抗裂防渗剂对混凝土体积稳定性的影响

摘要：本文通过混凝土体积变化机理和微观分析说明抗裂防渗剂对混凝土体积稳定性的作用与影响，以及混凝土抗裂防渗剂的配制要点。
　　关键词：混凝土，抗裂防渗剂，体积稳定性裂缝在混凝土结构中不仅会降低建筑物的抗渗能力，而且会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影响建筑物耐久性。采用抗裂防渗剂配制混凝土可大大减轻混凝土裂纹。抗裂防渗剂在混凝土中产生压应力，抵消导致混凝土开裂的大部分拉应力，因此避免或减轻了开裂，提高混凝土耐久性。
　　1 混凝土的体积变化机理
　　1.1 干燥收缩干燥收缩是由毛细水的损失而引起的硬化混凝土的收缩。这种收缩使拉应力增加，可使混凝土在未承受任何载荷之前便出现裂纹。所有的水泥混凝土都随着龄期增长产生干燥收缩或水化物体积的变化。干燥收缩受原材料性能、混凝土配合比、搅拌方式、养护时的湿度条件、干燥环境和构件尺寸等因素影响。混凝土的配合比中用水量影响。干燥收缩程度还与环境相对湿度、温度和空气流通状况有关。
　　1.2 自收缩自收缩是由自干燥或混凝土内部相对湿度降低引起的收缩，是混凝土在恒温绝湿条件下，由于水泥水化作用引起的混凝土宏观体积减少的现象。即未水化的水泥与水发生化学反应时，生成物的体积小于前两者总和的现象。混凝土因干燥产生体积变化的同时发生自收缩。混凝土自收缩的产生，主要是由于水泥硬化体空隙中的相对湿度低，发生自干燥。
　　1.3 冷缩水泥水化过程中放出大量的热量，主要集中在前7天内，混凝土内部和表面的散热条件不同，因而使混凝土内部温度较外部高，形成较大温度差，当温度应力超过混凝土的内外约束应力时，产生冷缩裂缝。
　　1.4 碱-集料反应碱-集料反应（AAR）是混凝土中的碱与集料中的活性组分之间发生的膨胀性化学反应，具有较严重的破坏作用。AAR按活性组分类型可分为碱-硅酸反应（ASR）和碱-碳酸盐反应（ACR）。AAR反应由于水泥中有较高碱性，OH-使活性二氧化硅发生水解形成碱-二氧化硅凝胶，水被凝胶吸附，使体积增大。AAR反应多在混凝土浇筑几个月或几年后发生，混凝土遭到破坏。
　　2 抗裂防渗剂作用机理
　　2.1 膨胀剂的作用膨胀剂由转窑煅烧的铝质熟料、硬石膏、明矾石等混合粉磨而成。掺人混凝土中后，膨胀剂中铝质熟料中CA首先与CaSO、Ca（OH）2水化生成水化硫铝酸钙即钙矾石，而产生体积膨胀，其化学反应式为：3CA+3CaS04.2H2O+32H2O→C3A.3CaSO4.32H2O+2（A12O3.H2O）
　　活性较低的明矾石在CaSO4、Ca（OH）2的激发下生成钙矾石，在中后期又产生微膨胀，其反应式为：K2SO4.A12（SO4）3.4A1（OH）3+13Ca（OH）2+5CaSO4+78H2O→3（C3A.3CaSO4.32H2O）+2KOH水化早期铝质熟料中CA反应在前，膨胀量较大，同时生成的钙矾石与水化氢氧化铝凝胶，使膨胀相与胶凝相合理匹配，既保证了膨胀效能又保证了强度；明矾石反应生成的钙矾石在中后期有微量膨胀，使水泥石后期具有微膨胀，改善了水泥-集料界面微区结构，有利于提高混凝土的性能。
