HF- QF 膨胀纤维抗裂防水剂对混凝土劈裂抗拉性能的影响研究

曹亚西，李宗霖

（中交路桥北方工程有限公司，北京）

引言

随着城市对综合性、多功能化建筑需求的不断提高，大型公共建筑越来越多，大面积混凝土随之增多，其开裂问题成为亟待解决的关键技术问题。工程中很多案例由于环境温度和混凝土材料的收缩徐变等因素使结构产生裂缝，对结构的安全性、耐久性造成严重影响[1]。在完成项目的施工后，受到多种因素的影响混凝土很容易在使用的过程中产生裂缝，一旦出现了裂缝不但会影响混凝土的性能，还会使得建筑的使用价值受到影响，提升各种意外事故发生的概率。并且如果后续混凝土使用的过程中未能保证混凝土的防水能力将会导致外部的水分逐步的渗入混凝土中，而水的渗入会使混凝土产生溶蚀，随着时间的延长，混凝土材料的力学性能和微观结构均趋于变差，劈裂抗拉强度对溶蚀最为敏感[2-4]。

抗裂防水剂在混凝土硬化过程中发挥了重要作用，通过抗裂防水剂的应用能够有效地混凝土硬化过程中很容易出现的干缩和冷缩现象，并且减少混凝土中的应力。同时抗裂防水剂中含有膨胀纤维，使用这种抗裂防水剂时可以促使膨胀纤维在混凝土中实现均匀分布，从而有效地分散了混凝土中的定向应力。而且抗裂防水剂中蕴含的膨胀纤维具有一定的强度，因此它们可以在混凝土中起到锚固作用，有助于减轻混凝土在塑性收缩阶段产生的应力。而且通过抗裂防水剂中蕴含的膨胀纤维还能够阻碍骨料的分离，确保混凝土在凝固硬化的早期阶段具有均匀的泌水性，避免混凝土开裂。总之，抗裂防水剂在混凝土工程中具有重要作用，不仅可以改善混凝土的性能，还可以延长其使用寿命。通过综合应用多元化的手段，有效提高了混凝土结构的耐久性，减少了维护和修复的需要，从而延长了混凝土结构的寿命。

综上所述，为解决混凝土开裂及渗漏侵蚀问题，本文向混凝土基材里面掺入HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂，研究其对C35 普通混凝土的劈裂抗拉强度的影响，并通过劈裂抗拉破坏形态、轴心抗压强度、弹性模量和劈裂抗拉应力- 应变曲线揭示HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂的作用效果。

1 试验部分

1.1 试验原材料

HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂：购自湖南省恒发建材有限公司，其主要成分包括硫铝酸盐、氧化钙、碳酸钙、石膏以及聚丙烯纤维等物质，根据GB/T 23439-2017混凝土膨胀剂对HF-QF 膨胀纤维抗裂混凝土进行检验，试验结果见表1。

表1 HF-QF 膨胀纤维抗裂防水混凝土的基本性能凝结时间

水泥：P·O 42.5 级普通酸盐水泥。砂：机制砂，细度模数2.8。碎石：5～26.5 mm 连续集配碎石。减水剂：LZ-J2 聚羧酸高性能减水剂，减水率为25%～27%，购自贵州省筑城恒创建设工程有限公司。粉煤灰：200 目二级粉煤灰，购自河南省郑州市巩义市北山口工业园区。石粉：石灰石粉末，主要成分碳酸钙（CaCO3）的含量大于99%，购自天津市致远化学试剂有限公司。

1.2 混凝土配合比

以C35 混凝土为基体，通过添加HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂，HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂的掺量依次为0、14 Kg/m3、22 Kg/m3、30 Kg/m3、38 Kg/m3和46 Kg/m3，研究使用HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂对普通混凝土的劈裂抗拉强度产生的影响。C35 普通混凝土的配合比见表2。

表2 C35 普通混凝土配合比

1.3 试验方法

按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）制作混凝土的标准试件，尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，三个试件为一组，分别将其置于电液伺服万能试验机下压板的中心位置，并在上、下压板与试件之间放置10 mm厚的垫条，垫条要放置在试件中心且与升降台垂直，进行混凝土的劈裂抗拉强度的测试，加载速度为1 KN/s。混凝土的轴心抗压强度和弹性模量均按GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行，试件尺寸为150 mm×150 mm×300 mm。试验装置如图1 所示。

