抗裂硅质防水剂对水工混凝土性能的影响.pdf

晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂0引言水工混凝土开裂的最大原因是温度1-2，温度主要来源于胶凝材料水化产生的水化热，故合理选择原材料并优化配合比是从源头上减小大体积混凝土结构的温降收缩和自收缩、抑制结构混凝土开裂的措施之一3。在原材料选择与配合比优化方面采用水化热低的水泥品种、降低水泥用量、严格控制砂石骨料的含泥量和级配、掺加粉煤灰等技术已取得一定应用效果4-5，但仅采用这些措施抑制混凝土的开裂还不够。掺抗裂硅质防水剂也是解决混凝土抗裂防渗有效且方便的方法，作为一种新型防水剂，其主要由高分子有机化合物与多种无机化合物经过一系列物理化学反应制成，成分中含有大量的天然沸石。在混凝土中掺入抗裂硅质防水剂后，其与水泥反应会在内部产生微膨胀，在钢筋和邻位约束下，可在钢筋混凝土结构中建立一定的预压应力，抵消混凝土在硬化过程中产生的收缩拉应力，减小水泥水化而产生的温度应力，降低裂缝产生的风险，达到抗裂目的。其抗渗机理是防水剂在参与水泥水化的同时与水泥中的氢氧化钙发生皂化反应，生成 1 层不溶于水的胶凝材料，有效减小内部孔隙率，阻止外部的水分迁移至混凝土内部，从而提高混凝土抗渗性6-7及结构耐久性，且对环境无不利影响。鉴于抗裂硅质防水剂在实际工程中的应用研究还不够基金项目：水利部重大科技项目（SKS-2022107）收稿日期：2023-05-13作者简介：林海松，男，1966 年生，高级工程师，E-mail：。通讯作者：陈建国，教授级高级工程师，E-mail：。抗裂硅质防水剂对水工混凝土性能的影响林海松1，黄卓杰2，3，王训怀4，韩伟栋4，陈建国2，3（1.南宁交通投资集团有限责任公司，广西 南宁530000；2.广西壮族自治区水利科学研究院，广西 南宁530000；3.广西水工程材料与结构重点实验室，广西 南宁530000；4.河海大学，江苏 南京210000）摘要：为减少水工混凝土的开裂，研究了抗裂硅质防水剂对混凝土力学性能、热学性能、抗渗、抗裂和微观结构的影响。结果表明，5%掺量的抗裂硅质防水剂使混凝土 28 d 抗压强度提高了 3.6%，90 d 劈裂抗拉强度高了 8.7%，14 d 温升值降低了 12.3%，抗渗等级从 W6 提升到 W12，抗裂等级从郁级提升到玉级，裂缝数量和宽度显著降低。抗裂硅质防水剂有利于提高混凝土的力学、热学、抗渗和抗裂性能。关键词：硅质防水剂；水工混凝土；力学性能；热学性能；防渗抗裂中图分类号：TU57+2文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）09-0001-04Effect of crack resistant silicone waterproof agent on properties of hydraulic concreteLIN Haisong1，HUANG Zhuojie2，3，WANG Xunhuai4，HAN Weidong4，CHEN Jianguo2，3（1.Nanning Communications Investment Group Co.Ltd.，Nanning 530000，China；2.Guangxi Research Institute of Water Resources，Nanning 530000，China；3.Guangxi Key Laboratory of Water Engineering Materials and Structures，Nanning 530000，China；4.Hohai University，Nanjing 210000，China）Abstract：To minimize the crack of hydraulic concrete，the effects of crack resistant silicone waterproof agent