活性粉体与高分散纤维抗裂剂对混凝土抗裂防渗性能的影响

袁雪莲，沈 露

(皖江工学院土木工程学院，安徽马鞍山243000)

随着中国经济腾飞，地下工程尤其是大体积地下工程将成为现代化都市发展的主旋律之一，混凝土的抗裂防渗性能是制约地下工程耐久性的主要因素。国内外对于如何提高混凝土抗裂防渗性能已有许多研究，措施包括调整混凝土的配合比，添加各种化学外加剂与矿物掺合料等。然而，针对地下工程混凝土抗裂防渗性的研究目前尚有欠缺，渗漏情况时有发生。对于地下工程抗渗等级为P6～P8的混凝土采用抗裂防渗方案，在混凝土中添加微膨胀剂和聚丙烯纤维，膨胀剂在混凝土成型12 h内膨胀力被未成型混凝土吸收，在混凝土成型后期的微膨胀虽能将已开裂的大裂缝闭合，但同时造成无数微小裂缝。受温差影响，混凝土发生塑性变形，微裂缝受外力作用不断增大，导致后期混凝土强度下降，对工程寿命产生不利影响。此外，聚丙烯纤维密度较水小，搅拌后会产生离析、结团，且具有较强的静电吸附性和释放性，对工程中的弱电控制系统不利。

活性粉体可有效缓解胶凝物水化过程的热量释放过快，降低温度裂缝产生的风险，解决气泡生成以及各种减水剂造成的水泥颗粒不易充分水化的问题。同时，粉体能通过界面效应提高胶凝物与骨料界面胶合能力，利于改善混凝土和易性，增强混凝土内部致密程度，减少后期整体微裂缝，提升抗渗性能。纤维分散效果好，在混凝土拌合物中搅拌20 s内可充分均匀分散；0.6 kg纤维能在每立方米拌合物中形成2亿多根单丝纤维，形成网状结构体系；纤维对拌合物水化升温也有一定抑制效果。鉴于此，文中将多种活性粉体与高分散纤维按一定比例复配制成抗裂剂，研究抗裂剂对混凝土抗裂防渗性能的影响，以期为地下工程的抗裂防渗设计提供参考。

1 实验

1.1 原料

P.042.5水泥；人工砂，砂细度模数2.64，属Ⅱ区中砂；5～20 mm人工碎石，连续级配；Ⅰ级粉煤灰；NOF-A聚羧酸系高效减水剂，掺量0.8%(质量分数，下同)；活性粉体，密度1.01～1.06 g/cm，1 kg抗裂剂中粉体掺量为0.4 kg；工程专用纤维，长度11 mm，直径21 μm，密度1.35 g/cm，抗拉强度大于600 MPa，断裂伸长率31%～44%，具备一定韧性，1 kg抗裂剂中纤维掺量为0.6 kg。

1.2 样品制备

表1为混凝土的配合比，表中水胶比为水的质量与水泥和粉煤灰总质量的比值。不掺活性粉体及高分散纤维抗裂剂(简称抗裂剂，下同)的基准组样品编号为K，每立方米混凝土中加入1.0，1.5 kg抗裂剂的样品编号分别为K，K。

为保证抗裂剂在混凝土中均匀分布，按表1所示配合比称量一定量的水泥、粉煤灰及集料，将其倒入混凝土搅拌机中干拌3 min，干拌过程中盖好搅拌机桶盖，避免干料洒出；干拌完成，用铁棍轻敲混凝土搅拌机筒壁，防止干料附着；继续搅拌干料，将按表1所示称量的减水剂加适量水搅拌均匀后缓慢倒入搅拌机，搅拌混凝土至充分流化(此时将搅拌好的混凝土按照相应性能的试验标准成型养护，即得混凝土样品K)；再加入事先与水搅拌均匀的抗裂剂，再次搅拌3 min使其均匀分布于混凝土内部；将搅拌好的混凝土按照相应性能的试验标准成型养护，即得混凝土样品K，K。

表1 混凝土的配合比Tab.1 Text mix proportion of concrete

1.3 性能测试

参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2002)测试混凝土样品的坍落度、体积密度、泌水率及含气量。参照《水工混凝土试验规程》(SL352—2006)及《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)测试混凝土样品的抗压强度、劈裂抗拉强度及轴向抗拉强度。采用中国工程建设标准化协会标准CEFCS 38：2004《纤维混凝上结构技术规程》中附录D“纤维混凝土和砂浆收缩裂缝试验方法”测试样品不同宽度下裂缝的数量、长度与裂缝总面积。参照《水工混凝土试验规程》(SL352—2006)及GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试样品的平均渗水高度、抗渗等级与混凝土干缩变形收缩率。采用Zeiss-Supra55扫描电子显微镜(scanning electron microscopy，SEM)观察水泥基样品的微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 拌合物性能

