新型抑温型抗裂防水剂的制备与性能研究

邓小旭，邹伟，王雨禾，李国权，雷中梨

（1.武汉源锦建材科技有限公司，湖北 武汉 430083；2.武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉 430083）

0 引言

混凝土是一种非匀质多孔材料，内部存在大量的微观结构缺陷，这些缺陷在特定条件下就会成为后期离子、液体和气体的渗透通道[1-2]。水泥作为混凝土的主要胶凝材料，其水化过程中会产生大量热能，而混凝土作为一种传热的不良体，散热效果较差，当构筑物结构尺寸较大时，混凝土内部温度会急剧上升，最高可超过80℃，然而环境温度一般不会超过40℃，当混凝土内外温差大于25℃时，就极易产生温度裂缝[3]。有研究表明[4]，温度裂缝是当前混凝土结构物产生裂缝的主要原因。开裂和渗水会直接影响建筑物的使用寿命，是混凝土存在并亟需解决的问题。

目前市场上常见的防水剂都是单一提高混凝土的抗渗性能，但是当混凝土出现收缩开裂后防水就变成了空谈。水泥水化温控材料能有效降低水泥的水化放热速率，减小混凝土内部温峰值，从而预防温度裂缝的产生，近年来已经成为行业研究热点[5-6]。目前，市场上已有温控材料的应用，且出现了相应的复合产品，如温控型膨胀剂、温控型减水剂等。

针对上述混凝土长期存在并亟需解决的开裂和渗水问题，开发了一种新型抑温型混凝土抗裂防水剂HAW，与市场上常见的几种刚性混凝土自防水材料进行对比试验研究，探讨了其对水泥水化温升、混凝土力学性能、耐久性能和早期抗裂性能的影响，以期为防水材料在混凝土工程中的应用提供一定参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：净浆试验采用基准水泥，符合GB 8076—2008《混凝土外加剂》要求；混凝土试验采用P·O42.5普硅水泥，华新水泥股份有限公司生产，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求，水泥的物理力学性能见表1。

表1 水泥的物理力学性能

防水材料：高性能纤维抗裂抗渗复合材料HCM、混凝土抗裂硅质防水剂JXⅢ、混凝土无机纳米抗裂减渗剂WDF，均为市售。抑温型混凝土抗裂防水剂HAW：武汉源锦建材科技有限公司自主研发，主要由抑温组分、防水组分和聚羧酸减水剂按照一定比例复合而成，其中抑温组分由醇羟基淀粉、羟丙基麦芽糊精经常温水解改性制成；防水组分由粉煤灰、硬脂酸钙、甲基硅酸钠和甲酸钙按照一定比例复合而成。其性能符合JC/T 474—2008《砂浆、混凝土防水剂》的要求。

粉煤灰：Ⅱ级，武汉青山发电厂，45 μm筛筛余15%。

矿粉：S95级，石家庄锦铭矿业有限公司生产，28 d活性指数104%。

水泥、粉煤灰、矿粉、HAW防水剂的化学成分见表2。

表2 原材料的化学组成 %

细骨料：当地河砂，中砂，细度模数2.6，含泥量1.5%。

粗骨料：5～31.5 mm连续级配花岗岩碎石，主要技术性能见表3。

表3 粗骨料的技术性能

减水剂：聚羧酸高性能减水剂，减水率25%，武汉三源特种建材责任有限公司生产。

拌合水：自来水。

1.2 混凝土配合比

根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》配制C30混凝土，配合比见表4。根据工程实际使用情况，抑温型混凝土抗裂防水剂HAW、高性能纤维抗裂抗渗复合材料HCM、混凝土抗裂硅质防水剂JXⅢ、混凝土无机纳米抗裂减渗剂WDF四种防水材料均以外掺的形式单独掺入，掺量分别为胶凝材料质量的5%、0.3%、5%和2%。

表4 混凝土配合比 kg/m3

1.3 测试方法

水泥净浆温升试验：采用基准水泥，水胶比为0.35；防水剂按照表4掺量及掺入方式掺加，采用行星式水泥胶砂搅拌机搅拌。称取制备好的水泥浆体2500 g装入邮政8号聚苯乙烯泡沫箱中，加盖并用胶带密封，之后将测温传感器连接至自动数据采集仪，开始测温。邮政8号聚苯乙烯泡沫箱外部尺寸210 mm×110 mm×130mm，内部尺寸180 mm×80 mm×105 mm，壁厚15 mm；测温仪采用深圳拓普瑞公司的TP 700自动数据采集仪，试验过程见图1。试验过程中实验室恒温（20±2）℃，浆体入模温度（20±2）℃。