on the mechani原cal properties，thermal properties，impermeability，crack resistance，and microstructure of concrete were studied.The results showedthat the compressive strength increased by 3.6%at 28 days，the splitting tensile strength increased by 8.7%at 90 days，the temper原ature rise decreased by 12.3%at 14 d，the impermeability level increased from W6 to W12，the crack resistance level increasedfrom 郁 to 玉，and the number and width of cracks significantly decreased.Crack resistant silicone waterproof agent is beneficialfor improving the mechanical，thermal，impermeable，and crack resistance properties of concrete.Key words：crack resistant silicone waterproof agent，hydraulic concrete，mechanicalproperties，thermal properties，anti seepageand anti-cracking中国科技核心期刊1新型建筑材料圆园23援09系统和深入，本文开展了掺 5%抗裂硅质防水剂在水工混凝土中的应用研究，分析抗裂硅质防水剂的掺入对混凝土性能的影响。重点研究了其对混凝土防渗抗裂性能的影响，为抗裂硅质防水剂在水利工程中的推广应用提供参考。1试验1.1试验材料水泥：P MH42.5 中热硅酸盐水泥，密度 3110 kg/m3，广西鱼峰水泥股份有限公司；细骨料：硅质岩人工砂，细度模数3.6，表观密度 2700 kg/m3，堆积密度 1510 kg/m3，柳州洋溪石料场；粗骨料：白云岩块石，粒径范围 5耀40 mm，柳州鱼峰水泥厂崖石料厂；粉煤灰：域级，密度 2130 kg/m3，广西桂林国能永福发电有限公司；减水剂：PCA-郁缓凝型聚羧酸减缩抗裂高性能减水剂，江苏苏博特新材料股份有限公司；抗裂硅质防水剂：JX-芋W 型，金华欣生沸石开发有限公司。水泥和抗裂硅质防水剂的主要化学成分见表 1，抗裂硅质防水剂的扫描电镜照片见图 1，实际使用效果见图 2。表 1水泥和抗裂硅质防水剂的主要化学成分%图 1抗裂硅质防水剂的 SEM 照片图 2抗裂硅质防水剂的实际使用效果1.2配合比设计本次试验设定目标水胶比为 0.45，骨料级配采用二级配，空隙率为 33%，二级配石子粒径分别为 520、2040 mm，质量比为 m（小石）颐m（中石）=40颐60，水泥使用中热水泥，粉煤灰占胶凝材料的 30%。抗裂硅质防水剂掺量为胶凝材料质量的0、5%，减水剂掺量为胶凝材料质量 1%，试验配比如表 2所示。表 2混凝土配合比设计kg/m31.3试验方法混凝土立方体抗压强度与劈裂抗拉强度参照 SL/T 3522020 水工混凝土试验规程 进行测试，其试件尺寸为 150mm伊150 mm伊150 mm，混凝土试件成型后在标准养护室中养护 24h 拆模，测试试件 7、28、90 d 的抗压强度和 7、14 d 的劈裂抗拉强度。混凝土绝热温升试验根据 SD 10582 水工混凝试验规程 要求，采用 HJW-3 型混凝土绝热温升测定仪测试1、3、7、14 d 的绝热温升值。混凝土早期开裂使用 600 mm伊600 mm伊63 mm 的试模进行试验，在成型时筛除粒径大于 20mm 的骨料，振捣成型后将表面刮平，放入温度为（20依2）益，相对湿度为（60依5）%的养护室进行养护。