摘 要：為解決混凝土開裂、滲漏和養(yǎng)護(hù)困難問題，研究開發(fā)出了DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料。本文研究了這種材料的主要性能和作用機(jī)理。結(jié)果表明，DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料具有顯著提高混凝土抗裂抗?jié)B性能的作用，可以廣泛應(yīng)用于地下室、地鐵、隧道和水利水電、港口碼頭等有較高防滲要求的工程及超長結(jié)構(gòu)無縫施工。
關(guān)鍵詞：混凝土 抗裂 抗?jié)B 復(fù)合材料
Properties, Mechanism and Application of DoublexTM High Cracking Resistant
Abstract：DoublexTM high cracking resistant and high permeating resistant composite material was researched and developed for preparing high cracking resistant and high permeating resistant concrete. In this paper, the properties, mechanism and application of the material is presented. The results show that DoublexTM high cracking resistant and high permeating resistant composite material can greatly improve the cracking resistant and permeating resistant performance of concrete, and can be widely used in basement, subway, tunnel, hydraulic facility and hydraulic power engineering, port and dock engineering, and gap-free super-long structure construction.
Key Words： concrete, cracking resistance, permeating resistance, composite admixture.
混凝土的開裂、滲漏一直時困擾建筑工程界的一個技術(shù)難題，開裂和滲漏給各種混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性會帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響。如何有效地解決混凝土的開裂、滲漏問題一直是材料界和建筑工程界的研究熱點(diǎn)。雖然已有一些材料如膨脹劑、聚丙烯纖維以及膨脹劑與聚丙烯纖維雙摻的技術(shù)已逐步應(yīng)用于混凝土的防裂防滲工程，但是工程效果依然不甚理想，而且，膨脹劑類產(chǎn)品在施工過程中的養(yǎng)護(hù)困難也是一個突出的問題。
為有效解決混凝土的開裂、滲漏及養(yǎng)護(hù)困難問題，南京派尼爾科技實業(yè)有限公司開展了“高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料的研究與應(yīng)用”的新材料研究開發(fā)項目。通過兩年多的努力，研究開發(fā)出了以高效膨脹組分、合成纖維、保水組分和改性組分組成的DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料，并在有關(guān)工程中得到應(yīng)用，取得了良好的效果。該項目研究成果于2007年9月15日通過了南京市科技局組織的科技成果鑒定，鑒定委員會對該項研究成果給予了高度評價，一致認(rèn)為該研究成果處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。本文簡要介紹DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料的綜合性能、作用機(jī)理及其工程應(yīng)用情況。
1 原材料與試驗方法
1.1 試驗原材料
試驗所用原材料為中國水泥廠產(chǎn)P•O 42.5級水泥、細(xì)度模數(shù)2.6的黃砂、5~31.5 mm連續(xù)級配碎石、市售PP聚丙烯纖維（直徑48 µm，長度12 mm）、HEA高效膨脹劑和DB-Ⅰ型（基本型）和DB-Ⅱ型（泵送型）。
1.2 試驗配合比
混凝土和砂漿性能試驗用配合比見表1和表2。 
1.3 試驗方法
混凝土和砂漿制作采用強(qiáng)制式小型攪拌機(jī)拌合，為保證纖維均勻分布，采用了先干拌后濕拌的拌合工藝?；炷恋墓ぷ餍砸罁?jù)GB/T50081-2002進(jìn)行；混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的試驗依據(jù)GB/T50082-2002進(jìn)行，其中抗壓和劈裂抗拉試件尺寸150 mm × 150 mm × 150 mm，抗折強(qiáng)度試件尺寸100 mm× 100 mm × 400 mm；砂漿抗裂性試驗依據(jù)CECS38：2004的方法進(jìn)行；保水性試驗參照德國瓦克公司提供的方法進(jìn)行；抗?jié)B性試驗參照DL-T5150-2001的方法進(jìn)行；彎曲韌性試驗依據(jù)ASTM-1089和CECS13：1989的方法進(jìn)行；抗沖擊試驗采用美國ACI544委員會提出的方法進(jìn)行，抗沖擊試件尺寸為Ø150 mm × 60 mm。試件在振動臺上振動成型，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行性能測試。用掃描電子顯微鏡觀察砂漿試樣的顯微結(jié)構(gòu)。