图1 净浆水化温升试验

混凝土工作性能按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试。混凝土力学性能按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试。混凝土耐久性能按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试。其中抗水渗透试验采用渗水高度法，压力1.2 MPa，恒压24 h；抗氯离子渗透试验按照电通量法进行。

吸水率试验：按照JC/T 474—2008中吸水量比试验方法，将养护28 d后的试件取出，在78℃下烘干48 h称重，然后将试件成型面朝下放入水槽，下部用2根φ10 mm的钢筋垫起，试件浸入水中高度50 mm，期间注意经常加水以保持水面恒定。分别称取浸泡0.5、1、3、6、12、24、48 h后的试件质量，计算吸水率。

早期抗裂性能试验：采用GB/T 50082—2009中的平板抗裂试验评价。平板钢制模具尺寸800 mm×600 mm×100 mm，内设7根裂缝诱导器，试件成型后保持中心正上方100 mm位置风速5 m/s，试验过程见图2。24 h龄期时测量裂缝长度和宽度，计算平均开裂面积、单位面积的裂缝数目和单位面积上的总开裂面积。

图2 平板开裂试验

2 试验结果与讨论

2.1 防水剂对水泥净浆水化温升的影响（见图3）

图3 不同防水剂对水泥净浆水化温升的影响

由图3可见，空白组水泥水化温峰为88.1℃，温峰时间为9.6 h，掺HCM净浆组水泥水化温峰和温峰时间均与空白组基本相同，掺JXⅢ和WDF组的温峰与空白组相当，但温峰时间较空白组延迟约2.5 h；掺HAW组的温峰仅为52.8℃，较空白组降低40.1%，温峰时间较空白组延迟5.4 h。说明掺JXⅢ、WDF和HAW防水材料后，对水泥水化初期均有一定缓凝作用。但只有HAW防水剂大幅降低了水泥水化温峰，这主要是因为HAW防水剂中的抑温组分在碱性水泥浆中能够逐渐溶解，连续缓慢地释放出糖链，吸附在水泥颗粒和后期生成的水化产物上，持续产生抑制水泥水化的效果，从而降低了水泥水化放热速率[7]，在相同的散热条件下，能够降低混凝土内部温度峰值，减少混凝土开裂风险，提高耐久性。

2.2 防水剂对混凝土工作性能的影响（见表5）

表5 防水剂对混凝土坍落度和扩展度的影响

由表4及表5可见，掺入HAW、HCM、JXⅢ和WDF四种防水剂后，为保证混凝土初始坍落度（200±10）mm，减水剂用量分别为6.22、8.35、6.25、6.70 kg/m3，可见，对混凝土拌合物初始状态影响由大到小依次为HCM、WDF、JXⅢ和HAW。与空白组相比，掺HAW和JXⅢ的混凝土坍落度和扩展度基本无损失，而掺HCM和WDF的1 h经时损失显著增大，1 h坍落度分别损失了70、45 mm，扩展度分别损失了120、100 mm，说明不同防水剂对混凝土的工作性能影响有着显著的差异，在实际应用过程中需加以关注。

2.3 防水剂对混凝土力学性能的影响（见表6）

表6 防水剂对混凝土不同龄期抗压强度的影响

由表6可见，掺JXⅢ和WDF的混凝土各龄期抗压强度较空白组均略有提高，后期强度提高更为明显，28 d抗压强度较空白组分别提高6.8%、3.8%；掺HCM对混凝土抗压强度影响 最 大，1、3、7、14、28 d抗 压 强 度 较 空 白 组 分 别 降 低 了11.8%、12.6%、9.4%、6.9%、5.2%；掺HAW对混凝土1 d抗压强度有较大的负面影响，较空白组降低43.2%，但3 d、7 d抗压强度已基本与空白组相当，14 d、28 d抗压强度已明显高于空白组，28 d抗压强度较空白组提高了14.2%，这主要是因为HAW防水剂会延缓水泥水化进程，特别是大幅降低早期的累计放热量，因此使混凝土1 d抗压强度明显下降；也正是因为早期水化速度慢使得水泥水化更加充分、水化产物更加致密，加之HAW防水剂中的防水组分能够提高混凝土内部结构密实程度，因此后期抗压强度较空白组也更高。

2.4 防水剂对混凝土抗渗性能的影响（见表7）

表7 防水剂对混凝土28 d渗透高度的影响

由表7可知，掺入HAW、HCM、JXⅢ和WDF四种防水剂后，混凝土28 d渗透高度比分别为21.0%、162.4%、50.3%、63.0%，可见掺HAW、JXⅢ和WDF可以有效提高混凝土的抗渗性能，特别是掺HAW的实验组渗透高度较空白组下降了79.0%，抗渗性能提升尤为显著，说明掺HAW的混凝土结构更加密实，防水性能更好。而掺HCM的渗透高度较空白组更高，说明其降低了混凝土的抗渗性能，这可能是因为HCM是一种纤维复合防水材料，有研究表明[8-9]，纤维掺入到混凝土中会造成混凝土内部孔隙结构出现明显变化，多出许多直径较大的孔，纤维掺量越大较大毛细孔的数量越多；同时纤维的掺入会使混凝土内部出现更多的界面过渡区[10]，增加混凝土内部的渗水通道，从而导致混凝土抗渗性能的下降。