　　2.2 抗裂防渗剂在混凝土中的作用抗裂防渗剂掺到水泥中形成的补偿收缩混凝土，在限制条件下产生的膨胀率为0.02％～0.04％，在钢筋等的约束下，可在混凝土中产生0.2～0.7MPa的预压应力。这一预压应力大致可抵消混凝土硬化过程中产生的收缩拉应力，从而消除或减少裂缝。混凝土膨胀作用主要处于14d以前，用于补偿混凝土的干缩，产生的预压应力抵消混凝土冷缩产生的拉应力，还可提高混凝土的强度。
　　从抗裂防渗剂机理可知，掺入抗裂防渗剂的混凝土在水化硬化中，建立起了干缩和冷缩的联合补偿模式，混凝土结构内部不断致密，最终达到超长混凝土结构无缝施工的目的。抗裂防渗剂在大体积混凝土中降低水泥石的水化热，不会因过多的水化热不能及时排出而破坏混凝土结构。
　　抗裂防渗剂中的硫铝酸钙和石膏与石灰水化形成的氢氧化钙相化合而生成膨胀源钙矾石，起到填充、切断混凝土中毛细孔缝作用，使其获得较好的致密性，从而提高了混凝土的抗渗能力。 2.3抗裂防渗剂作用微观分析2.3.1 扫描电镜分析不同抗裂防渗剂掺量水泥经过7d水化后的微观结构见图1～图2，掺量分别为8%和12%.在扫描电镜下可见到良好的晶体形态，其主要水化产物有水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙，不同抗裂防渗剂掺量的材料中可见相应的钙矾石晶体。钙矾石晶体主要在材料的孔隙中形成，呈柱状或针状。单晶体的长度为4～5μm，宽度仅0.2μm左右。钙矾石晶体和氢氧化钙结晶的析出，填充了原来由水溶液占据的孔隙，从而使水泥石更加密实，并达到膨胀的效果。从图片显示，随着掺量和时间的增加，钙矾石晶体晶体的数量明显增多，结晶也进一步变长变粗，孔隙比原来要密实得多。28d的明显特征在于形成大量的水化硅酸钙凝胶体，有的区域水化硅酸钙凝胶体已将钙矾石晶体包裹，材料结构的孔隙进一步缩小，水泥石更加致密。
　　在扫描电镜下可见到良好的晶体形态，材料的水化程度是比较高的。其主要水化产物有水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙，各种抗裂防渗剂掺量的材料中可见相应的钙矾石晶体。钙矾石晶体主要在材料的孔隙中形成，呈柱状或针状。单晶体的长度为4～5μm，宽度仅0.2μm左右。氢氧化钙结晶也是从水溶液中析出的结晶。钙矾石晶体和氢氧化钙结晶的析出，填充了原来由水溶液占据的孔隙，从而使水泥石更加密实，并达到膨胀的效果。28d的明显特征在于形成大量的水化硅酸钙凝胶体，有的区域水化硅酸钙凝胶体已将钙矾石晶体包裹，材料结构的孔隙进一步缩小，水泥石更加致密。
　　2.3.2 X-射线衍射分析在早期的水化产物主要是钙矾石、Ca（OH）2和CaCO3，CaCO3是由Ca（OH）2碳化形成的。7d时CaCO3基本消失。水化28d后早期的产物全部转化为钙矾石，水化产物与原来的设计比较相符。对比空白水泥样，掺F抗裂防渗剂水泥的Ca（OH）2、C2S和C3S峰的衍射强度差别不大，钙矾石特征峰的强度得到明显增强，而没有其他新特征峰出现。说明在硅酸盐水泥水化体系中，主要的水化相是C-S-H凝胶、钙矾石和Ca（OH）2，没有新的水化物晶体生成。随着水化龄期的增加，C-S-H和钙矾石的数量增多，钙矾石作为膨胀源，其膨胀驱动力是它与C-S-H交织在一起的凝胶状态钙矾石吸水膨胀和生长在孔隙中的柱状钙矾石结晶体的生长力。水化28d CaSO4基本消耗完毕。