2 DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料的性能試驗結(jié)果與討論
2.1 混凝土的工作性及力學(xué)性能
表3是摻加不同外加劑的新拌混凝土的工作性和硬化混凝土試件的力學(xué)性能。從試驗結(jié)果可知，C2、C3、C4和C5混凝土的坍落度較小，這是由于纖維、膨脹劑和DB-Ⅰ的加入，在一定程度上降低了混凝土的流動性；但摻入DB-Ⅱ不會降低混凝土的流動性，在降低水膠比的情況下混凝土的坍落度仍略有增加，這是由于其中含有緩凝高效減水劑結(jié)果。
摻有膨脹劑的混凝土，包括DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料，其抗壓、劈拉和抗折強(qiáng)度都不同程度地高于基準(zhǔn)混凝土C1和單獨(dú)摻加纖維的混凝土C2，這是由于膨脹劑的加入提高了混凝土的密實性。由于DB-Ⅱ高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料中含有高效減水組分，混凝土成型水膠比低，因此C6混凝土試件的力學(xué)性能明顯優(yōu)于其它混凝土試件。
2.2 混凝土彎曲韌性
各種混凝土試件的彎曲韌性試驗結(jié)果見表4。與基準(zhǔn)混凝土相比，單摻纖維、單摻膨脹劑、“雙摻”纖維和膨脹劑及摻入DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料均顯著提高了混凝土的彎曲韌性，其中又以DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料對混凝土彎曲韌性的提高幅度最大，達(dá)到359％。 
2.3 混凝土抗沖擊性能
不同產(chǎn)品配制的混凝土的抗沖擊性能試驗結(jié)果見表5。從表5可以看出，含有纖維的混凝土的抗沖擊性能均優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土，DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料對混凝土抗沖擊性能的改善優(yōu)于單摻聚丙烯纖維、單摻膨脹劑和“雙摻”聚丙烯纖維與膨脹劑的混凝土。 
2.4 砂漿抗裂性能
表6是各種砂漿的平板收縮試驗結(jié)果。可以看出，基準(zhǔn)砂漿發(fā)生了明顯開裂，裂紋長而多，單摻聚丙烯纖維、單摻膨脹劑以及“雙摻”聚丙烯纖維與膨脹劑的砂漿不同程度地起到了限裂作用，裂紋較短且少；而摻入DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料的砂漿無開裂現(xiàn)象，其裂縫降低系數(shù)為100%，具有良好的抗裂性。DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料的限裂作用優(yōu)于簡單“雙摻”聚丙烯纖維與膨脹劑的作用，這是由于DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料采用優(yōu)質(zhì)的合成纖維和高效膨脹組分，以及復(fù)合保水組分等多種功能材料，在工廠采取預(yù)混技術(shù)，各組分優(yōu)化配比，充分混合產(chǎn)生復(fù)合化疊加效應(yīng)的結(jié)果。 
2.5 砂漿保水性能
表7是各種砂漿的保水率試驗結(jié)果?；鶞?zhǔn)砂漿、單摻聚丙烯纖維、單摻膨脹劑和“雙摻”聚丙烯纖維與膨脹劑的砂漿保水性差別不大，保水效果不甚理想，而摻入DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料的砂漿由于保水組分的作用，保水率明顯增大，其保水率提高30%以上，具有良好的保水性。
砂漿保水率提高系數(shù)按下式計算： 
2.6 抗?jié)B性能
表8是根據(jù)DL-T5150-2001《水工混凝土試驗規(guī)范》規(guī)定的“混凝土相對抗?jié)B性試驗”，在0.8 MPa水壓時的抗?jié)B性試驗結(jié)果。
抗?jié)B性能提高系數(shù)按下式計算：
抗?jié)B性能提高系數(shù)=100 ×（1-H2/H1） （%）
式中：H1—基準(zhǔn)混凝土滲水高度，cm； H2—待檢混凝土滲水高度，cm。 
從表8可以看出，與基準(zhǔn)混凝土相比，纖維混凝土的抗?jié)B性能提高系數(shù)僅為45%，說明單摻纖維對混凝土的抗?jié)B性提高不明顯；膨脹混凝土由于膨脹劑的補(bǔ)償收縮及膨脹水化物的填充密實作用，抗?jié)B能力大大提高，抗?jié)B性能提高系數(shù)可達(dá)70%；聚丙烯纖維與膨脹劑的“雙摻”混凝土由于聚丙烯纖維與膨脹劑的復(fù)合作用，抗?jié)B能力進(jìn)一步提高，抗?jié)B性能提高系數(shù)可達(dá)72%；而摻入DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料的混凝土抗?jié)B效果明顯優(yōu)于單摻聚丙烯纖維、單摻膨脹劑及“雙摻”聚丙烯纖維與膨脹劑的混凝土，抗?jié)B性能提高系數(shù)高達(dá)75%以上，具有更高的抗?jié)B防水能力。
