直拉荷载下整体防水水泥基复合材料抗渗透性能试验研究

张进，王喜彬，徐建光

（1.中原工学院建筑工程学院，河南郑州 450007；2.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033）

直拉荷载下整体防水水泥基复合材料抗渗透性能试验研究

张进1，王喜彬1，徐建光2

（1.中原工学院建筑工程学院，河南郑州 450007；2.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033）

研究应变硬化水泥基材料（SHCC）和掺入硅烷乳液的整体防水水泥基复合材料（IWR-SHCC）在单轴荷载作用下的渗透性能。对SHCC和IWR-SHCC试件进行单轴拉伸试验，待试件达到不同拉伸应变后开展渗透性试验，测试SHCC和IWR-SHCC试件在直拉荷载作用下水和氯离子渗透量。结果表明，水和氯离子渗透量均随着拉伸应变的增加而增大，尤其在较高应变下，渗透率和渗透量增加愈为明显；但是在相同拉伸应变下，IWR-SHCC试件较SHCC试件具有更好的抗水和氯离子侵入性能。

轴拉荷载；整体防水；应变硬化水泥基复合材料（SHCC）；渗透性

0 引言

混凝土材料是一种多孔的水泥基材料，水分和侵蚀性介质通过孔隙侵入混凝土内部，造成混凝土材料一系列的耐久性问题[1-3]。同时，混凝土材料抗拉强度较低，在轴拉荷载和弯曲荷载作用下迅速开裂并发生破坏，制约了混凝土材料的应用。随着材料科学的发展，由于应变硬化水泥基材料（SHCC）内部纤维的桥连作用，即使在较高应力应变下仍具有良好的结构力学性能，已经在建筑工程中得到越来越多的应用，尤其在受弯曲和直拉作用的构件中以及在结构加固和修复领域中也广泛应用[4-5]。但是在较高应变环境下，SHCC具有较高的裂缝开展情况，为水分和侵蚀性介质的侵入提供了通道，加大了SHCC的破坏速度，往往使SHCC构件在发生结构力学破坏前先发生耐久性破坏。

根据以往学者研究可知[6-8]，向水泥基材料中掺入硅烷乳液制备整体防水水泥基材料是提高水泥基材料抗渗透性的有效方法。基于上述考虑，本研究向应变硬化水泥基材料中掺入硅烷乳液制备整体防水水泥基复合材料（IWR-SHCC），使其具有较高应变硬化特征的同时又具备优异的抗水分和氯离子侵蚀性能，研究IWR-SHCC在单轴拉伸应力作用下的力学性能和渗透性，为应变硬化水泥基复合材料的实际工程应用提供理论基础。

1 原材料与配合比

水泥：P·O42.5水泥；砂子：河砂，最大粒径为5 mm，细度模数2.9，属于中砂，级配合格；PVA纤维：直径12 μm，弹性模量42 GPa，拉伸强度1600 MPa，极限伸长率7%，密度1.3 g/cm3；硅烷乳液：德国EVONIK公司产Protectosil MH50，浓度0.94 g/cm3，黏度15 mPa·s，硅烷含量50%。

因为硅烷乳液含有自由水，在配合比设计时需考虑硅烷乳液内水分质量，经过配合比优化后，制备相同水灰比的SHCC试件和IWR-SHCC试件，其中IWR-SHCC试件硅烷乳液掺量占水泥质量的2%（见表1）。待试件成型后放置于标准养护室中养护28 d，然后开展单轴拉伸试验和渗透性试验。

表1 试验用SHCC和IWR-SHCC配合比kg/m3

2 试验

SHCC和IWR-SHCC试件为哑铃型，具体尺寸如图1（a）所示，单拉荷载作用下渗透性试验装置如图1（b）所示，当试件达到不同应变后，使试块继续保持持载状态，采用自制的吸水装置对试件进行渗透性试验，渗透用溶液为3%NaCl溶液，为保证水分和氯离子只沿一维方向传输，将除与溶液接触面外的其它表面均用橡皮泥密封。从开始加水时刻开始计时，分别在吸水时间为0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h记录吸水量，进而绘制出单位面积吸水量ΔW与毛细吸水时间平方根的关系曲线[9-10]。然后将试件取下，烘干后将混凝土分层打磨，利用化学滴定方法测试混凝土氯离子侵入量，并绘制氯离子侵入量随深度变化曲线。

图1 试件尺寸和直拉荷载作用下渗透性试验装置

3 试验结果与分析

3.1 SHCC和IWR-SHCC试件的力学性能

水泥基材料内部孔隙结构对其力学性能有明显影响，利用压汞试验仪测试了水泥基内部孔隙结构随硅烷乳液掺量的变化曲线，如图2所示。

图2 不同硅烷乳液掺量水泥基复合材料的孔隙特征曲线

由图2可知，随着硅烷乳液掺量的增加，孔隙特征变化不明显，而且孔径的分布大致相同，没有发生硅烷乳液阻塞水泥基材料内部孔隙的情况，使混凝土材料仍具有良好的通透性。所以硅烷乳液的掺入没有明显改变水泥基复合材料的孔隙结构，是一种较为理想的内掺防水剂。

图3所示为SHCC和IWR-SHCC试件在单轴拉伸荷载作用下的应力应变曲线，图中2种试件均表现出明显的三阶段应力-应变曲线：（1）弹性段；（2）应变硬化段；（3）应变软化段。

