徐 中 浩， 何 樹 林， 田 先 忠， 楊 代 六， 吳 鳳， 趙 鴻 遠

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司監(jiān)測及試驗研究所，四川 成都 610072)

夾層鎖水技術(shù)在混凝土中的運用

徐 中 浩， 何 樹 林， 田 先 忠， 楊 代 六， 吳 鳳， 趙 鴻 遠

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司監(jiān)測及試驗研究所，四川 成都 610072)

裂縫是大體積混凝土普遍存在的現(xiàn)象，是工程界關(guān)注的重要問題。為解決所謂無壩不裂的難題，工程技術(shù)人員采取了一系列技術(shù)措施，如配合比優(yōu)化、高摻粉煤灰、膨脹劑、抗裂纖維等，這些方法對于控制裂縫的產(chǎn)生和擴展起到了一定的作用。介紹了所提出的夾層鎖水技術(shù)并利用該技術(shù)研發(fā)出了一種性能優(yōu)異的新型抗裂材料，最大程度地實現(xiàn)了減緩甚至防止大體積混凝土出現(xiàn)裂縫，提高了混凝土自身抗裂能力。

混凝土；夾層鎖水技術(shù)；強度；抗裂

1 概 述

大體積水工混凝土自澆筑開始，就要經(jīng)受外界環(huán)境和其本身各種因素的作用，使混凝土中任何一點的位置和變形不斷地發(fā)生變化，從而產(chǎn)生應(yīng)力。一般情況下，當應(yīng)力超過混凝土的極限強度或其應(yīng)力變形超過混凝土的極限變形值則由混凝土構(gòu)成的結(jié)構(gòu)物就要產(chǎn)生裂縫。裂縫發(fā)展到一定程度，其結(jié)構(gòu)物因失去承載能力而破壞。由于混凝土本身存在抗拉強度低、極限拉伸值小等缺點，而水工混凝土多半又是大體積素混凝土和少筋混凝土，因此，若要避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫不是輕而易舉的。根據(jù)對我國和國際上一些工程進行的統(tǒng)計得知：一般為防止裂縫而增加的工程投資約為造價的5%；而處理裂縫所花的費用約占工程總造價的5%～10% ，而且修補裂縫的施工方法和工藝措施亦很復(fù)雜。除此之外，修補裂縫可能會推遲工程投入運行的時間，進而造成很大的損失。因此，在工程中一般都是預(yù)先防止裂縫，避免事后修補加固，所采取的主要技術(shù)途徑包括配合比優(yōu)化、高摻粉煤灰、膨脹劑、抗裂纖維等。

2 混凝土養(yǎng)護技術(shù)

為了盡可能地解決混凝土開裂問題，Philleo于1991年提出了混凝土內(nèi)養(yǎng)護技術(shù)。混凝土內(nèi)養(yǎng)護主要是通過向混凝土中加入某種吸水組分，并將其均勻地分散在混凝土中，使其內(nèi)部存儲的水分在膠凝材料水化過程中緩慢釋放，從而改善混凝土的內(nèi)部濕度狀態(tài)，以減少混凝土出現(xiàn)裂縫的可能性。由于無機材料和有機高分子材料具有較高的吸水率和釋放水分的能力，因此，在混凝土內(nèi)養(yǎng)護技術(shù)中常常使用上述兩種材料作為內(nèi)養(yǎng)護材料。近年來，除了內(nèi)養(yǎng)護技術(shù)外，養(yǎng)護劑養(yǎng)護作為一種新型的混凝土養(yǎng)護方式也得到了快速發(fā)展。

2.1 有機高分子材料內(nèi)養(yǎng)護技術(shù)