在成型 0.5 h 后，在试件上方放入风扇，风速为（5依0.5）m/s，使风向平行于试件表面，在终凝 24 h 左右开始根据试件的情况记录数据。SEM 微观试验，按照操作流程观察 28 d 水化反应程度，分析微观结构与宏观性能之间的关系，试验所用仪器为日立高新技术公司生产的 Hitachi Su1510 型扫描电子显微镜。2试验结果与分析2.1混凝土的力学性能（见图 3）由图 3（a）可以看出，5%掺量的抗裂硅质防水剂能够一定程度的提高混凝土的抗压强度。H-5 组 7 d 时抗压强度提高速率最快，28 d 抗压强度比H-0 提高 3.6%，达到 40.1 MPa，SiO2CaO Al2O3MgO P2O5MnO Na2O K2O Fe2O3R2O21.34 63.04 5.961.85-0.110.575.530.6168.40 4.70 13.00 0.600.02 0.061.280.800.85-项目水泥防水剂编号水泥粉煤灰水砂碎石减水剂防水剂H-02189314089610953.110H-52189314089610953.1115.55林海松，等：抗裂硅质防水剂对水工混凝土性能的影响2晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂图 3混凝土的强度符合工程 C30 的设计要求。90 d 后 H-5 组与 H-0 组的抗压强度相差不大。这是由于抗裂硅质防水剂中大量的活性硅和活性铝能够参与胶凝材料的水化反应并生成额外的水化产物。相较于 H-0 组，加入了抗裂硅质减水剂后混凝土内部浆骨界面区更加密实，从而提高抗压强度。由图 3（b）可以看出，掺 5%抗裂硅质防水剂后劈裂抗拉强度较 H-0 组有不同程度的提高，H-5 组的 7、28、90 d 劈裂抗拉强度分别为 2.0、2.9、5.0 MPa。由于抗裂硅质防水剂的掺入，防水剂中含有的少量纤维状高分子聚合物不仅可以形成1 层粘结能力较强的“膜”来有效粘结混凝土内部的骨料与浆体，还能进一步提高混凝土的强度。2.2混凝土的绝热温升（见图 4）图 4混凝土的绝热温升由图 4 可以看出，在绝热条件下，H-0 组温升从 1 d 的13.4 益上升到 14 d 的 32.5 益，掺 5%抗裂硅质防水剂的 H-5组温升从 1 d 的 11.8 益上升到 14 d 的 28.5 益，相比于 H-0 组降低了 12.3%。2 组均在 7 d 前温升值上升的速度很快，几乎呈线性增长，尤其是 3 d 时增速达到最大，而 7 d 后温度上升的很缓慢，几乎保持平衡。说明在结构处于散热条件下时，水化放热速率的降低和放热过程的延长，为大体积混凝土散热赢得时间，降低混凝土结构内的温升以及混凝土开裂的风险。2.3抗裂性能图 5 为不同掺量抗裂硅质防水剂的混凝土平板裂缝照片，不同掺量抗裂硅质防水剂混凝土板的抗裂性能见表 3。图 5不同掺量抗裂硅质防水剂的混凝土平板裂缝照片表 3不同掺量抗裂硅质防水剂的混凝土平板裂缝数据由图 5（a）可见，不掺抗裂硅质防水剂的混凝土平板上共有 10 条清晰的裂缝，裂缝总长度为 54 cm，宽度都在 1.19 mm左右。从这 10 条裂缝可以看出，离边缘越近裂缝的宽度越宽，离边缘越远裂缝越小。由图 5（b）可见，掺 5%抗裂硅质防水剂的混凝土平板表面光滑，无裂缝产生。结合表 3 的数据可以看出，在掺入抗裂硅质防水剂后，混凝土平板未见裂缝产生，且抗裂等级也从原来的郁级提升到玉级，极大地提高了混凝土的抗裂性能。2.4抗渗性能为了进一步探究抗裂硅质防水剂对混凝土抗渗的影响，进行了抗渗性能试验。图 6 是试件劈开后的渗水情况，28 d 抗渗性能试验结果见表 4。