混凝土样品K，K及K的拌合物性能指标测试结果见表2。由表2可看出：3个试样的坍落度均在正常范围内，加入抗裂剂的样品，坍落度有所下降，掺量越大，下降越明显，含气量与泌水率也随之下降；随着抗裂剂掺量增多，拌合物状态逐渐变黏，但3个试样的和易性均良好。表明每立方米混凝土抗裂剂掺量在1.5 kg范围内不会对混凝土拌合物和易性产生不利影响。

表2 新拌混凝土性能指标Tab.2 Performance index of concrete mixture

2.2 力学强度

图1为混凝土样品K，K及K的抗压强度、劈裂抗拉强度和轴向抗拉强度。

图1 混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度及轴向抗拉强度Fig.1 Compressive strength,splitting tensile strength and axial tensile strength of concrete

从图1可看出，加入抗裂剂，混凝土不同龄期的抗压强度均有所提升，改善效果明显。这是由于混凝土试件在加载过程中，内部结构出现了细微孔隙、缺陷，或水泥-集料界面过渡区发生了应力集中现象。当混凝土所受应力达到某个临界阈值后，在其内部出现微细观裂缝，随着压力增大，这些微裂缝逐渐扩展为较大裂缝，且衍生更多微裂缝，导致试件破坏。抗裂剂由粉体与纤维组成，粉体能均匀地填充于混凝土微小裂缝中，同时纤维能有效阻止裂缝进一步扩大，从而可较好地提高试件的抗压强度。

由图1还可看出：在抗裂剂掺量方面，每立方米混凝土中加入1.0 kg抗裂剂(K)产生的强度提升效果比加入1.5 kg(K)好，尤其是K早期抗压强度相对于K增幅较大，120 d龄期抗压强度48.3 MPa，增幅15%，7 d龄期增幅达22%；每立方米混凝土加入1.5 kg抗裂剂(K)时，试件抗压强度略大于K，抗压强度提升效果不如K，这是由于掺量超过1.0 kg时，粉体及纤维在混凝土中的分散性下降，不利于内部结构的优化，同时易引起应力集中，导致混凝土力学性能下降。劈裂抗拉强度与轴向抗拉强度变化规律与抗压强度相似，K相对于K，90 d劈裂抗拉与轴向抗拉强度增幅分别达12%与29%，这有助于提高混凝土的抗裂性；K改善效果不明显，略大于基准组K。

2.3 早期抗裂性

表3为混凝土样品K，K及K的早龄期收缩裂缝检测结果，b表示裂缝宽度。由表3可看出，加入抗裂剂的混凝土早期收缩裂缝得到良好抑制，早期干燥收缩裂缝及早期塑性收缩裂缝的裂缝宽度与数量明显降低，与K比较，K裂缝降低率达85%，K裂缝降低率达52%。这是由于活性粉体及高分散纤维能有效改善混凝土和易性，降低水分在混凝土中的迁移，减少浇筑成型过程的离析、泌水等现象。同时，在混凝土凝结硬化过程中粉体及纤维可使混凝土内部应力均匀分布，内部结构更均质密实，从源头上控制微观裂缝的生成。文中实验结果仅用于各类混凝土早期抗裂性能优劣的比较，不代表混凝土长龄期抗裂性能的优劣，但后期宏观裂缝来源于早期微观裂缝的延伸发展，若能从源头上抑制微观裂缝的生成，并进一步控制微观裂缝的扩展，则定能获得裂缝控制的绝佳效果。

表3 混凝土的早期收缩裂缝检测结果Tab.3 Detection results of early-age shrinkage cracking of concrete

图2为平板约束条件下混凝土样品K，K及K的早期裂缝形貌。由图2可看出：未掺加抗裂剂的混凝土样品K早期裂缝数量多、宽度大、长度长；加入抗裂剂的混凝土样品K和K裂缝数量、长度与宽度均有所减小，裂缝得到有效控制，K裂缝控制效果较好。K效果略差。

图2 平板约束条件下不同抗裂剂掺量混凝土的裂缝形貌Fig.2 Crack morphologies of concrete with different anti-cracking agent admixtures under plate constraint

2.4 抗渗性

表4为混凝土样品K，K及K的抗渗性能指标测试结果。从表4可看出：与K相比，掺加抗裂剂混凝土(K及K)的抗渗性显著提高，渗水高度在相同实验水压力下能有效下降；K较K其平均渗水高度降低了65%，改善效果明显，K较K其平均渗水高度不降反增。这是由于抗裂剂中的粉体填充到混凝土的微观裂缝中，与混凝土水化产物互相包覆交错分布，增强了介质之间的黏结力，大大提高了混凝土内部的密实度；抗裂剂中的纤维在混凝土内部起到桥接作用，纤维有序地贯穿于混凝土内部并连接内部各组晶相，使混凝土内部结合更紧密，混凝土的抗渗性得以改善；抗裂剂掺量达到每立方1.5 kg时，纤维与粉体在混凝土中分散性下降，不利于混凝土内部结构的优化。