目前，混凝土內(nèi)養(yǎng)護技術(shù)中使用最多的有機高分子材料是高吸水樹脂(SAP)。由于SAP是一種三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，具有很強的吸水性，能夠吸收自身質(zhì)量幾百倍甚至上千倍的水，因此，在工程上往往使用高吸水樹脂作為混凝土的自養(yǎng)護劑。其吸水原理是：高吸水樹脂在結(jié)構(gòu)上為輕度交聯(lián)的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是由化學(xué)交聯(lián)和樹脂分子鏈間的相互纏繞物理交聯(lián)構(gòu)成的。吸水前，高分子長鏈相互靠攏纏在一起，彼此交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而達到整體上的緊固程度。當水分子與高分子表面接觸時產(chǎn)生4種相互作用：一是水分子與高分子電負性強的氧原子形成氫鍵結(jié)合；二是水分子與疏水基團的相互作用；三是水分子與親水基團的相互作用；四是高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過物理吸附將水分子封閉在邊長為1～10 nm的聚合物網(wǎng)格內(nèi)。物理吸附和化學(xué)吸附使高吸水樹脂能夠快速吸水，當環(huán)境改變時，化學(xué)吸附則通過化學(xué)鍵的方式使失水速率降低。這種特殊的性質(zhì)使高吸水樹脂成為混凝土內(nèi)養(yǎng)護的最佳材料。

為了驗證高吸水樹脂能夠較大程度地提高混凝土的保水能力，國內(nèi)外學(xué)者對其在混凝土中的性能表現(xiàn)進行了全方位的研究。Viktor Mechtecherine等發(fā)現(xiàn)，高吸水性能不但能夠減小混凝土的自收縮，而且對于混凝土其它形式的收縮也具有緩解作用。Pierard J等的研究表明：在混凝土中分別添加0.3%和0.6%的高吸水樹脂，其28 d抗壓強度分別降低8%和14%。Hans-Wolf Reinhardt等的研究發(fā)現(xiàn)，雖然摻入高吸水樹脂的混凝土抗壓強度會有所降低，但其抗水滲透性能和抗碳化能力都會保持不變或有所提升，氯離子滲透系數(shù)亦會減小。劉芳等的試驗結(jié)果表明：摻入高吸水樹脂后，新拌合混凝土的流動性提高，粘聚性和保水性有所改善。宋學(xué)峰等采用原位合成吸水樹脂處理混凝土表面，處理后的混凝土能夠表現(xiàn)出良好的抗硫酸鹽腐蝕的性能。

雖然試驗結(jié)果表明高吸水樹脂能夠提高混凝土的諸多性能，但是，由于高吸水樹脂中的水分釋放后其自身體積的減小會在混凝土中留下孔隙，其中一部分是有害孔，從而使得混凝土的孔隙率增加、混凝土密實度不夠以及混凝土的有效承壓面積減少，因此而導(dǎo)致抗壓強度出現(xiàn)大幅度的降低?？箟簭姸鹊慕档蜁o大型混凝土工程帶來不利的影響以及潛在的安全隱患。

2.2 無機多孔材料內(nèi)養(yǎng)護技術(shù)

由于無機多孔材料和混凝土具有較好的兼容性，同時，無機多孔材料利用毛細管吸附的原理能夠吸附一定量的水，因此，其在混凝土中的使用也比較廣泛。

硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，其化學(xué)成分以SiO2為主，其微觀構(gòu)造如圖1中的左圖。正是由于天然硅藻土具有特殊的多孔性構(gòu)造，其孔隙率高達50%-70%，在吸附大量水的同時具有較高的反應(yīng)活性，因此，研究者將其摻入到混凝土中研究其對混凝土性能的影響。Hewlett PC和Powers TC等人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)：由于硅藻土顆粒形狀會影響混凝土的粘聚性并增加混凝土的需水量，因此而限制了硅藻土在混凝土中的應(yīng)用。

陶粒具有優(yōu)異的性能，如密度、筒壓強度高、軟化系數(shù)高、抗凍性良好、抗堿集料反應(yīng)優(yōu)異等，同時，其內(nèi)部多孔，形態(tài)、成分較均一，因此，其在混凝土中被廣泛使用，微觀構(gòu)造如圖1中的右圖。陶粒混凝土耐酸、耐堿和抗凍性能優(yōu)于普通混凝土，1976年，有關(guān)部門對全國自1985年以來所建的陶?；炷凉こ踢M行了實測，結(jié)果表明：無論是預(yù)制的、還是現(xiàn)澆的，室內(nèi)的與室外的，其所含鋼筋均未銹蝕，測到的碳化深度一般不大于30 mm，后期強度還可以繼續(xù)增長。由此可見，陶粒在混凝土中發(fā)揮的作用較明顯。

