材料研究 抗裂防渗涅凝土的研究 杨萍，杨进超，赵维霞，樊晓苓 （西北核技术研究所，陕西西安７１００２４） 摘要：研究了几种抗裂防水材料对混凝土抗压强度、劈拉强度和渗透性的影响，结果表明，三乙醇胺、萘系减水剂对混凝 土力学强度和渗透性的影响最为显著。根据该结果配制了抗裂防渗混凝土，并采用配筋试验模拟实际工程的接头处，试 验表明该混凝土２８ ｄ抗压强度达５１ ＭＰａ，抗渗标号达Ｐ２４以上，且具有微膨胀性能，可满足较高防水抗裂施工要求。 关键词：抗裂防水材料；抗裂防渗混凝土；力学强度；渗透性 文章编号：１００７—４９７Ｘ（２０１１）一１２—０００１—０４ 中图分类号：ＴＵ５０２￣；ＴＵ５７＋９ 文献标识码：Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃｒａｃｋｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ Ｗａｔｅｒｔｉｇｈｔ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｙａｎｇ Ｐｉｎｇ，Ｙａｎｇ Ｊｉｎｃｈａｏ，Ｚｈａｏ Ｗｅｉｘｉａ，Ｆａｎ Ｘｉａｏｌｉｎｇ （Ｘｉｂｅｉ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ＇ａｎ，Ｓｈａｎｘｉ ７１００２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ａｎｔｉ—ｃｒａｃｋｉｎｇ ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ．Ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｒｉｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅ ａｎｄ ｎａｐｈｔｈａｌｅｎｅ ｗａｔｅｒ－ｒｅｄｕｃｉｎｇ ａｇｅｎｔ ｈａｖｅ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｂｏｖｅ ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ａｎｄ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｈａｓ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｔ ２８ ｄａｙｓ ｏｆ ５ １ ＭＰａ，ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｐ２４ ｐｌｕｓ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ— ｅｘｐａｎｓｉｏｎ，ｂｅｉｎｇ ａｂｌｅ ｔｏ ｍｅｅｔ ｈｉｇｈｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｉｎｇ ａｎｄ ａｎｔｉ—ｃｒａｃｋｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｒａｃｋｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ；ｃｒａｃｋｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒｔｉｇｈｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ； ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ 混凝土的渗漏一直是困扰工程界的建筑质量通 制了商ｌ生能抗裂防渗混凝土，以供参考。 