双模定位模块输出的数据包根据帧头区分主要有3种数据类型：GN、GP和BD，分别代表双模模式、GPS模式和北斗模式定位数据。本系统为了提高定位精度采用双模定位模式，因此定位数据和定位时间等定位信息通过解析$GNRMC数据获得，运动速度、航向等导航信息通过解析$GNVTA信息获得。定位信息通过通信网关发送至监测平台[8]，然后在监测中心通过调用百度地图API实现对集装箱位置的实时监测，通过记录集装箱运行的每个位置点可以绘制整个运行轨迹，实现对集装箱实时位置和历史运行轨迹的监管查询。

表4 混凝土抗渗试验结果Tab.4 Test results of concrete impermeability

2.5 干缩性

图3为混凝土样品K，K及K干缩变形与龄期的关系。图3表明：混凝土的干缩规律发展正常，抗裂剂能有效降低混凝土干缩变形收缩率，加入抗裂剂的混凝土早龄期干缩变形收缩率有所降低，但下降较少；14 d后，K收缩率大幅度下降，28 d时K同比K降低34%，90 d 时降低30%，K收缩率相对于K有所减少，但效果不如K明显。主要原因是抗裂剂中的粉体能均匀分散于混凝土内部，填充内部裂缝，改善内部微观缺陷，使混凝土结构更密实；抗裂剂中的纤维贯穿于混凝土内部，起到桥接作用，进一步提高混凝土内部结合力。早龄期水泥及粉煤灰未充分水化，粉体的填充效应与纤维的桥接作用未能充分表现。14 d后，随着水化的进一步发展，水化产物增多，粉体、纤维与水化产物间的相互作用增强。当混凝土发生干缩变形时，粉体与纤维能有效抑制混凝土内部结晶体的位移，延缓裂缝产生时间，提高混凝土的韧性，从而有效降低混凝土干缩变形的收缩率。当掺量超过1.0 kg时，粉体及纤维在混凝土中的分散性下降，不利于内部结构优化，同时易引起应力集中，导致混凝土性能下降。

图3 混凝土干缩变形收缩率Fig.3 Shrinkage of concrete

2.6 微观结构

试样K，K及K的SEM形貌如图4。

图4 不同抗裂剂掺量混凝土的SEM图谱Fig.4 SEM patterns of concrete with different anti-cracking agent admixtures

由图4可看出：基准组K基体中仍存在未水化的水泥熟料，表面覆盖一层水化产物膜，各组晶相间较松散，搭接不够紧密，内部存在部分微细裂缝，基体内部整体结构不够完整；加入抗裂剂后，K组基体的水化产物形状更规则，水化产物间胶结更紧密，没有松散的片状晶体结构，基体表面光滑平整，水化更完全，强度更高；抗裂剂中的纤维有序贯穿于基体内部且表面较完整光滑，纤维虽未参与水泥的水化过程，但起到桥接作用，连接基体内部各组晶相，微细裂缝明显降低，既提高了构件的密实度，同时减少了基体内部的应力缺陷，提高了硬化浆体的强度；同时，抗裂剂中的粉体和水泥水化产物互相包覆交错分布，内部结构更致密，基体中孔洞的数量和裂缝显著降低甚至消失。因此，在宏观性能表征中，加入抗裂剂可提升混凝土的各项性能，印证了混凝土宏观性能变化规律。

由图4 还可看出：K组基体内部的微观裂缝及孔洞数量比K少，水泥水化较完全，纤维穿插于基体内部，粉体填充到基体孔隙中，提高了基体密实度，但其整体结构不如K紧密平整；K组基体由于粉体与纤维掺量过多引起了应力集中，纤维表面已遭到不同程度破坏，不如K中纤维平整光滑。因此，K混凝土样品的抗裂防渗综合性能提升效果不如K明显。

3 结论

将多种活性粉体及高分散纤维复配制成抗裂剂掺入混凝土中，研究抗裂剂对混凝土抗裂防渗综合性能的影响，得出如下主要结论：

1)加入抗裂剂的混凝土坍落度降低、泌水率减小，但均在正常范围内；每立方米混凝土加入不超过1.5 kg的抗裂剂时，混凝土和易性良好。

2)抗裂剂能有效改善混凝土的力学强度和抗渗性，每立方米混凝土加入1.0 kg抗裂剂时抗压强度、劈裂抗拉强度、轴向抗拉强度的提升效果最好，平均渗水高度下降65%；掺量达1.5 kg时，力学强度及抗渗性改善效果下降。

3)抗裂剂能有效抑制混凝土的干缩、早期开裂。每立方米混凝土加入1.0 kg抗裂剂早期裂缝降低率达85%，28 d干缩变形收缩率降低34%，90 d降低30%；掺量达1.5 kg时，裂缝控制效果下降。

4)抗裂剂通过粉体的填充效应与纤维的桥接作用改善混凝土性能，其自身不参与水泥水化反应，但促进水泥水化；抗裂剂掺量过大引起应力集中，致使混凝土性能提升效果减弱。