抗裂剂对低胶材自密实混凝土性能影响的试验研究

饶志刚，温金保，祝烨然，夏强，唐修生，杜志芹，刘兴荣

（1.常州市港航事业发展中心，江苏 常州 213000；
2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；
3.南京瑞迪高新技术有限公司，江苏 南京 210024；
4.水利部水工新材料工程技术研究中心，江苏 南京 210024）

随着现代混凝土技术的快速发展，混凝土结构物的服役寿命越来越受到重视，而结构物的服役年限不仅与混凝土的力学性能相关，同时与混凝土的工作性、体积稳定性、耐久性等诸多因素有着密切的相关性。其中新拌混凝土优异的工作性不仅为混凝土的浇筑提供了保障，而且改善了混凝土内部结构的均匀分散性，使硬化混凝土结构更加致密，显著提高了混凝土的抗化学侵蚀性能，从而保证了混凝土的长期耐久性能。由此可见，新拌混凝土没有良好的工作性就不可能有良好的耐久性[1]。自密实混凝土（SCC）是一种高流态、高粘聚且免振捣的新型混凝土，混凝土拌合物具有高流动性与高抗离析性以及施工速度快等诸多优点。目前，自密实混凝土因其性能优异已成为国内外专家广泛关注和深入研究的焦点[2-3]，并在相关领域得到了应用[4-5]。相对于普通混凝土，自密实混凝土材料组成比例不同，通常为胶凝材料用量高、砂率高、砂浆体积量富裕、减水剂掺量高[6]。可见，自密实混凝土将表现出不同的收缩变形性能[7-8]。有研究表明，混凝土80%的裂缝与化学收缩、温降收缩、干燥收缩、徐变等因素有关[9-10]。而掺用抗裂材料[11-12]是控制混凝土裂缝的常用方法。本文就低胶材自密实混凝土掺入抗裂剂后的性能影响进行了试验探讨，为低胶材自密实混凝土的应用与推广提供一定的参考依据。

1.1 原材料

水泥：池州海螺P·O42.5水泥，密度3.06 g/cm3，标准稠度用水量26.0%，初凝、终凝时间分别为125、185 min，28 d抗压强度43.8 MPa；
粉煤灰：常州利电Ⅰ级灰，密度2.25 g/cm3，细度7.1%，需水量比94%，烧失量1.4%，28 d活性指数为86.7%；
矿粉：梅宝S95级，密度2.80 g/cm3，流动度比110%，28 d活性指数104%。胶凝材料的化学组成如表1所示。细骨料：洞庭湖砂，表观密度2.64 g/cm3，细度模数2.6，含泥量2.7%；
粗骨料：5～20 mm连续级配碎石，表观密度2.85 g/cm3，含泥量0.6%；
减水剂：南京瑞迪高新技术有限公司生产的HLC-IX聚羧酸系高性能减水剂，含固量19.08%，密度1.038 g/cm3，pH值为5.5，氯离子含量0.19%，硫酸钠含量0.22%，总碱量0.39%；
抗裂剂：南京瑞迪高新技术有限公司生产的HLC-I混凝土抗裂防渗剂，微红色粉末，1.18 mm筛筛余为0.2%，总碱量0.42%，氯离子含量0.07%。

表1 胶凝材料的化学组成 %

1.2 试验方法

1.2.1 混凝土配合比（见表2）

表2 C25低胶材自密实混凝土配合比

1.2.2 混凝土性能测试

坍落扩展度（SL）、扩展时间（T500）、坍落扩展度与J环扩展度差值（PA）与离析率（SR）按照JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》进行测试，倒置坍落度筒排空时间（Tsf）按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；
混凝土试件成型均按照JGJ/T 283—2012中附录B自密实混凝土试件成型方法进行，抗压强度与劈拉强度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm；
干缩、抗水渗透与抗氯离子渗透性能按照DL/T 5150—2017《水工混凝土试验规程》进行测试。毛细管负压测试[13-14]采用SBT-Ⅰ型毛细管负压测试系统，将内径为3 mm的多孔陶瓷探头埋入混凝土内部，利用和探头相连接的压力传感器测试体系内液相所产生的毛细管负压。使用前，将陶瓷头在无空气水（将自来水煮沸20 min后，放置冷却）中浸泡24 h。使用时开启塑料管的橡皮塞加满无空气水，关上橡皮塞，然后将陶瓷头埋入新拌混凝土中心位置，测试时间36 h。

2.1 抗裂剂对低胶材自密实混凝土拌合物性能的影响（见表3）

表3 抗裂剂对低胶材自密实混凝土拌合物性能的影响

由表3可见，抗裂剂对低胶材自密实混凝土初始坍落扩展度、含气量及离析率等性能的影响较小；
对坍落扩展度经时损失有一定的影响，经时损失略增大，但坍落扩展度经时损失仅为5.2%；
对间隙通过性有所改善，未掺抗裂剂时，低胶材自密实混凝土的坍落扩展度与J环扩展度差值为45 mm，掺抗裂剂后降低至20 mm。工作性经时损失略有增大的原因是抗裂剂具有膨胀与减缩功能组分，其中的膨胀功能组分与聚羧酸系减水剂的适应性相对要差，导致混凝土工作性经时损失会略有增大；
间隙通过性有改善的原因是抗裂剂是一种粉体材料，外掺时无疑增加了一定量的粉体材料，提升了低胶材自密实混凝土的粘聚性及包裹性。