病。由于普通混凝土存在着收缩开裂这一致命弱点， １抗裂防水材料的防渗机理 往往达不到整体防水效果。对混凝土来说，“裂”是 １．１三乙醇胺 “渗”的根本原因【ｌｉ。控制混凝土渗漏的办法很多，除 三乙醇胺不仅具有良好的抗渗性，而且具有早强 加强混凝土的养护、优化配比或在成型的混凝土基材 和增强效果。其抗渗原理是：在混凝土中掺人微量三 外涂刷防水材料来延缓结构开裂外，还可在混凝土中 乙醇胺时，并不改变水泥的水化生成物，却能加速水 加入抗裂防水材料来达到抗裂防渗的目的。本文参 泥的水化作用，促使水泥在早期就生成较多的含水结 考了大量资料，优选了６种不同类型的抗裂防水材料 晶物，夺取了较多的水与它结合，相应地减少了游离 配制抗渗混凝土，对它们的力学性能及抗渗 能进行 水，也就减少了由于游离水蒸发而遗留下来的毛细孔 对比研究，并对结果进行了分析，在此基础上尝试配 ［２１，从而降低了混凝土收缩开裂的可能性。 １．２有机硅 收稿日期：２０１１－０３—３０ 有机硅防水剂，ｐＨ值为ｌ３左右，固含量大于 作者简介：杨萍，女，１９７２生，工程师，主要从事工程材料研制 ２０％。其抗渗原理是：有机硅防水剂使混凝土表面及 工作。 毛细管壁成为憎水表面，从而减少孑Ｌ隙和毛细通道， 材料研究 降低吸水性，并且能提高静水压力。 １．６矿渣 １．３减水剂 矿渣为新疆八一钢铁集团公司生产的成品矿渣， 减水剂为ＦＤＮ一１Ｉ型，２８ ｄ抗压强度４９．２ ＭＰａ， 比表面积为４６０ ｍ２／ｋｇ。其抗渗原理为：矿渣微粉作为 减水率为１８％ ２５％。其抗渗原理是：混凝土中掺人减 混凝土的独立组分，不仅有利于水化作用和提高强 水剂后，由于减水剂对水泥颗粒产生吸附一分散作 度、密实度，而且还能降低孔隙率［５１，阻碍水分泌出， 用，破坏了水泥颗粒因凝聚而产生的絮凝结构，释放 提高拌合物的保水性和均匀性，减少浆体分层离析。 了自由水，在保持混凝土流动性不变的情况下，可减 ２试验 少拌和用水量，降低水灰比，使混凝土内孔隙率下降， ２．１原材料 提高其密实性、保水性和抗离析性［３１。减水剂的分散 本试验中用到的其他原材料如下：水泥：“天山 作用对水泥颗粒还能产生润滑和润湿作用，在水泥颗 牌”４２．５级普通硅酸盐水泥，２８ ｄ抗压强度５６ ＭＰａ； 粒表面形成一层稳定的水膜，使水泥颗粒之间的润滑 砂：中砂，含泥量１．５％，细度模数为２．６；石：粒度５～ 作用增加，从而提高混凝土的流动性，改善混凝土的 ２０ ｍｍ，连续级配，压碎值为８．８％，针片状含量为 和易性。 ９．６％，含泥量为０．７％；拌和水：洁净自来水。 １．４膨胀剂 ２．２配合比 膨胀剂为ＵＥＡ—Ｈ型，２８ ｄ抗压强度４９．２ ＭＰａ， 本试验共设计了８组混凝－ｔ－ｄｅ合比，各抗裂防水 ２８ ｄ水中膨胀率为０．Ｏｌ１％。其抗渗阻裂原理是：ＵＥＡ 材料的掺量据资料提供（除有机硅的掺量按硅水比进 是由硫铝酸盐熟料、明矾石和石膏共同磨细制成，硫 行计算外，其余抗裂防水材料的掺量均按水泥的质量 铝酸盐活性较高，在水化初期就生成钙矾石，而明矾 百分比计算），具体配合比设计见表ｌ，其中Ａ为基准 石水化较慢，多在水化中期形成钙矾石 ，这种针状 ｝昆凝土配合比。 或柱状的钙矾石在结晶发育时，往往向阻力 表１混凝土具体配合比 ｋｇ／ｍ 小的孑Ｌ隙中生长。在硬化后期，水化硅酸钙、 编号 Ｐ．０ ３２．５水泥 石子 砂 抗裂防水材料 水 水灰比 氢氧化钙和钙矾石交织在一起，填充、堵塞 Ａ ２５０ １ １００ ８３０ 无 １８７ ０．７５ 于毛细裂缝中，降低总孔隙率，形成了非常 Ｂ ２５０ １ １００ ８３０ ６％膨胀剂 １８７ Ｏ．７５ 致密的水泥石结构，从而提高了混凝土的抗 Ｃ ２５０ １ １００ ８３０ １％萘系减水剂 １５Ｏ Ｏ．６０ 渗性能。 Ｄ ２５０ １ １００ ８３０ ０．０５％三乙醇胺 １８７ Ｏ．７５ １．５聚丙烯腈纤维 Ｅ ２５０ １ １００ ８３０ 硅水比为８：１００的 １８７ ０有机硅防水剂 ．