渗透结晶材料对水工混凝土性能影响的试验研究

贺晶晶，周 恒，狄圣杰，胡 炜，卢浩丹

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

混凝土材料属于典型的非均质材料，内部存在大量微观裂缝与孔隙等缺陷，这些微观缺陷不但会影响混凝土力学性能，而且在有害环境下会贯通、扩散，发展成宏观裂缝，最终会导致混凝土耐久性能降低[1-2]。因此，如何改善混凝土内部缺陷是提升其耐久性能的关键，也是混凝土技术研究的重要课题。

渗透结晶型材料(CCCW，即Cementitious Calillary Crystalline Waterproofing Material)属于一种防水材料，具有防水性能优、无毒无害等优点而被广泛应用于房屋建筑、地铁、大坝等工程[3-4]。利用渗透结晶材料作为涂刷防水作用的工程应用较多，而将渗透结晶材料内掺在混凝土中的研究及工程应用相对较少。目前，针对渗透结晶型混凝土的研究主要集中在力学与耐久性能及其机理方面，如，任广毅等[5]通过试验研究了掺量为1%、2%、3%水泥基渗透结晶型混凝土早期力学性能变化规律。结果表明：渗透结晶材料掺量为2%时对3 d混凝土抗压强度具有一定增强作用，各个掺量对28 d混凝土抗压强度有一定程度提升，最佳掺量为1%。 Estefanía等[6]针对渗透结晶型混凝土的裂缝自愈合性能开展了系列研究获知：渗透结晶混凝土在水养护修复裂缝能力方面较为显著，结晶混合物对裂缝具有反复愈合作用，可大幅度提升混凝土耐久性。李冰等[7-8]分析了内掺不同比例渗透结晶型材料对混凝土长期力学性能与裂缝自愈合性能的研究，结果表明：渗透结晶掺量为1%，对混凝土长期力学性能、抗渗性能与自愈合性能有显著改善作用。张民庆等[9]以内掺的方式研究了渗透结晶对隧道衬砌混凝土裂缝愈合性能的影响，结果表明渗透结晶可以实现衬砌裂缝的自动愈合防水功能，渗透结晶掺量宜为水泥用量的1%～1.5%。尚晓华等[10-11]的研究结果表明：高温灼烧混凝土表面涂刷渗透结晶后,其强度均有不同程度的提高，通过渗透结晶作用生成不溶性结晶体填充在混凝土内部微裂缝中，提高混凝土抵抗外界有害物质侵蚀的能力。郭宁林等[12-13]探究了内掺型渗透结晶型混凝土在特殊环境中的性能变化规律，结果表明：内掺型渗透结晶混凝土具有较强的抗硫酸铵腐蚀性能和裂缝自愈合性能，内掺型渗透结晶材料对混凝土裂缝自愈合及抗渗性能改善最佳掺量均为1%。Hu等[14]对渗透结晶在水泥基材料中的作用机理、渗透结晶对混凝土性能的影响、渗透结晶裂缝修补效果的评价方法及成本分析等方面进行了深入的综述，指出了当前渗透结晶材料的发展趋势，认为现有的渗透结晶改善混凝土性能评价方法在反映裂纹修复效果方面仍存在一定局限性。叶永丰[15]分析了不同浓度渗透结晶对防水混凝土抗渗性能影响，结果表明：当防水剂浓度在0%～3%之间时，混凝土防渗性能随浓度增加而提高，3%以上浓度的渗透结晶型防水剂在水泥砂浆内形成连续状的晶体膜结构，改善了混凝土孔隙结构。李昕等[16]针对渗透结晶砂浆的性能影响因素展开了试验研究，结果表明，随着粉煤灰或矿粉取代量增加，渗透结晶砂浆的抗压强度、强度恢复率及抗渗压力先增加后降低。

综上分析，渗透结晶材料可作为一种改善混凝土耐久性的掺合料，然而，目前的研究主要以普通混凝土为基准展开的，针对以水工混凝土为基准的研究未见报道，而渗透结晶材料修复裂缝的机理是其与水反应产生的结晶体填充混凝土内部裂缝及空隙，因此，渗透结晶材料是水工混凝土裂缝修复较为理想的掺合剂，研究渗透结晶材料对水工混凝土性能影响对其工程应用具有重要意义；为此，本文依托于阜康水电站面板工程配合比项目，水工混凝土的设计等级C30W12F200，针对不同掺量渗透结晶材料的水工混凝土力学性能及耐久性进行试验研究，分析渗透结晶材料对水工混凝土性能的影响规律，研究结论拟为渗透结晶型水工混凝土工程应用提供依据。

