渗透结晶型材料对混凝土抗压强度影响试验研究

2021-09-17王磊

铁道建筑技术 2021年8期

王磊

（中铁二十一局集团第一工程有限公司新疆乌鲁木齐 830026）

1 引言

混凝土材料本身是一种非均质、复合型材料，内部存在大量孔隙和裂缝。这些微观结构的缺陷，前期会影响混凝土早期抗压强度，后期则会成为混凝土的渗水通道，引起耐久性能的劣化。由于孔隙和裂缝的形成主要是粗、细集料的天然缺陷所致，混凝土自身很难克服［1－2］。

水泥基渗透结晶型材料作为一种能够改善混凝土渗透性的新型材料逐渐引起大家的关注，相关研究也大量开展［3－4］。目前一些研究［5－6］已经证明，采用水泥基渗透结晶型材料作为混凝土表面涂层，能够很好地起到防水作用，通过对渗透性能的改善，提高了抵抗各种介质入侵的能力，进而提高混凝土耐久性能，运用于实际工程中，具有十分广阔的发展前景［7－8］。

混凝土的强度越高，其渗透性越低［9］，目前大多数研究关注水泥基渗透结晶型材料对混凝土耐久性能改善情况，关于其对混凝土强度的影响研究较少［10］，实际上由于其对渗透性能的改善，也会对混凝土的强度产生一定影响。

本试验采用佳固士硅酸盐类渗透结晶型液态喷涂材料，是一种新型无机渗透结晶型防水材料，主要成分为纳米级硅酸盐，具有渗透速度快、渗透深度大、修复效果强等优点［11］。该材料不仅能在混凝土表面产生防水层的效果，还能在内部修复微裂缝和填补小孔隙，综合改善混凝土的性能。

通过拟采用佳固士水泥基渗透结晶型材料，对不同设计强度的混凝土试块进行喷涂与不喷涂对比试验，测定不同设计强度和不同龄期混凝土立方体抗压强度，分析得到水泥基渗透结晶型材料对混凝土抗压强度影响规律。

2 试验原材料与设计配合比

2.1 原材料

（1）水泥

选取天山水泥厂生产的P.O42.5级水泥，物理参数见表1。

表1 水泥物理参数

（2）细集料与粗集料

细集料采用乌鲁木齐市郊砂场河砂，其细度模数为3.22，含水率为4.6%，表观密度为2 680 kg／m3；粗集料为乌鲁木齐市郊采石场的粒径5～25 mm连续级配天然卵石。

（3）外加剂与掺合料

外加剂采用聚羧酸系高性能减水剂，产品名称XJTS，含固量为37%，减水率35%，为淡黄色透明液体；掺合料为产自乌鲁木齐当地的矿粉和粉煤灰。

（4）水泥基渗透结晶型材料

采用佳固士牌纳米级硅酸盐混凝土养护修复增强一体剂，其主要成分为纳米级尺寸的硅酸钠，大小为1～2 nm。

2.2 试验配合比

通过设计调整水胶比，拟定4种不同设计强度的混凝土配合比，见表2。

表2 设计配合比

3 试块制备及试验方法

3.1 试验试块的制备

本试验主要研究水泥基渗透结晶型材料对不同养护龄期以及不同设计强度等级混凝土立方体试块抗压强度的影响。试验试块选择边长为150 mm的标准立方体，每个设计配合比分为基准和试验两类，每类按照龄期分3组，每组3块，共计24组，72块试验试块。

试块1 d成型后脱模，不使用脱模剂。脱模后对试验类试件的6个面均匀喷涂防水材料佳固士（涂量为200 mL／m2）；基准类不进行任何表面处理。之后将所有试块放入养护室，采用蒸汽养护，温度（20±3）℃，湿度RH＞95%。每组试块养护至设计龄期后取出进行抗压试验。部分试验试块如图1所示。

图1 试验试块（部分）

3.2 试验方法

依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》［12］，对三个龄期下混凝土立方体试块的抗压强度进行测试。试验在型号为YAW-3000微机控制电液伺服压力试验机（见图2）上进行。试验加载采用应力控制，加载速率为0.5 MPa／s。每组立方体抗压强度值依据规范规定计算后确定，精确至0.01 MPa。

图2 试验仪器

4 试验结果及分析

4.1 对不同养护龄期的混凝土抗压强度影响

对抗压试验数据进行整理，确定每组试块的抗压强度值，图3为7 d、14 d、28 d养护龄期立方体抗压试验结果对比。

从图3可以看出，不同龄期下水泥基渗透结晶型材料对混凝土抗压强度均有不同程度的提升，但提升幅度较小，同时由于采用蒸汽养护方式，混凝土强度发展很快，7 d龄期的数据显示，各组试验试块的抗压强度值均已超过设计强度值。

