摘要：本文通過混凝土體積變化機理和微觀分析說明抗裂防滲劑對混凝土體積穩(wěn)定性的作用與影響，以及混凝土抗裂防滲劑的配制要點。
關(guān)鍵詞：混凝土，抗裂防滲劑，體積穩(wěn)定性裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)中不僅會降低建筑物的抗?jié)B能力，而且會引起鋼筋的銹蝕，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影響建筑物耐久性。采用抗裂防滲劑配制混凝土可大大減輕混凝土裂紋?？沽逊罎B劑在混凝土中產(chǎn)生壓應(yīng)力，抵消導(dǎo)致混凝土開裂的大部分拉應(yīng)力，因此避免或減輕了開裂，提高混凝土耐久性。
1 混凝土的體積變化機理
1.1 干燥收縮干燥收縮是由毛細(xì)水的損失而引起的硬化混凝土的收縮。這種收縮使拉應(yīng)力增加，可使混凝土在未承受任何載荷之前便出現(xiàn)裂紋。所有的水泥混凝土都隨著齡期增長產(chǎn)生干燥收縮或水化物體積的變化。干燥收縮受原材料性能、混凝土配合比、攪拌方式、養(yǎng)護時的濕度條件、干燥環(huán)境和構(gòu)件尺寸等因素影響。混凝土的配合比中用水量影響。干燥收縮程度還與環(huán)境相對濕度、溫度和空氣流通狀況有關(guān)。
1.2 自收縮自收縮是由自干燥或混凝土內(nèi)部相對濕度降低引起的收縮，是混凝土在恒溫絕濕條件下，由于水泥水化作用引起的混凝土宏觀體積減少的現(xiàn)象。即未水化的水泥與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，生成物的體積小于前兩者總和的現(xiàn)象?；炷烈蚋稍锂a(chǎn)生體積變化的同時發(fā)生自收縮?；炷磷允湛s的產(chǎn)生，主要是由于水泥硬化體空隙中的相對濕度低，發(fā)生自干燥。
1.3 冷縮水泥水化過程中放出大量的熱量，主要集中在前7天內(nèi)，混凝土內(nèi)部和表面的散熱條件不同，因而使混凝土內(nèi)部溫度較外部高，形成較大溫度差，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土的內(nèi)外約束應(yīng)力時，產(chǎn)生冷縮裂縫。
1.4 堿-集料反應(yīng)堿-集料反應(yīng)（AAR）是混凝土中的堿與集料中的活性組分之間發(fā)生的膨脹性化學(xué)反應(yīng)，具有較嚴(yán)重的破壞作用。AAR按活性組分類型可分為堿-硅酸反應(yīng)（ASR）和堿-碳酸鹽反應(yīng)（ACR）。AAR反應(yīng)由于水泥中有較高堿性，OH-使活性二氧化硅發(fā)生水解形成堿-二氧化硅凝膠，水被凝膠吸附，使體積增大。AAR反應(yīng)多在混凝土澆筑幾個月或幾年后發(fā)生，混凝土遭到破壞。
2 抗裂防滲劑作用機理
2.1 膨脹劑的作用膨脹劑由轉(zhuǎn)窯煅燒的鋁質(zhì)熟料、硬石膏、明礬石等混合粉磨而成。摻人混凝土中后，膨脹劑中鋁質(zhì)熟料中CA首先與CaSO、Ca（OH）2水化生成水化硫鋁酸鈣即鈣礬石，而產(chǎn)生體積膨脹，其化學(xué)反應(yīng)式為：3CA+3CaS04.2H2O+32H2O→C3A.3CaSO4.32H2O+2（A12O3.H2O）
活性較低的明礬石在CaSO4、Ca（OH）2的激發(fā)下生成鈣礬石，在中后期又產(chǎn)生微膨脹，其反應(yīng)式為：K2SO4.A12（SO4）3.4A1（OH）3+13Ca（OH）2+5CaSO4+78H2O→3（C3A.3CaSO4.32H2O）+2KOH水化早期鋁質(zhì)熟料中CA反應(yīng)在前，膨脹量較大，同時生成的鈣礬石與水化氫氧化鋁凝膠，使膨脹相與膠凝相合理匹配，既保證了膨脹效能又保證了強度；明礬石反應(yīng)生成的鈣礬石在中后期有微量膨脹，使水泥石后期具有微膨脹，改善了水泥-集料界面微區(qū)結(jié)構(gòu)，有利于提高混凝土的性能。