图1 试验装置

2 试验结果分析

2.1 劈裂抗拉强度

劈裂抗拉试验是检测混凝土抗拉性能的重要实验，通过劈裂抗拉试验可以评估混凝土在受拉应力下的承载能力，故而劈裂抗拉试验在建筑工程和材料研究中具有重要的应用价值。图2 给出HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂掺量对混凝土劈裂抗拉强度的影响规律。由图可得，随着HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂掺量的增加，劈裂抗拉强度先降低后增加后缓缓下降，当其掺量为30 Kg/m3时，劈裂抗拉强度达到最大值，为3.546 MPa。当HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂掺量超过30 Kg/m3时，混凝土的劈裂抗拉强度高于空白组，掺量为30 Kg/m3、38 Kg/m3和46 Kg/m3时分别增加了35.50%、19.11%和16.51%。劈裂抗拉强度发生增加主要是因为HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂的主要成分为硫铝酸盐、石膏和聚丙烯纤维等，硫铝酸盐与石膏反应时会产生AFt 晶体和C-S-H 凝胶，同时使得AFt晶体和C-S-H 凝胶填充在混凝土结构中的空隙中，使得混凝土的劈裂抗拉强度增加；当掺量过多时，混凝土中生成的AFt 晶体越来越多，AFt 晶体具有膨胀作用，在其生长的过程中会产生膨胀应力，且HF-QF膨胀纤维抗裂防水剂中含有聚丙烯纤维，掺量过多，由于纤维容易相互缠绕，进而使得在使用HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂制作的混凝土，其内部存在着初始缺陷，从而导致通过这种方式制作出的混凝土的劈裂抗拉强度下降，无法完全满足实际使用需求。

图2 膨胀纤维抗裂防水剂对混凝土劈裂抗拉强度的影响

2.2 破坏形态

图3 给出HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂对混凝土劈拉破坏形态的影响。（b）图可以看出，普通混凝土为中心破坏，HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂混凝土为中心开裂破坏并伴随局部破坏。普通混凝土在破坏前首先出现一条贯穿主裂缝，随着荷载的慢慢增加，裂缝不断扩展延伸，当达到极限荷载时，试件破坏为两个均匀的部分；当掺加HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂后，混凝土呈现局部破坏的形态，即在加载的过程中，试件先出现一条主裂缝，并且在主裂缝的周围伴随由细小的裂缝，混凝土会沿中心开裂破坏并伴随垫条处的局部破坏的现象。

图3 不同混凝土的破坏形态

2.3 应力- 应变曲线

现选取掺量为30 Kg/m3的HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂得到的C35 混凝土，进行轴心抗压强度和弹性模量的测试，试验结果如表3 所示。由表可知，HF-QF膨胀纤维抗裂混凝土的轴心抗压强度和弹性模量分别为29.154 MPa 和36.629 MPa。

表3 HF-QF 膨胀纤维抗裂混凝土的轴心抗压强度和弹性模量

图4 为混凝土实测劈裂抗拉应力- 应变曲线。根据曲线图可以看出，通过在混凝土中添加适量的HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂，能有效提高混凝土的劈拉强度，提升混凝土的应用价值。而且劈裂抗拉试验过程中所形成的应力- 应变曲线通常可分为上升和下降两个阶段。在试件受力初期，应力和应变呈线性增长，这表示混凝土的强度在这个阶段随着荷载的增加而增强。然而，当荷载加载至峰值以后，试件因开裂失去承载能力，空白组的C35 混凝土呈直线下降，掺加HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂的混凝土先急剧下降后缓缓下降，这表明掺加HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂后虽未改变混凝土脆性破坏的特点，但脆性破坏有所缓和，主要是因为HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂含有聚丙烯纤维能增强混凝土的整体性，但是由于纤维长度较短，无法完全改变其脆性破坏的特点[5]。

图4 劈裂抗拉应力- 应变曲线

3 结论

C35 普通混凝土的劈裂抗拉强度随HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂掺量的增加先降低后增加最后降低，当其掺量为30 Kg/m3时，劈裂抗拉强度达到最大值，为3.546 MPa，较空白组增加了35.50%。

C35 普通混凝土的破坏形式为中心开裂破坏，掺加HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂的混凝土破坏形式为中心开裂伴随局部破坏。

掺加30 Kg/m3HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂的C35 普通混凝土的轴心抗压强度和弹性模量分别为29.154 MPa 和36.629 MPa。

本文通过研究HF-QF 膨胀纤维抗裂防水剂的掺入对C35 普通混凝土劈裂抗拉强度的影响，分析总结出了劈裂抗拉破坏形态、轴心抗压强度、弹性模量以及劈裂抗拉应力- 应变曲线等关键研究成果，这些研究成果对于改善混凝土结构的性能和耐久性解决混凝土开裂及渗漏侵蚀问题起到了关键作用。