图 6混凝土的渗透高度表 428 d 混凝土抗渗性能试验结果编号渗水高度/cm相对渗透系数/（伊10-6cm/h）抗渗等级H-010.49.71W6H-53.54.20W12编号每条裂缝的平均开裂面积/（mm2/条）单位面积的裂缝数/（条/m2）单位面积的总开裂面积/（mm2/m2）抗裂等级H-01115705郁H-5000玉林海松，等：抗裂硅质防水剂对水工混凝土性能的影响3新型建筑材料圆园23援09由表 4 可以看出，掺 5%抗裂硅质防水剂后渗透高度降低到了 3.5 cm，渗透系数也从 9.71伊10-6cm/h 下降到了 4.20伊10-6cm/h，但抗渗等级从 W6 提高到了 W12。沸石经活化改性处理后，具有较高的反应活性，能改善水泥拌合物的均匀性、和易性，促进水泥水化并形成憎水性吸附层和憎水性胶体物质，堵塞水泥凝胶毛细孔缝，改善微结构，使基材由内至外产生优良的憎水性8。2.5SEM 分析不掺和掺 5%抗裂硅质防水剂混凝土 28 d 的 SEM 照片如图 7、图 8 所示。图 7不掺抗裂硅质防水剂混凝土 28 d 的 SEM 照片图 8掺 5%抗裂硅质防水剂混凝土 28 d 的 SEM 照片由图 7 可以看出，不掺抗裂硅质防水剂的混凝土表面存在约为 20 滋m 的裂缝，且表面的结构不够致密，可以看到大量的硅酸钙和钙矾石晶体，还有少量的片状 Ca（OH）2晶体，钙矾石向孔隙中辐射生长，有的钙矾石相互交织成网状，水化产物主要分布在未水化颗粒的表面。裂缝处只能看到少许的水化产物，并未填充混凝土的孔洞与空隙，这些裂缝会形成原始裂缝导致混凝土开裂。由图 8 可以看出，随着抗裂硅质防水剂的掺入，混凝土表面结构显得更加致密，图 8（a）中虽然还能看到少量裂缝，这可能是由于反应还在继续；由图 8（b）的放大图可以看出，裂缝中充满着针状水化产物钙矾石和水镁石，可提高混凝土的抗裂性能。这是由于沸石中含有丰富的 SiO2和 Al2O3以及少量的 MgO，能与水泥水化产生的 Ca（OH）2以及 CaSO4进行连续均匀的水化反应，生成具有早期强度高、致密、微膨胀性的双膨胀钙矾石和水镁石，起到补偿收缩、减少裂缝的作用。3结论（1）掺 5%抗裂硅质防水剂的混凝土 28 d 抗压强度为40.1 MPa，达到了工程 C30 的设计要求。劈裂抗拉强度也达到了 2.9 MPa，空白组提高了 0.2 MPa。（2）抗裂硅质防水剂能够降低混凝土的绝热温升。在绝热条件下，不掺抗裂硅质防水剂 14 d 温升达到 32.5 益，掺 5%抗裂硅质防水剂温 14 d 的温升达到28.5 益，相比于基准组降低了 12.3%。在 7 d 前温升上升的速度很快，几乎呈现线性增长，而 7 d 后温度上升的很缓慢，几乎保持平衡。说明抗裂硅质防水剂的加入能够降低混凝土的温升值。（3）抗裂硅质防水剂可显著提高混凝土的抗裂性能，掺入5%抗裂硅质防水剂的混凝土表面光滑，无裂缝产生，抗裂等级从原来的郁级提升到玉级，显著提高了混凝土的抗裂性能。（4）抗裂硅质防水剂可以提高混凝土的抗渗性能。随着防水剂掺量的增加渗透高度逐渐的降低，相对渗透系数也逐渐减小，抗渗等级从 W6 提高到 W12。参考文献：1周恩利.洋溪水利枢纽二期水围堰设计J.广西水利水电，2020（3）：45-47.2左俊卿，房霆宸，陈逸群，等.混凝土收缩开裂性能控制研究J.建筑施工，2021，43（6）：1150-1152，1162.3周月霞，王海龙，程福星.混凝土收缩开裂机理及测试方法综述J.材料导报，2023（S1）：1-10.4张心斌，Simon Chen，程大业，等.大体积混凝土裂缝控制J.工业建筑，2010（1）：1-4.5庞晓鑫.抗裂硅质防水剂在大体积混凝土中的应用J.四川建材，2021，47（11）：20-21.6陈土兴.欣生 JX 抗裂硅质防水剂的性能与应用C/中国硅酸盐学会防水材料专业委员会.全国第九次防水材料技术交流大会.厦门：2007.7王宁宁，刘明，何宏荣，等.掺抗裂硅质防水剂的大体积混凝土耐久性试验研究J.硅酸盐通报，2016，35（8）：2629-2634.8邹漩.防水施工技术在地下轨道交通车站中的应用J.建筑技术开发，2019，46（21）：86-87.蒉林海松，等：抗裂硅质防水剂对水工混凝土性能的影响4