７５ 聚丙烯腈纤维规格为１２．７ Ｉ，￣ｍｘ６ ｍｍ， Ｆ ０ １ １００ ８３０ Ｐ．Ｏ ４２．Ｐ５水泥代替等量 １８７ ＯＯ ３２．５水泥 ．抗拉强度５００～６００ ＭＰａ，弹性模量７－９ ＧＰａ， ７５ ．纤维数量１ １亿根／ｋｇ。其抗渗阻裂原理为：聚 Ｇ ２５０ １ １００ ８３０ １％聚丙烯腈纤维 １８７ Ｏ．７５ Ｈ ２５０ １ １００ ８３０ ４０％矿渣 １７５ ０．７０ 丙烯腈纤维在混凝土内部构成均匀的乱向 支撑体系，起到了支撑集料的作用。当混凝土中纤维 ２．３试块成型工艺 掺量为１．０ ｋｇ／ｍ。时，平均每ｅｍ。就有ｌ １００根纤维， 准确称量抗裂防水材料，将其添加到混凝土干料 优化了混凝土的孔、空隙结构，减少了毛细孑Ｌ个数及 中并搅拌均匀，干拌时间为９０ Ｓ，之后加水搅拌，搅拌 内部空隙率，使材料更加密实，有效地防止混凝土的 时间较一般混凝土延长１ ｍｉｎ，约２．５ ３ ｒａｉｎ。值得注 离析倾向，减少了水分的散失，降低了干燥收缩性能， 意的是，三乙醇胺因其坍落度损失较快，搅拌后要立 从而提高了混凝土的抗裂能力。 即人模成型。 ． 材料研究 Ｂｄ岂、 鼎 ５ ０ ５ Ｏ ５ Ｏ ５ ０ ２．４试验方法 ∞ ∞ 加 劈拉强度比基准混凝土提高了１ｍ Ｏ ５％、３７％，６．２％；而掺 基本物理力学性能测试依据ＧＢ／Ｔ ５００８ １－－２００２ ６％的膨胀剂（Ｂ）对混凝土的力学性能影响不大；掺硅 水比为８：１００的有机硅防水剂（Ｅ）对力学性能反而有 《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行；抗渗性能 测试参照ＧＢＪ ８２—８５《普通混凝土长期性能和耐久 降低的倾向；掺４０％的矿渣（Ｈ）对早期强度无影响， 性试验方法》进行。 ３试验结果及讨论 ３．１对混凝土力学性能的影响 几种抗裂防水材料对混凝土３ ｄ、２８ ｄ抗压强 度、２８ ｄ劈拉强度的影响分别见图１、图２。 ｄ ２ Ｏ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ 混凝土编号 图１抗裂防水材料对混凝土抗压强度的影响 水材料 皇 憩 赫 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｇ Ｈ 混凝土编号 图２抗裂防水材料对混凝土劈拉强度的影响 由图１、图２可知，掺１％萘系减水剂（Ｃ）时３ ｄ、 ２８ ｄ抗压强度比基准混凝土分别提高８６．５％、１３４％， 劈拉强度比基准混凝土提高了６０％；掺０．０５％三乙醇 胺（Ｄ）时３ ｄ、２８ ｄ抗压强度比基准混凝土分别提高 ７８．１％、７８．３％，劈拉强度比基准混凝土提高了５０％； 改用４２．５级普通硅酸盐水泥（Ｆ）时３ ｄ、２８ ｄ抗压强 度分别比基准混凝土提高１０７．３％、１０４．４％，劈拉强度 比基准混凝土提高了２５．３％；掺１％的聚丙烯腈纤维 （Ｇ）时３ ｄ、２８ ｄ抗压强度比基准混凝土分别提高 但２８ ｄ强度相对基准混凝土提高了３７％，劈拉强度 提高了１３％。由此可知，减水剂、三乙醇胺、４２．５级普 通硅酸盐水泥对混凝土力学性能的影响最为显著。 ３．２对混凝土渗透性的影响 几种抗裂防水材料对混凝土渗透『生的影响见图３。 防水材料 量 ｌ嬗 ＊ ６ ４ ２ Ｏ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ 混凝土编号 图３抗裂防水材料对混凝土抗渗性的影响 由图３渗水高度测试结果可以看出，掺ｌ％萘系 减水剂（Ｃ）时渗水高度比基准混凝土降低了８９％；掺 ０．０５％三乙醇胺（Ｄ）时渗水高度比基准混凝土降低了 ７９％；改用４２．５普通硅酸盐水泥（Ｆ）时渗水高度比基 准混凝土降低了８２％；掺硅水比为 ８：１００的有机硅防 水剂（Ｅ）时渗水高度比基准混凝土降低了４５％；掺 ４０％的矿渣（Ｈ）时渗水高度比基准混凝土降低了 ４６％；掺１％的聚丙烯腈纤维（Ｇ）渗水高度比基准混 凝土降低了２２％；而掺６％的膨胀剂（Ｂ）时渗水高度 相对基准混凝土变化不大。