2.2 抗裂防滲劑在混凝土中的作用抗裂防滲劑摻到水泥中形成的補償收縮混凝土，在限制條件下產(chǎn)生的膨脹率為0.02％～0.04％，在鋼筋等的約束下，可在混凝土中產(chǎn)生0.2～0.7MPa的預(yù)壓應(yīng)力。這一預(yù)壓應(yīng)力大致可抵消混凝土硬化過程中產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力，從而消除或減少裂縫。混凝土膨脹作用主要處于14d以前，用于補償混凝土的干縮，產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力抵消混凝土冷縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，還可提高混凝土的強度。
從抗裂防滲劑機理可知，摻入抗裂防滲劑的混凝土在水化硬化中，建立起了干縮和冷縮的聯(lián)合補償模式，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部不斷致密，最終達(dá)到超長混凝土結(jié)構(gòu)無縫施工的目的?？沽逊罎B劑在大體積混凝土中降低水泥石的水化熱，不會因過多的水化熱不能及時排出而破壞混凝土結(jié)構(gòu)。
抗裂防滲劑中的硫鋁酸鈣和石膏與石灰水化形成的氫氧化鈣相化合而生成膨脹源鈣礬石，起到填充、切斷混凝土中毛細(xì)孔縫作用，使其獲得較好的致密性，從而提高了混凝土的抗?jié)B能力。 2.3抗裂防滲劑作用微觀分析2.3.1 掃描電鏡分析不同抗裂防滲劑摻量水泥經(jīng)過7d水化后的微觀結(jié)構(gòu)見圖1～圖2，摻量分別為8%和12%.在掃描電鏡下可見到良好的晶體形態(tài)，其主要水化產(chǎn)物有水化硅酸鈣凝膠、氫氧化鈣，不同抗裂防滲劑摻量的材料中可見相應(yīng)的鈣礬石晶體。鈣礬石晶體主要在材料的孔隙中形成，呈柱狀或針狀。單晶體的長度為4～5μm，寬度僅0.2μm左右。鈣礬石晶體和氫氧化鈣結(jié)晶的析出，填充了原來由水溶液占據(jù)的孔隙，從而使水泥石更加密實，并達(dá)到膨脹的效果。從圖片顯示，隨著摻量和時間的增加，鈣礬石晶體晶體的數(shù)量明顯增多，結(jié)晶也進一步變長變粗，孔隙比原來要密實得多。28d的明顯特征在于形成大量的水化硅酸鈣凝膠體，有的區(qū)域水化硅酸鈣凝膠體已將鈣礬石晶體包裹，材料結(jié)構(gòu)的孔隙進一步縮小，水泥石更加致密。
在掃描電鏡下可見到良好的晶體形態(tài)，材料的水化程度是比較高的。其主要水化產(chǎn)物有水化硅酸鈣凝膠、氫氧化鈣，各種抗裂防滲劑摻量的材料中可見相應(yīng)的鈣礬石晶體。鈣礬石晶體主要在材料的孔隙中形成，呈柱狀或針狀。單晶體的長度為4～5μm，寬度僅0.2μm左右。氫氧化鈣結(jié)晶也是從水溶液中析出的結(jié)晶。鈣礬石晶體和氫氧化鈣結(jié)晶的析出，填充了原來由水溶液占據(jù)的孔隙，從而使水泥石更加密實，并達(dá)到膨脹的效果。28d的明顯特征在于形成大量的水化硅酸鈣凝膠體，有的區(qū)域水化硅酸鈣凝膠體已將鈣礬石晶體包裹，材料結(jié)構(gòu)的孔隙進一步縮小，水泥石更加致密。
2.3.2 X-射線衍射分析在早期的水化產(chǎn)物主要是鈣礬石、Ca（OH）2和CaCO3，CaCO3是由Ca（OH）2碳化形成的。7d時CaCO3基本消失。水化28d后早期的產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為鈣礬石，水化產(chǎn)物與原來的設(shè)計比較相符。對比空白水泥樣，摻F抗裂防滲劑水泥的Ca（OH）2、C2S和C3S峰的衍射強度差別不大，鈣礬石特征峰的強度得到明顯增強，而沒有其他新特征峰出現(xiàn)。說明在硅酸鹽水泥水化體系中，主要的水化相是C-S-H凝膠、鈣礬石和Ca（OH）2，沒有新的水化物晶體生成。隨著水化齡期的增加，C-S-H和鈣礬石的數(shù)量增多，鈣礬石作為膨脹源，其膨脹驅(qū)動力是它與C-S-H交織在一起的凝膠狀態(tài)鈣礬石吸水膨脹和生長在孔隙中的柱狀鈣礬石結(jié)晶體的生長力。水化28d CaSO4基本消耗完畢。