雖然無機材料作為最早的內(nèi)養(yǎng)護材料在改善混凝土內(nèi)部濕度、降低自收縮時具有一定的作用，但是，國內(nèi)外學(xué)者的大量研究發(fā)現(xiàn)：當無機材料摻入到混凝土中時存在吸水能力低、密度小等問題，在一定程度上限制了這類材料的進一步應(yīng)用。

圖1 無機多孔材料的掃描電鏡圖 (左圖：硅藻土；右圖：陶粒)

2.3 混凝土養(yǎng)護劑

養(yǎng)護劑是一種噴涂或涂刷于混凝土表面、能在混凝土表面形成一層不透水、密閉養(yǎng)護薄膜的乳液或高分子溶液，可以降低混凝土內(nèi)部水分的蒸發(fā)，從而為混凝土的水化保證足夠的水分。

為了進一步認知養(yǎng)護劑對混凝土性能的影響，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了深入地研究。Al-Gahtani A s研究了不同類型的養(yǎng)護劑對混凝土性能的影響，其研究實驗結(jié)果表明：所研究的養(yǎng)護劑有助于提高混凝土的強度。Seongcheol Choi等人研究了養(yǎng)護劑施工工藝參數(shù)對道路混凝土性能的影響，研究表明：養(yǎng)護劑的種類、噴涂時間以及噴涂數(shù)量對混凝土性能產(chǎn)生重要的影響。亓良樹等人研究了養(yǎng)護劑對混凝土抗裂性能和收縮性能的影響，試驗結(jié)果表明：養(yǎng)護劑能降低混凝土開裂的風險，7 d養(yǎng)護混凝土的收縮值只有基準混凝土的47%，28 d養(yǎng)護混凝土的收縮值僅為基準的79.4%。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對養(yǎng)護劑進行了研究，也取得了一系列的成果，但是也存在一些問題，如養(yǎng)護效率不高、成膜質(zhì)量不穩(wěn)定、無機組分的滲透性差、工藝復(fù)雜、成本較高等問題。針對上述混凝土養(yǎng)護技術(shù)所存在的問題，筆者從混凝土內(nèi)部保水角度考慮，提出了夾層鎖水技術(shù)以便盡可能地解決混凝土的開裂。

3 夾層鎖水的技術(shù)思路

3.1 機理分析

筆者對目前混凝土養(yǎng)護技術(shù)的優(yōu)缺點進行研究分析得知：無論是使用無機材料或有機高分子材料進行內(nèi)養(yǎng)護、還是在混凝土表面噴涂或涂刷養(yǎng)護劑進行養(yǎng)護，都存在以下幾個問題：

(1)有機高分子材料的摻入會使混凝土抗壓強度大幅度降低，嚴重影響工程質(zhì)量。

(2)外界環(huán)境發(fā)生變化時，無機材料只能通過物理作用鎖住水分，而不能持續(xù)補充混凝土中水分的散失，因此，無機材料鎖水能力差。

(3)養(yǎng)護劑在混凝土的表面成膜不穩(wěn)定，噴涂工藝復(fù)雜，成本較高。

基于以上混凝土養(yǎng)護技術(shù)中存在的問題， 為了發(fā)揮有機高分子材料和無機材料各自的優(yōu)勢并在外界環(huán)境發(fā)生變化時盡可能地鎖住混凝土中的水分，同時盡可能地降低成本，筆者首次提出了夾層鎖水技術(shù)——將有機高分子材料通過一定的技術(shù)手段封裝在無機材料內(nèi)部，制備出類似“核-殼”結(jié)構(gòu)的新型內(nèi)抗裂材料。該材料相對于傳統(tǒng)無機材料的優(yōu)勢是物理作用和化學(xué)作用(氫鍵、范德華力)雙管齊下共同作用保水，而非單一的物理作用，其保水效率更高。倘若把有機材料比作 “核”的話，那么，無機材料則充當“殼”的作用，既提高了材料的吸水和保水能力，同時也不會造成有機高分子材料對混凝土強度的不利影響。所制備出的新型材料能夠?qū)崿F(xiàn)自我濕度的調(diào)節(jié)，環(huán)境干燥時其會釋放出所含有的水分；反之，在潮濕環(huán)境中其又會吸收水分。