1 试验概况

1.1 原材料试验

(1) 水泥。水泥是混凝土重要组成材料之一，其强度直接影响混凝土强度。本试验选用西安蓝田尧柏水泥有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其性能指标如表1。

表1 水泥物理力学性能指标

(2) 砂。细骨料采用天然河砂(2区砂)，依据《水工混凝土砂石骨料试验规程》[17](DL/T 5151—2014)对细骨料进行检测，检测结果见表2。

表2 细骨料物理力学性能指标

(3) 粗骨料。粗骨料采用人工碎石，粒径分别为5 mm～20 mm的小石和20 mm～40 mm的中石，依据《水工混凝土砂石骨料试验规程》[17](DL/T 5151—2014)对粗骨料进行检测，检测结果见表3。

(4) 纤维。通过不同纤维力学性能及经济指标对比，优选防锈镀铜钢纤维用于本次试验，体积掺加率为1.0%。其物理力学指标见表4。

(5) 渗透结晶。采用北京城荣防水材料有限公司生产的水泥基渗透结晶材料。渗透结晶及受检砂浆的物理力学指标见表5。其中，受检砂浆是以普通硅酸盐水泥、石英砂等为基材，掺入渗透结晶混配而成的粉末状材料。

表3 粗骨料物理力学性能指标

表4 纤维物理力学性能指标

表5 渗透结晶砂浆物理力学性能指标

1.2 混凝土配合比

水工混凝土的设计等级C30W12F200，其中二级配石子比例为中石∶小石=55∶45，减水剂掺量为1.5%，引气剂掺量为0.1%，砂率为36%。渗透结晶掺量分别为胶材用量的0%、0.6%、1.2%、1.8%、2.4%、3.0%。水工混凝土试验初选配合比见表6。

表6 混凝土初选配合比表

1.3 制备工艺

试件的制作与养护严格按照规范《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[18](GB/T 50082—2009)、《普通混凝土力学性能试验标准》[19](GB/T 50081—2019)中的规定进行试件制作。混凝土制备工艺如图1所示。

图1 混凝土的制备工艺

2 力学性能试验研究

2.1 抗压、劈拉强度

根据《水工混凝土试验规程》[20](DL/T 5150—2017)进行混凝土抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验，试件均为边长150 mm的标准立方体，将成型后的试件在标准条件下养护至28 d龄期进行试验。试验仪器为微机控制压力试验机。试验结果如图2、图3所示。

图2 抗压强度与渗透结晶材料掺量的关系

图3 劈拉强度与渗透结晶材料掺量的关系

由图2、图3可知，未掺渗透结晶混凝土的抗压强度、劈拉强度分别为40.9 MPa、2.11 MPa。掺入渗透结晶后水工混凝土的抗压强度在42 MPa～52 MPa之间，劈拉强度在1.9 MPa～2.6 MPa之间。渗透结晶掺量为1.2%时，抗压、劈拉强度均达到最大值，分别为51.8 MPa、2.6 MPa；与未掺渗透结晶的基准组相比，分别提高了26.7%、23.8%。由于渗透结晶的掺量最多只占胶凝材料的3%，而在混凝土中提供强度的主要是胶凝材料，且渗透结晶中活性物质反应生成的沉淀结晶强度远低于胶凝材料，所以掺入渗透结晶后混凝土强度增长处于一定范围内。

水工混凝土抗压强度、劈拉强度的涨幅均随渗透结晶掺量的增加表现为先增大后减小的趋势。这是由于渗透结晶中的活性化学物质在混凝土硬化过程中与水作用，形成不溶于水的结晶体，填充混凝土内部孔隙，从而使混凝土更加致密，提高了混凝土的力学性能。但渗透结晶掺量高于2.4%后，对混凝土的力学性能的提升作用不明显，这是由于混凝土内部孔隙、微裂缝数量有限，渗透结晶掺量较多时，一部分活性物质参与反应生成结晶沉淀，另一部分分散在混凝土内部处于休眠状态，形成部分孔隙，从而减缓混凝土的强度涨幅。

2.2 弹性模量与极限拉伸值

根据《水工混凝土试验规程》[20](DL/T 5150—2017)的规定进行水工混凝土的静压弹性模量试验、极限拉伸试验。混凝土弹性模量试验试样采用Φ150 mm×300 mm圆柱体，极限拉伸试验采用标准8字试样。将成型后的试件在标准条件下养护至28 d龄期进行试验。试验结果如图4、图5及图6所示。