图3 不同养护龄期立方体抗压试验结果对比

考虑到数据化分析更为直观，引入平均增强率，用以说明水泥基渗透结晶型材料对不同龄期混凝土强度影响程度，指标计算公式：

式中：e为平均增强率；fcd为同一龄期时，4种配合比试验类混凝土试块的抗压强度平均值，MPa；fcs为该龄期时4种配合比基准类混凝土试块的抗压强度平均值，MPa。

不同龄期的平均增强率如图4所示。

图4 龄期－平均增强率关系曲线

由图4可知，7 d、14 d和28 d龄期平均增强率存在明显的变化趋势，随着养护龄期增加，平均增强率逐渐降低，这表明在混凝土强度发展早期，水泥基透水结晶型材料对于混凝土抗压强度的影响效果与时间有关。

结合图3与图4，可以看出7 d龄期的平均增强率值为3.95%，4种配合比的试验试块抗压强度平均提升1.50 MPa，其中配合比B（设计强度C30）的混凝土提升效果最佳，抗压强度提升1.63 MPa。14 d龄期时，平均增强率则降低至2.89%，强度平均提升了1.31 MPa。随着养护时间的增加，混凝土强度发展速度逐渐放缓，达到28 d龄期时，混凝土平均增强率仅为2.24%，设计强度C50的混凝土增强效果最弱，抗压强度仅提升了0.67 MPa。

防水材料影响混凝土强度主要通过混凝土表面修复以及渗入内部填补微裂缝及孔隙，表现为降低混凝土的渗透性，试验采用的水泥基渗透结晶型材料本身主要成分为纳米级硅酸盐类，其通过参与水化反应，填补混凝土表面及内部的细微裂缝与骨料缺陷，降低混凝土渗透性，给予早期混凝土材料一个“额外强度”，表现为对混凝土强度有增强效果。根据以上数据分析可知：混凝土强度发展早期，增强效果最为明显，此时混凝土强度还没有得到充分发展，由水泥基渗透结晶型材料改善混凝土而提供的强度较为明显；随着养护时间增加，混凝土自身强度不断增长，材料对混凝土强度的增强效果表现为逐渐减弱，因此材料对于不同龄期的混凝土强度增强效果并不相同，且随着养护时间的增加，增强效果逐渐减小。

结合目前已有的试验数据，从龄期来看，防水材料在混凝土7 d龄期时的影响效果最强，该龄期时4种设计强度的混凝土平均增强率为3.95%，抗压强度平均提升1.50 MPa。

4.2 对不同配合比的混凝土抗压强度的影响

图5为不同配合比的混凝土抗压强度增长曲线。

由图5可以看出，水泥基渗透结晶型材料对混凝土自身强度的增长速度影响较小，基准类以及试验类试块抗压强度发展趋势相似，28 d养护期中，在最初的7 d混凝土强度发展速度最快；随着养护时间的增加，强度增长速度逐渐减小，分别比较同一配合比的试验类与基准类试块抗压强度增长规律，其线段斜率近乎于一致，水泥基渗透结晶型材料几乎没有改变混凝土强度增长速度。

图5 不同配合比下混凝土抗压强度增长曲线

养护期28 d内，水泥基渗透结晶型材料对不同（设计强度）配合比混凝土抗压强度的平均增强值如图6所示。

图6 不同配合比混凝土的强度提升对比

对于不同（设计强度）配合比的混凝土，其渗透性和密实性并不相同，因此平均强度提升值存在差异。由图6可知，对于设计强度较高的混凝土材料，如设计强度为C50（配合比D）的混凝土试块，其抗压平均强度提升值为0.83 MPa，增强效果较弱；而设计强度为C30（配合比B）的混凝土增强效果相对最优，平均增强值为1.66 MPa。整体来看，在水泥基渗透结晶型材料喷涂量一致的条件下，混凝土自身强度越高，水泥基渗透结晶型材料对其强度的增强效果越低。因为自身强度较低的混凝土，其本身初始的渗透性及密实性都相对较低，喷涂水泥基渗透结晶型材料能够有效填充密实和修复细微裂缝，相较于设计强度高的混凝土，涂料对低强度的混凝土改善效果更佳，宏观上则表现为对混凝土的抗压强度提升作用更强。关于设计强度C20（配合比A）混凝土的平均强度提升值小于设计强度C30（配合比B），其原因可能与水泥基渗透结晶型材料的喷涂量有关，可以考虑展开以喷涂量为变量的试验研究。