關(guān)鍵詞：混凝土，抗裂防滲劑，體積穩(wěn)定性裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)中不僅會降低建筑物的抗?jié)B能力，而且會引起鋼筋的銹蝕，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影響建筑物耐久性。采用抗裂防滲劑配制混凝土可大大減輕混凝土裂紋?？沽逊罎B劑在混凝土中產(chǎn)生壓應(yīng)力，抵消導(dǎo)致混凝土開裂的大部分拉應(yīng)力，因此避免或減輕了開裂，提高混凝土耐久性。
1 混凝土的體積變化機理
1.1 干燥收縮干燥收縮是由毛細(xì)水的損失而引起的硬化混凝土的收縮。這種收縮使拉應(yīng)力增加，可使混凝土在未承受任何載荷之前便出現(xiàn)裂紋。所有的水泥混凝土都隨著齡期增長產(chǎn)生干燥收縮或水化物體積的變化。干燥收縮受原材料性能、混凝土配合比、攪拌方式、養(yǎng)護時的濕度條件、干燥環(huán)境和構(gòu)件尺寸等因素影響。混凝土的配合比中用水量影響。干燥收縮程度還與環(huán)境相對濕度、溫度和空氣流通狀況有關(guān)。
1.2 自收縮自收縮是由自干燥或混凝土內(nèi)部相對濕度降低引起的收縮，是混凝土在恒溫絕濕條件下，由于水泥水化作用引起的混凝土宏觀體積減少的現(xiàn)象。即未水化的水泥與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，生成物的體積小于前兩者總和的現(xiàn)象?；炷烈蚋稍锂a(chǎn)生體積變化的同時發(fā)生自收縮?；炷磷允湛s的產(chǎn)生，主要是由于水泥硬化體空隙中的相對濕度低，發(fā)生自干燥。
1.3 冷縮水泥水化過程中放出大量的熱量，主要集中在前7天內(nèi)，混凝土內(nèi)部和表面的散熱條件不同，因而使混凝土內(nèi)部溫度較外部高，形成較大溫度差，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土的內(nèi)外約束應(yīng)力時，產(chǎn)生冷縮裂縫。
1.4 堿-集料反應(yīng)堿-集料反應(yīng)（AAR）是混凝土中的堿與集料中的活性組分之間發(fā)生的膨脹性化學(xué)反應(yīng)，具有較嚴(yán)重的破壞作用。AAR按活性組分類型可分為堿-硅酸反應(yīng)（ASR）和堿-碳酸鹽反應(yīng)（ACR）。AAR反應(yīng)由于水泥中有較高堿性，OH-使活性二氧化硅發(fā)生水解形成堿-二氧化硅凝膠，水被凝膠吸附，使體積增大。AAR反應(yīng)多在混凝土澆筑幾個月或幾年后發(fā)生，混凝土遭到破壞。
2 抗裂防滲劑作用機理
2.1 膨脹劑的作用膨脹劑由轉(zhuǎn)窯煅燒的鋁質(zhì)熟料、硬石膏、明礬石等混合粉磨而成。摻人混凝土中后，膨脹劑中鋁質(zhì)熟料中CA首先與CaSO、Ca（OH）2水化生成水化硫鋁酸鈣即鈣礬石，而產(chǎn)生體積膨脹，其化學(xué)反應(yīng)式為：3CA+3CaS04.2H2O+32H2O→C3A.3CaSO4.32H2O+2（A12O3.H2O）
活性較低的明礬石在CaSO4、Ca（OH）2的激發(fā)下生成鈣礬石，在中后期又產(chǎn)生微膨脹，其反應(yīng)式為：K2SO4.A12（SO4）3.4A1（OH）3+13Ca（OH）2+5CaSO4+78H2O→3（C3A.3CaSO4.32H2O）+2KOH水化早期鋁質(zhì)熟料中CA反應(yīng)在前，膨脹量較大，同時生成的鈣礬石與水化氫氧化鋁凝膠，使膨脹相與膠凝相合理匹配，既保證了膨脹效能又保證了強度；明礬石反應(yīng)生成的鈣礬石在中后期有微量膨脹，使水泥石后期具有微膨脹，改善了水泥-集料界面微區(qū)結(jié)構(gòu)，有利于提高混凝土的性能。