图4 压缩弹性模量与渗透结晶材料掺量的关系

图5 拉伸弹性模量与渗透结晶材料掺量的关系

图6 极限拉伸值与渗透结晶材料掺量的关系

由图4—图6可知，不同渗透结晶掺量混凝土的压缩弹模在30.9 GPa～34.1 GPa之间，拉伸弹模略高于压缩弹模，在31.2 GPa～34.6 GPa之间。不同渗透结晶掺量混凝土的极限拉伸值在1.19×10-4～1.31×10-4之间。在掺入渗透结晶后，混凝土的压缩弹模、拉伸弹模及极限拉伸值均有一定程度地提高，且提高幅度均随渗透结晶掺量的增加呈先提高后减缓的趋势。当渗透结晶掺量为0.6%时，混凝土的压缩弹模、拉伸弹模及极限拉伸值均提高了10%左右。

3 耐久性能试验研究

3.1 抗渗性能

根据《水工混凝土试验规程》[20](DL/T 5150—2017)的规定进行水工混凝土抗渗性能试验。混凝土抗渗透试样采用上口直径175 mm、下口直径185 mm、高度为150 mm的截头圆锥体，将成型后的试件在标准条件下养护至28 d龄期进行试验。本次试验时，持续加压到最大水压力1.3 MPa并恒压8 h后，观察试件表面情况均无渗水，根据规范计算，各配合比混凝土的抗渗等级大于等于W12。试件劈开后，其平均渗水高度如图7所示。

图7 混凝土渗水高度与渗透结晶材料掺量的关系

由图7可知，劈开试件检测其平均渗水高度在26.1 mm～66.3 mm之间，均小于混凝土的抗渗试件高度。混凝土渗水高度随渗透结晶掺量的增加而降低，说明渗透结晶对混凝土抗渗性能有显著地提高作用。一方面是由于渗透结晶掺入混凝土后，在其内部和表面均有分散均匀的渗透结晶，表面的渗透结晶在养护过程中与水反应形成一层沉淀结晶，相当于表面涂了一层防水材料；另一方面是由于渗透水通过毛细管、微裂缝等渗透进混凝土内部时，渗透结晶中的活性化学物质与未完全水化的水泥胶凝体发生结晶、沉淀反应，生成稳定的结晶体，填塞毛细孔道，从而阻止更多的渗透水进入。

3.2 抗冻性能

混凝土的抗冻试验采用快冻法，以相对动弹模量降低至初始值(≥60%)和试件质量损失率(≤5%)来评定混凝土的抗冻等级。抗冻试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体，混凝土试件成型后养护28 d龄期。到达试验龄期前4 d，将试件在20℃±3℃的水中浸泡4 d后进行试验，对各配合比混凝土进行200次冻融循环试验。混凝土的抗冻试验结果如表7、图8、图9所示。

表7 水工混凝土抗冻试验结果

图8 混凝土质量损失率与渗透结晶材料掺量的关系

图9 混凝土相对动弹模与渗透结晶材料掺量的关系

由表7、图8、图9可知，渗透结晶的掺入有利于混凝土抗冻性能的提高，且随着冻融次数的增加，渗透结晶掺量对混凝土抗冻性能的影响越发显著。混凝土的质量损失率随渗透结晶掺量的增加而降低，当渗透结晶掺量为3.0%时，冻融200次后混凝土的质量损失率仅为1.45%。混凝土的相对动弹模随渗透结晶掺量的增加而提高，当渗透结晶掺量为3.0%时，冻融200次后混凝土的相对动弹模仅降低了6%。由于掺入渗透结晶后混凝土的抗渗性能提高显著，冻融过程中，混凝土表面和内部的沉淀结晶使水不易进入混凝土内部，所以混凝土的抗冻性能也有明显地提高。

综上所述，当渗透结晶掺量为1.2%，水工混凝土的力学性能、耐久性能均表现较好。本研究成果可为渗透结晶型混凝土配合比设计及工程应用提供参考。

4 结 论

(1) 抗压、劈拉强度的涨幅均随渗透结晶掺量的增加表现为先增大后减缓的趋势，与未掺渗透结晶的基准组相比，渗透结晶掺量为1.2%时的混凝土抗压、劈拉强度分别提高了26.7%、23.8%，但渗透结晶掺量高于2.4%后，对混凝土的力学性能的提升作用不明显。

(2) 掺入渗透结晶后，混凝土的压缩弹模、拉伸弹模及极限拉伸值均有一定程度地提高，且均随渗透结晶掺量的增加呈先提高后降低的趋势。当渗透结晶掺量为0.6%时，混凝土的压缩弹模、拉伸弹模及极限拉伸值均提高了10%左右。

(3) 渗透结晶的掺入有利于混凝土耐久性能的提高，混凝土的渗水高度随渗透结晶掺量的增加而降低，混凝土的质量损失率随渗透结晶掺量的增加而降低，相对动弹模随渗透结晶掺量的增加而提高。

(4) 当渗透结晶掺量为1.2%，水工混凝土的力学性能、耐久性能均表现较好。