jī)減水保塑劑YJ具有長(zhǎng)期阻水和明顯減水保塑作用，將二者進(jìn)行復(fù)合，配制成無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合高性能阻裂抗?jié)B材料，簡(jiǎn)稱KLFS材料，既能補(bǔ)償混凝土的收縮達(dá)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(qiáng)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(duì)混凝土性能的影響

(1) 　物理力學(xué)性能

表4是內(nèi)摻12%KLFS材料后的混凝土物理力學(xué)性能與基準(zhǔn)的對(duì)比情況。表中數(shù)據(jù)說(shuō)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。表6為內(nèi)摻KLFS材料混凝土的其他抗裂性能指標(biāo)與基準(zhǔn)混凝土的對(duì)比情況。可見(jiàn)，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(bǔ)償收縮的作用。與基準(zhǔn)混凝土相比，混凝土中摻入KLFS材料后，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度均有顯著的提高。

　  (3) 抗?jié)B性能

氯離子滲透實(shí)驗(yàn)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(gè)試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28d齡期后，將其在水中浸泡達(dá)到吸水飽和狀態(tài)。試件的正、負(fù)極2側(cè)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(guò)試件的電量Q值(C) ，以此來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的密實(shí)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(jié)果見(jiàn)表7。

　  表7充分說(shuō)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(jìn)行慢凍法50次凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果為抗壓強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率分別為0.11%和-0.15%。

    (5) 抗鋼筋銹蝕性能

對(duì)內(nèi)摻12%KLFS材料的C50混凝土進(jìn)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(shuō)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(guò)堿含量檢測(cè)(以R2O=K20+0.658Na₂O計(jì)) ，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(jì)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(guò)11000kg”的規(guī)定。這也是用KLFS材料所配制的混凝土具有高流動(dòng)性、低坍落度損失的原因之一。

4 　結(jié)論

(1) 無(wú)機(jī)增強(qiáng)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(wú)機(jī)物質(zhì)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(qiáng)作用。這是因?yàn)槌酥饕煞趾X相材料與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)形成鈣礬石，產(chǎn)生體積膨脹，起補(bǔ)償收縮作用，無(wú)機(jī)物質(zhì)A 還與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)緩慢形成許多微小晶體，體積增大，堵塞孔隙，密實(shí)性增大，克服了UEA 摻入后漿體強(qiáng)度有所降低的缺點(diǎn)。此外，后期產(chǎn)生的微小晶體，補(bǔ)充膨脹源，提高阻裂抗?jié)B能力。

(2) 有機(jī)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(jié)，以非極性基使毛細(xì)孔孔壁憎水化，且結(jié)合產(chǎn)物分布于整個(gè)基體內(nèi)部，憎水阻水作用在整個(gè)混凝土內(nèi)部都是有效的，而不單局限于毛細(xì)管，其阻水效果是長(zhǎng)久的。

(3) 應(yīng)用材料復(fù)合技術(shù)，將無(wú)機(jī)增強(qiáng)阻裂材料WJ與有機(jī)減水保塑憎水阻孔劑YJ復(fù)合成高性能阻裂抗?jié)B材料KLFS。混凝土中摻入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(qiáng)作用(90d抗壓強(qiáng)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(qiáng)度由基準(zhǔn)混凝土的2.81MPa 提高到3.28MPa ，堿含量低，無(wú)鋼筋銹蝕，耐久性好。

(1 武漢理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與力學(xué)系，武漢　430070 ；2 武漢理工大學(xué)材料學(xué)院，武漢　430070)