2.2 抗裂防滲劑在混凝土中的作用抗裂防滲劑摻到水泥中形成的補償收縮混凝土，在限制條件下產(chǎn)生的膨脹率為0.02％～0.04％，在鋼筋等的約束下，可在混凝土中產(chǎn)生0.2～0.7MPa的預(yù)壓應(yīng)力。這一預(yù)壓應(yīng)力大致可抵消混凝土硬化過程中產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力，從而消除或減少裂縫。混凝土膨脹作用主要處于14d以前，用于補償混凝土的干縮，產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力抵消混凝土冷縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，還可提高混凝土的強度。
從抗裂防滲劑機理可知，摻入抗裂防滲劑的混凝土在水化硬化中，建立起了干縮和冷縮的聯(lián)合補償模式，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部不斷致密，最終達(dá)到超長混凝土結(jié)構(gòu)無縫施工的目的?？沽逊罎B劑在大體積混凝土中降低水泥石的水化熱，不會因過多的水化熱不能及時排出而破壞混凝土結(jié)構(gòu)。
抗裂防滲劑中的硫鋁酸鈣和石膏與石灰水化形成的氫氧化鈣相化合而生成膨脹源鈣礬石，起到填充、切斷混凝土中毛細(xì)孔縫作用，使其獲得較好的致密性，從而提高了混凝土的抗?jié)B能力。 2.3抗裂防滲劑作用微觀分析2.3.1 掃描電鏡分析不同抗裂防滲劑摻量水泥經(jīng)過7d水化后的微觀結(jié)構(gòu)見圖1～圖2，摻量分別為8%和12%.在掃描電鏡下可見到良好的晶體形態(tài)，其主要水化產(chǎn)物有水化硅酸鈣凝膠、氫氧化鈣，不同抗裂防滲劑摻量的材料中可見相應(yīng)的鈣礬石晶體。鈣礬石晶體主要在材料的孔隙中形成，呈柱狀或針狀。單晶體的長度為4～5μm，寬度僅0.2μm左右。鈣礬石晶體和氫氧化鈣結(jié)晶的析出，填充了原來由水溶液占據(jù)的孔隙，從而使水泥石更加密實，并達(dá)到膨脹的效果。從圖片顯示，隨著摻量和時間的增加，鈣礬石晶體晶體的數(shù)量明顯增多，結(jié)晶也進一步變長變粗，孔隙比原來要密實得多。28d的明顯特征在于形成大量的水化硅酸鈣凝膠體，有的區(qū)域水化硅酸鈣凝膠體已將鈣礬石晶體包裹，材料結(jié)構(gòu)的孔隙進一步縮小，水泥石更加致密。
在掃描電鏡下可見到良好的晶體形態(tài)，材料的水化程度是比較高的。其主要水化產(chǎn)物有水化硅酸鈣凝膠、氫氧化鈣，各種抗裂防滲劑摻量的材料中可見相應(yīng)的鈣礬石晶體。鈣礬石晶體主要在材料的孔隙中形成，呈柱狀或針狀。單晶體的長度為4～5μm，寬度僅0.2μm左右。氫氧化鈣結(jié)晶也是從水溶液中析出的結(jié)晶。鈣礬石晶體和氫氧化鈣結(jié)晶的析出，填充了原來由水溶液占據(jù)的孔隙，從而使水泥石更加密實，并達(dá)到膨脹的效果。28d的明顯特征在于形成大量的水化硅酸鈣凝膠體，有的區(qū)域水化硅酸鈣凝膠體已將鈣礬石晶體包裹，材料結(jié)構(gòu)的孔隙進一步縮小，水泥石更加致密。
2.3.2 X-射線衍射分析在早期的水化產(chǎn)物主要是鈣礬石、Ca（OH）2和CaCO3，CaCO3是由Ca（OH）2碳化形成的。7d時CaCO3基本消失。水化28d后早期的產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為鈣礬石，水化產(chǎn)物與原來的設(shè)計比較相符。對比空白水泥樣，摻F抗裂防滲劑水泥的Ca（OH）2、C2S和C3S峰的衍射強度差別不大，鈣礬石特征峰的強度得到明顯增強，而沒有其他新特征峰出現(xiàn)。說明在硅酸鹽水泥水化體系中，主要的水化相是C-S-H凝膠、鈣礬石和Ca（OH）2，沒有新的水化物晶體生成。隨著水化齡期的增加，C-S-H和鈣礬石的數(shù)量增多，鈣礬石作為膨脹源，其膨脹驅(qū)動力是它與C-S-H交織在一起的凝膠狀態(tài)鈣礬石吸水膨脹和生長在孔隙中的柱狀鈣礬石結(jié)晶體的生長力。水化28d CaSO4基本消耗完畢。