當新型抗裂材料作為外摻料加入到混凝土中時，在高溫環(huán)境中，其緩慢釋放包結(jié)的水分、補充混凝土中水分的散失；在潮濕環(huán)境中，則吸收水分起到保持混凝土內(nèi)部相對濕度的作用，從而實現(xiàn)混凝土中鎖水到釋水過程中的智能轉(zhuǎn)變。從圖2可知：無機材料和有機材料的吸水機理并不相同，夾層鎖水技術(shù)是建立在兩種材料的優(yōu)異性能基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。

圖2 三種材料鎖水示意圖

3.2 微觀分析

圖3為新型抗裂材料的掃描電鏡圖。從低倍電鏡圖可以看出：試驗后的材料呈現(xiàn)出蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，每個結(jié)構(gòu)之間并沒有出現(xiàn)連接團聚現(xiàn)象，同時也可以看到每個多孔結(jié)構(gòu)的外表面比較光滑，并沒有附著物粘附在上面。無團聚現(xiàn)象說明有機高分子物質(zhì)大多數(shù)在材料的孔洞內(nèi)，使新型抗裂材料能夠在混凝土中均勻分散并減少了因分散不均勻?qū)е碌幕炷林袀€別部位強度的不同，有助于保持其整體強度的一致性。繼續(xù)放大倍數(shù)后觀察發(fā)現(xiàn)：在每個多孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)部均勻分布著附著顆粒狀物質(zhì)，結(jié)合試驗過程中使用的物質(zhì)初步判斷顆粒狀物質(zhì)為有機高分子物質(zhì)。

圖3 不同倍數(shù)的掃描電鏡圖

為了進一步驗證孔洞內(nèi)的顆粒物質(zhì)，筆者對該物質(zhì)不同部位進行了EDS能譜分析，結(jié)果如下：

從圖4的EDS分析中可以看出：在不同的區(qū)域(Selected Area1 和 EDS Spot 1)其具有不同的元素含量，其中最為突出的就是碳(C)元素的不同。EDS Spot 1中含有的碳(C)元素重量為碳(C)元素重量百分比的12.42%，而Selected Area1區(qū)域中并沒有碳(C)元素。由于有機高分子物質(zhì)中含有大量的C元素，同時，結(jié)合實驗室內(nèi)該材料在高溫下的吸水表現(xiàn)，可以推斷出原材料孔洞內(nèi)部的顆粒狀物質(zhì)為有機高分子物質(zhì)。

4 新型抗裂材料混凝土試驗成果

4.1 失水速率

為了驗證新型抗裂材料在一定溫度(50 ℃和60 ℃)下持續(xù)失水的能力，該試驗研究了兩種材料在不同時間的重量損失情況：一是無機多孔結(jié)構(gòu)材料(原始材料)；二是新型內(nèi)保水材料，試驗成果見圖5。從圖5中可知：原始材料在2 h后基本上就不能持續(xù)失去水分，而新型材料在7 h后仍能持續(xù)失水；同時，從圖5中也可以看出：新型抗裂材料的吸水量遠大于原始材料的吸水量。

材料重量損失的不同是由于兩者吸收水分和鎖住水分的能力不同所引起的。原始材料吸收水分主要是依靠物理作用進行，在外界條件變化時，一開始就很容易快速失去水分，隨著時間的增加，材料的重量損失基本上沒有變化。反觀新型抗裂材料，其吸水是物理作用和化學(xué)作用共同作用的結(jié)果，外界條件變化使其失水時，需要一定的能量來破壞鎖住水分的化學(xué)鍵(氫鍵等)，因此表現(xiàn)出新型抗裂材料的失水速率慢，在數(shù)小時后仍能出現(xiàn)重量損失的現(xiàn)象即持續(xù)失水的能力。試驗結(jié)果從側(cè)面證明了新型抗裂材料在吸水和鎖水方面所具有的優(yōu)異性。

4.2 抗裂性能

從圖6中可以看出：在加強試驗條件的情況下(試塊表面溫度為50 ℃～60 ℃)，經(jīng)過1 h的試驗后，發(fā)現(xiàn)未添加新型抗裂材料的砂漿試塊出現(xiàn)了2～3條裂縫，隨著時間的增加，裂縫越來越大，而添加新型抗裂材料的試塊并未出現(xiàn)裂縫，說明新型材料的加入能夠明顯提高砂漿試塊的抗裂效果，這是由于抗裂材料能夠通過物理和化學(xué)雙重作用將水分鎖住，在外界溫度持續(xù)升高時能夠防止因過多的水分散失而造成裂縫的產(chǎn)生。