由此可知，大多数抗裂防 水材料对混凝土的抗渗性都有不同程度地改善，其中 以减水剂、４２．５级普通硅酸盐水泥及三乙醇胺作用最 为明显。 依据上述试验结果，综合各方面因素，设计出一 组抗裂防渗混凝土配比，在该配比中把膨胀剂的掺量 调整为水泥掺量的１０％，见表２。检测该抗裂防渗混 凝土的抗压强度、经时坍落度、膨胀率、抗渗压力，结 果见表３。 由表３可知，利用膨胀剂、萘系减水剂、Ｐ．Ｏ ４２．５ ８ 材料研究 表２抗裂防渗混凝土配合比 材料 掺量／（ｋｇ／ｍ ） Ｐ．Ｏ ４２．５水泥 ２８０ 矿渣 ８０ 石子 １ ２ｌ８ 砂 ６５２ 膨胀剂 ３４ 减水剂 ３．４ 水 １３６ 表３抗裂防渗混凝土性能测试结果 项目 性能指标 ３ ｄ ３５．Ｏ 抗压强度／ＭＰａ ２８ ｄ ５１．Ｏ 坍落度／ｍｍ ４８．０ 膨胀率／％ ０．０９８ 抗渗压力／ＭＰａ ＞２．５ 水泥配制的抗裂防渗混凝土具有早期强度高（３ ｄ的 抗压强度可达３５ ＭＰａ），后期强度高且稳定（２８ ｄ的 抗压强度可达５１ ＭＰａ），并且经时坍落度损失低（３ ｈ 后大多还有４８ ｍｍ以上），具有微膨胀等特性，抗渗 等级可达Ｐ２４以上。因此，该配比可满足较高防水抗 裂要求的混凝土施工。 ４配筋试验 在实际工程中最易发生渗漏水的部位是接头处， 例如钢筋、管道与混凝土结合处，门框与混凝土墙结 合处等。为了考察该抗裂防渗混凝土在接头处防渗 漏水的情况，实验室采用混凝土配筋试验来模拟实际 工程上的接头处。制作普通混凝土和配筋普通混凝 土试件（普通混凝土 所用的水泥为Ｐ．Ｃ ３２．５），以及抗裂防渗 混凝土和配筋抗裂防 渗混凝土试件，测试 其１年龄期的抗渗压 力和抗压强度。｝昆凝 示，测试结果见表４。土配筋试件如图４所 图４混凝土配筋试件 由表４可知，普通混凝土２８ ｄ抗压强度达３７－２ 表４混凝土试件性能测试结果 项目 普通混凝土 抗裂防渗混凝土 抗压强度／ＭＰａ ３７．２ ５２．６ 抗渗压力／ＭＰａ 无筋试件 １．８ ２．６ 配筋试件 Ｏ．９ ≥２．Ｏ ＭＰａ，在不配筋的情况下，水压加到１．８ ＭＰａ时发生 渗水现象，而配筋试件在０．９ ＭＰａ水压时配筋处即有 水渗出，与实际工程上发生的漏水部位相同。抗裂防 渗混凝土２８ ｄ抗压强度可达５２．６ ＭＰａ，在不配筋的 情况下水压加到２．６ ＭＰａ时发生渗水现象，而配筋试 件水压加到２．０ ＭＰａ时仍无渗水，说明此混凝土比较 密实，使钢筋与混凝土接合面处更紧密，进而实现了 整体防渗水。 ５结论 本文通过研究几种抗裂防水材料对混凝土性能 的影响，尝试配制了高性能抗裂防渗混凝土。试验结 果显示，大多数抗裂防水材料对混凝土的性能都有不 同程度地改善，其中以萘系减水剂、三乙醇胺、４２．５普 通硅酸盐水泥最为显著。本试验所配制的抗裂防渗 混凝土３ ｄ、２８ ｄ抗压强度分别达３５ ＭＰａ、５１ ＭＰａ， 具有较好的工作性能，抗渗标号可达Ｐ２４以上，且具 有微膨胀的性能，起到了混凝土补偿收缩的作用。 通过配筋试验进一步表明，所配制的抗裂防渗混 凝土可以使钢筋与混凝土接合面处更紧密，从而实现 整体防渗水。 参考文献： ［１］游宝坤．建筑物裂渗控制新技术［ＭＩ．北京：中国建材工业 出 版社．１９９４． ［２］张雄．建筑功能外加剂［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４． ［３】马眷荣．建筑材料手册［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００３． 【４］葛兆明．混凝土外加剂【Ｍ】．北京：化学工业出版社，２００５． 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