图3 直拉荷载作用下SHCC和IWR-SHCC的应力-应变曲线

由图3可知，应变明显增加的阶段为应变硬化阶段，该阶段由于PVA纤维横跨于裂缝之间的桥接作用存在，并且其桥接应力远大于基体的开裂强度，将荷载继续传递给裂缝附近的基体，应力重分布，进入稳态开裂阶段，从而表现出明显的应变硬化特性。同时，SHCC和IWR-SHCC试件具有相近的应力-应变曲线，最大拉伸应变和拉伸应力也接近，最大应变接近于4%，说明硅烷乳液的掺入没有明显改变应变硬化水泥基复合材料的力学应能，仍具有优异的应变硬化特征。

3.2 SHCC和IWR-SHCC试件的抗水渗透性能

不同应变下SHCC和IWR-SHCC试件毛细吸水量随时间的变化曲线见图4。

图4 不同应变下SHCC 和IWR-SHCC试件的毛细吸水量曲线

由图4可知，直拉荷载对试件的水分渗透量有明显影响，试件的最大毛细吸水量随着应变值的增加而增加，尤其在较大应变环境下，水分渗透量和渗透速度快速增加。对于SHCC试件，当应变值为2.0%时的最大毛细吸水量约为应变值为0时的3.6倍；对于IWR-SHCC试件，应变值为2.0%时的最大毛细吸水量约为应变值为0时的1.19倍。这是因为随着应变的增加，SHCC和IWR-SHCC表面和内部出现大量微裂缝，且裂缝的数量和宽度随应变的增加而增加，水分以裂缝和孔隙为通道快速侵入试件内部，所以水分侵入量随着应变值增加而增大。

对比图4（a）、（b）可知，在相同应变环境下，IWR-SHCC较SHCC具有更好抗水分渗透性能：应变值为0时SHCC最大毛细吸水量约为IWR-SHCC的2.5倍；应变值为2.0%时SHCC最大毛细吸水量约为IWR-SHCC的7.5倍。这是因为随硅烷乳液的掺入，水泥基材料内部发生一系列缩聚反应，在混凝土表面和内部形成憎水区域，改变了水泥基材料与水分的接触角度，使水侵入混凝土内部更加困难，从而提高了水泥基材料的抗水渗透性。即使随着应变的增加，侵入IWR-SHCC内部的水分增多，但是由于大部分IWR-SHCC仍具有较好的憎水能力，所以在相同应变环境下IWR-SHCC较SHCC具有更优异的抗水渗透性能；并且在较高应变环境下这种差异性更加明显。

3.3 SHCC和IWR-SHCC试件的抗氯离子渗透性能

氯离子是造成水泥基材料内部钢筋锈蚀的主要原因，是评价水泥基材料耐久性的重要指标。本研究测试不同应变下SHCC和IWR-SHCC试件的抗氯离子渗透性能，氯离子含量随深度变化曲线见图5。

图5 不同应变下SHCC和IWR-SHCC试件的氯离子含量

由图5可知，对于SHCC和IWR-SHCC试件而言，表面氯离子浓度随着应变的增加而增加，这是由于氯离子侵入水泥基复合材料内部主要以水分的传输为介质，随着应变的增加水分侵入试件内部的含量增加，氯离子侵入量也随之增加。图5（a）所示，在试件内部氯离子含量有所提高，这是由对试件的处理方式造成的（试件侧边用橡皮泥进行密封），从而导致氯离子在试件内部发生富集。对比图5（a）、（b）可知，在相同应变下，IWR-SHCC具有更低的表面氯离子含量，这是因为IWR-SHCC较SHCC具有更好的抗水分渗透性能，在相同应变下侵入到IWR-SHCC试件内部的水分含量较SHCC少，所以以水分为介质侵入的氯离子含量也随之减少。

4 结论

（1）硅烷乳液的掺入没有明显改变应变硬化水泥基复合材料的孔隙特征和力学性能，相同水灰比下的IWR-SHCC和SHCC试件具有相近的应变硬化特征，最大拉伸应变约为4%。

（2）单轴拉伸荷载对SHCC和IWR-SHCC试件的水渗透量和渗透速率有明显影响，试件的毛细吸水量随着拉伸应变的增加而增大，尤其在较大应变环境下，试件吸水量急剧增加。但是在相同拉伸应变下，IWR-SHCC较SHCC试件具有更好的抗水分渗透性能。

（3）对于SHCC和IWR-SHCC试件，表面氯离子浓度随拉伸应变的增加而增加；但是在相同拉伸应变下，IWR-SHCC较SHCC试件具有更好的抗氯离子渗透性能。对于应用中实际工程中应变硬化水泥基材料，应掺入适量硅烷乳液以提高其抗渗透性能。

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Influence of the uniaxial tension load on the permeability of integral waterproofing strain hardening cementitious composites

ZHANG Jin1，WANG Xibin1，XU Jianguang2
（1.School of Architecture Engineering，Zhongyuan Institute of Technology，Zhengzhou 450007，China；2.School of Civil Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China)

This paper aims to investigate the influence of uniaxial tension load on the permeability of SHCC and IWR-SHCC. The uniaxial tensile test was first carried out，and then the permeability test was carried out after different tensile strains were applied to the SHCC and IWR-SHCC.Furthermore，the water and chloride penetration content were determined.The results show that the content of water and chloride penetration increases with the increase of tensile strains.Especially for the specimens suffered a high tensile strain，the increment becomes more obvious.However，the IWR-SHCC possesses a better resistance to the water and chloride penetrations than that of SHCC under the same tensile strain.

uniaxial tension load，integral waterproofing，SHCC，permeability

TU57+8.12

A

1001-702X（2016）07-0072-03

2016-01-27；

2016-03-06

张进，女，1974年生，河南郑州人，副教授，硕士，研究方向：建筑材料及其耐久性。通讯作者：王喜彬。