4.3 強度性能

圖5 材料重量損失隨時間變化曲線圖

圖6 左圖為空白對照組；右圖為添有抗裂材料試驗組

相同配合比參數(shù)混凝土在不同新型抗裂材料摻量(0、0.2%、0.4%、0.6%)下的抗壓抗折強度試驗成果見圖7。

通過對比混凝土強度數(shù)據(jù)并綜合考慮可知：材料的摻入對混凝土的強度影響不大。對比試驗組與空白組可知：抗裂材料加入后，試塊的抗壓強度只有小幅下降，從側(cè)面證明了“核-殼”結(jié)構(gòu)的正確性。在吸水前期，無機材料和有機高分子材料共同通過物理和化學(xué)作用吸收水分，在外界條件變化時，混凝土水分開始散失并對混凝土中膠凝材料的水化過程產(chǎn)生不利的影響，此時，新型抗裂材料在長時間為周圍的膠凝材料不斷地提供其吸收的水分，彌補了混凝土中散失的部分水分，使得混凝土或砂漿的整體水化更均勻，對于提高混凝土的強度起到了積極的作用。再者，由于有機高分子材料在“殼(無機材料)”的內(nèi)部，無機材料在外界條件變化時，并不會出現(xiàn)自身體積變化的情況，從而使得混凝土的水化結(jié)構(gòu)更加密實，因此，當有機高分子材料釋放水分后，其自身體積的減小不會在混凝土或砂漿中留下孔隙，從而減少了單獨摻入有機高分子材料所引起的孔隙率，因此而增大了混凝土的有效承壓面積，對其強度起到了積極的作用。

5 結(jié) 語

圖7 不同齡期強度試驗結(jié)果示意圖

對于混凝土易開裂、難控制的特點，筆者采用夾層鎖水技術(shù)，突破了目前工程上傳統(tǒng)混凝土養(yǎng)護的方法，巧妙地將有機高分子類物質(zhì)與無機材料結(jié)合在一起，具有較大的創(chuàng)新性。該技術(shù)使兩種材料都能各盡其責最大程度地發(fā)揮各自的作用，同時也避免了單獨使用某一種材料對混凝土所帶來的不利影響。

主要研究結(jié)果如下：微觀分析表明：有機高分子物質(zhì)在無機原材料的多孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)中；失水速率結(jié)果表明：新型抗裂材料在一定溫度下吸水和鎖水能力均優(yōu)于無機原材料；抗裂性能研究結(jié)果表明：加入一定量的新型抗裂材料能提高混凝土在惡劣環(huán)境中的抗裂性能；強度性能試驗結(jié)果則指出：在摻加一定量新型抗裂材料的情況下能夠提高混凝土的抗折強度，而對其抗壓強度則基本上不會產(chǎn)生影響。

該技術(shù)的成功應(yīng)用是基于結(jié)合有機材料和無機材料兩門學(xué)科的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，豐富了控制混凝土開裂的手段，為今后學(xué)者在新型抗裂材料的研發(fā)方面提供了一定的參考。

(責任編輯：李燕輝)

2016-12-24

TV7;TV44;TV43;TV41

B

1001-2184(2017)01-0022-07

徐中浩(1989-)，男，四川雅安人，助理工程師，碩士，從事水工新材料研發(fā)及水工混凝土材料研究；

何樹林(1989-)，男，四川會東人，助理工程師，學(xué)士，從事水工新材料研發(fā)及水工混凝土材料研究；

田先忠(1968-)，男，湖北宜昌人，副主任，高級工程師，學(xué)士，從事水工新材料研究以及混凝土材料研究；

楊代六(1973-)，男，重慶銅梁人，主任，教授級高級工程師，學(xué)士，從事水工新材料研究；

吳 鳳(1988-)，女，四川榮縣人，助理工程師，碩士，從事綜合管理工作；

趙鴻遠(1975-),男，四川成都人，助理工程師，從事水工新材料研究.