2.2 抗裂剂对低胶材自密实混凝土力学性能的影响（见表4）

由表4可见，抗裂剂对低胶材自密实混凝土抗压强度的影响较小，但对28 d劈拉强度及28 d拉压比有一定的影响，掺入抗裂剂后，28 d劈拉强度提高了9.8%，28 d拉压比则提高了11.7%。与此同时，养护龄期由7 d延长至28 d时，掺抗裂剂的低胶材自密实混凝土的抗压强度增幅为40.4%，劈拉强度增幅为70.2%，拉压比增幅为21.1%。可见，抗裂剂的掺入能改善低胶材自密实混凝土后期的韧性。

表4 抗裂剂对低胶材自密实混凝土力学性能的影响

2.3 毛细孔负压变化

混凝土在浇筑一段时间后且终凝之前时的水泥水化反应激烈，混凝土内部快速产生了毛细管负压现象，因此，混凝土结构由于各种约束作用易于发生塑性收缩开裂，从而导致混凝土耐久性问题[15]。图1为低胶材自密实混凝土的毛细孔负压随水化时间的变化规律。

由图1可见，掺与未掺抗裂剂的低胶材自密实混凝土的毛细孔负压值均随水化时间的延长呈先增大后减小的趋势，且掺抗裂剂的混凝土毛细孔负压增长速度明显低于未掺抗裂剂，同时毛细孔负压的最大值也低于未掺抗裂剂的，表明掺抗裂剂能降低低胶材自密实混凝土的塑性收缩，从而降低了低胶材自密实混凝土塑性开裂的风险。这主要是因为抗裂剂中具有减缩组分，不仅能降低孔溶液的表面张力，同时也能抑制水分的蒸发，从而对低胶材自密实混凝土的塑性收缩起到了一定的抑制作用。

2.4 抗裂剂对低胶材自密实混凝土干缩性能的影响

混凝土的干缩性能是表征混凝土体积稳定性的主要指标之一，收缩率的大小对混凝土的开裂具有较大的影响，本文进行了低胶材自密实混凝土的干缩性能试验，结果见图2。

由图2可见，未掺抗裂剂的低胶材自密实混凝土的干缩随龄期的变化规律与普通混凝土相似，即在早期时干缩发展较快，而在后期时干缩发展逐渐减缓；
当低胶材自密实混凝土外掺10%抗裂剂时，干缩率显著下降，其28、60 d干缩率较未掺抗裂剂时分别降低了52.6%、45.1%，可见，抗裂剂的掺入对混凝土的体积稳定性具有明显的改善作用。

2.5 抗裂剂对低胶材自密实混凝土渗透性能的影响（见表5）

表5 抗裂剂对低胶材自密实混凝土渗透性能的影响

由表5可见，低胶材自密实混凝土均具有优良的抗渗透性能，相对渗透性系数与氯离子扩散系数均相对较低。随着水化龄期的延长，氯离子扩散系数显著降低，相对于28 d龄期时，C25-1、C25-2的56 d氯离子扩散系数分别降低了42.8%、58.9%，氯离子扩散系数随龄期延长降低的主要原因是配合比中掺合料用量高，掺合料的二次水化进一步细化了混凝土的孔结构，改善了混凝土的密实性，同时加强了骨料与水泥石的界面过渡区，增强了混凝土结合氯离子的能力。低胶材自密实混凝土外掺10%抗裂剂时抗水渗透性能明显提高，其渗透高度降低了44.4%，而相对渗透性系数则降低了69.1%；
抗氯离子渗透性能也有一定改善，其28、56 d氯离子扩散系数分别降低了6.9%、33.1%，其抗渗透性能得到改善的主要原因是抗裂剂的外掺不仅降低混凝土的水胶比，而且其微膨胀功能进一步改善了混凝土的密实性。

（1）抗裂剂的掺入会略增大低胶材自密实混凝土的坍落扩展度及扩展时间的经时损失，但降低了坍落扩展度与J环扩展度差值，改善了间隙通过性。

（2）抗裂剂能提高低胶材自密实混凝土的28 d劈拉强度和28 d的拉压比，即对低胶材自密实混凝土后期的韧性有所改善。

（3）抗裂剂能降低低胶材自密实混凝土的塑性收缩，从而降低了低胶材自密实混凝土塑性开裂的风险；
同时也能降低低胶材自密实混凝土的干缩率，其28、60 d干缩率分别较未掺时降低了52.6%、45.1%。抗裂剂对混凝土的体积稳定性具有明显的改善作用。

（4）抗裂剂能提高低胶材自密实混凝土的耐久性能。与未掺抗裂剂相比，掺10%抗裂剂时抗水渗透性能明显提高，其渗透高度降低了44.4%，而相对渗透性系数则降低了69.1%；
抗氯离子渗透性能也有一定改善，其28、56 d氯离子扩散系数分别降低了6.9%、33.1%。