各组经过抗渗试验的试块劈裂后断面照片如图4所示。

图4 混凝土抗渗试验结束劈裂后断面的照片

由图4可见，空白组断面凹凸不平，内部石子分布不均匀且有较多气孔。与空白组相比，掺HAW的混凝土断面整齐，内部石子分布均匀且孔隙很少，结构密实度明显更高。另一方面，空白组试块不同位置水渗透高度极不均匀，这也间接证明了试块内部不够均匀密实，而掺HAW的试块各个位置渗透高度基本相同，可见掺HAW确实提高了混凝土内部结构的密实度和均匀性，对混凝土的抗渗性能提升尤为显著。

2.5 防水剂对混凝土抗氯离子渗透性能的影响（见表8）

表8 防水剂对混凝土电通量的影响

由表8可见，掺HAW、JXⅢ和WDF的混凝土电通量比空白组更小，与空白组相比分别减小了59.9%、40.3%、23.6%，而掺HCM的混凝土电通量比空白组提高了2.1%。这与对混凝土抗渗性能的影响规律一致，掺入HAW能够增加混凝土的密实度，提高混凝土的抗氯离子渗透性能。

2.6 防水剂对混凝土吸水率的影响（见图5）

图5 防水剂对混凝土吸水率的影响

由图5可见，掺HCM的混凝土试件吸水率与空白组基本相当，掺HAW、JXⅢ和WDF的混凝土试件，在浸泡相同时间时的吸水率较空白组均显著降低，特别是掺HAW防水剂的混凝土试件48 h吸水率较空白组下降了45.2%，这主要是因为掺HAW防水剂后增加了混凝土的密实度，混凝土内部孔隙减少从而使得混凝土吸水总量减少；另一方面，HAW防水剂中的有机硅憎水组分掺入混凝土后，其中的硅氧键能够吸附在水泥颗粒表面，憎水基团有序地排列在外形成一层憎水膜[11]，使得水分很难进入混凝土内部。

2.7 防水剂对混凝土早期抗裂性能的影响（见表9）

表9 防水剂对混凝土早期开裂性能的影响

由表9可见，掺入HAW、HCM、JXⅢ和WDF四种防水材料后，混凝土的单位面积总开裂面积较空白组分别降低了49.3%、79.4%、39.6%、26.4%；最大裂缝宽度也比空白组分别减小了0.25、0.49、0.16、0.09 mm。混凝土早期塑性开裂主要发生在混凝土浇筑后4～5 h（还未硬化前），此时混凝土拌合物中的水分会向表面迁移，若迁移速度低于混凝土表面的水分蒸发速度，混凝土表面区域就会受约束产生收缩应力，最终导致混凝土在塑性状态下开裂。掺HCM的早期抗裂性能最好，主要是因为HCM防水剂中含有纤维，掺入到混凝土中在混凝土内部形成复杂的三维乱向体系，不仅可以提高混凝土的韧性，当混凝土出现微裂缝时，纤维还可以跨越裂缝起到传递荷载的桥梁作用，使混凝土内的应力场更加连续和均匀，抑制裂缝的产生和发展[12]。掺HAW对混凝土早期开裂也有一定的抑制作用，主要是因为：一方面，HAW防水剂可以显著降低混凝土早期水化温升；另一方面，其中的防水组分具有保水功能，2种作用下混凝土表面的水分蒸发速率大大降低，因此降低了混凝土的早期开裂风险。

3 结论

（1）研制的HAW抑温型混凝土抗裂防水剂对混凝土的工作性能无负面影响，且可减缓早期水泥水化速率，使水泥水化更加充分，混凝土结构更加致密，提高混凝土的后期力学性能，但会降低混凝土1 d抗压强度。

（2）掺HAW防水剂可降低混凝土水化放热速率和内部温度峰值，大幅降低混凝土早期塑性开裂和温度开裂的风险。

（3）HAW防水剂能够显著提高混凝土的耐久性和防水性，与空白组相比，渗透高度降低79.0%，电通量减小59.9%，48 h吸水率降低45.2%。

（4）JXⅢ和WDF防水材料对于混凝土抗压强度、抗渗性能、吸水率和早期抗裂性能也有一定的提升，但其提升效果不如HAW防水剂；HCM防水材料可以大幅提高混凝土的早期抗裂性能，但对力学性能和抗渗性能有负面作用。