為了確定DB-Ⅱ高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料混凝土可能的抗?jié)B等級，我們按照DL-T5150-2001《水工混凝土試驗規(guī)范》規(guī)定的“混凝土抗?jié)B性試驗”對C6混凝土進(jìn)行試驗，逐級升壓至3.0 MPa后，保持水壓8 h，6個試件均未滲透水，各試件的平均滲水高度為8.5 cm。因此，DB-Ⅱ高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料混凝土的抗?jié)B等級可高于P30。
3 DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料作用機(jī)理
從上述研究結(jié)果可知，DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料具有顯著提高水泥混凝土和砂漿的抗裂、抗?jié)B和保水性能的作用。
DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料的卓越性能源于材料的復(fù)合技術(shù)。根據(jù)復(fù)合材料理論：“多種單一材料結(jié)合或混合之后所構(gòu)成的材料可整體看作一個多相系統(tǒng)，其性能乃是各個相的性能的加和值”。中國工程院院士吳中偉教授認(rèn)為[5]，“復(fù)合化是水泥基材料高性能化的主要途徑”，“復(fù)合化的技術(shù)思路——超疊加效應(yīng)，對材料高性能化有重要意義，可用公式1+2≥3表示?！?DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料是由高效膨脹組分、合成纖維、保水組分和改性組分組成的，各種組分在水泥混凝土和砂漿中各自發(fā)揮其特有的作用，同時又互為補(bǔ)充，相互增強(qiáng)。其作用機(jī)理特點(diǎn)如下：
3.1 雙重抗裂、雙重保護(hù)
高效膨脹組分是DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料的主要功能材料，它在混凝土中的作用是在水泥水化過程中形成大量的膨脹結(jié)晶體——鈣礬石。圖1是水泥砂漿中鈣礬石的形成與分布的電子顯微鏡照片。鈣礬石的形成可起到填充、堵塞混凝土毛細(xì)孔的作用，同時由于在鋼筋和鄰位的約束下產(chǎn)生的壓應(yīng)力，在硬化早期可部分抵消混凝土干縮引起的拉應(yīng)力，避免或減少混凝土裂縫的產(chǎn)生。
聚丙烯纖維是DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料的另一主要功能材料，當(dāng)它均勻分布于混凝土內(nèi)部時（見圖2），可使混凝土在塑性初期形成的微裂紋在發(fā)展過程中受到阻擋，難以進(jìn)一步發(fā)展。纖維的加入猶如在混凝土中摻入數(shù)量巨大的微細(xì)筋，抑制了混凝土開裂的進(jìn)程，提高了混凝土的斷裂韌性，從而達(dá)到改善混凝土性能的目的。聚丙烯纖維和膨脹劑分別從物理和化學(xué)兩方面提高混凝土的抗裂能力，為混凝土提供雙重保護(hù)。 
3.2 階段抗裂、層次抗裂
膨脹劑與聚丙烯纖維的防裂原理、作用層面、作用方式及最有效的作用時段不盡相同。膨脹劑主要通過化學(xué)作用補(bǔ)償混凝土硬化階段的收縮，對控制混凝土早期塑性收縮作用不大；聚丙烯纖維對于控制混凝土早期的塑性收縮開裂有明顯的作用，但在硬化階段卻很難再有幫助。DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料將二者復(fù)合使用，這種復(fù)合不是兩種抗裂組分多余的重復(fù)疊加，而是互為補(bǔ)充，相互加強(qiáng)，從不同的層面、以不同的方式以及在不同的時段對混凝土的抗裂作出最有效的貢獻(xiàn)。
孫偉院士指出[6]，“微膨脹劑與聚丙烯纖維的復(fù)合體現(xiàn)了‘層次抗裂、階段抗裂’的科學(xué)理念，符合裂縫控制‘抗’與‘放’的原則，是傳統(tǒng)的補(bǔ)償收縮理論與復(fù)合材料理論的有機(jī)結(jié)合?！?nbsp;
3.3 三重防水、高度抗?jié)B
混凝土結(jié)構(gòu)自防水即依靠混凝土本體來實現(xiàn)建筑防水，已被證明為最根本的建筑防水技術(shù)。由多種功能材料復(fù)合而成的DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B同時具備三種防水機(jī)理，故比單一機(jī)理的產(chǎn)品具有更高的抗?jié)B防水能力的。具體防水機(jī)理如下：
3.3.1 補(bǔ)償收縮、抗裂防滲
在普通混凝土中加入DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料，其膨脹組分經(jīng)水化反應(yīng)可產(chǎn)生大量膨脹性結(jié)晶水化產(chǎn)物鈣礬石，使混凝土產(chǎn)生適度膨脹，在鋼筋和鄰位的約束下，其限制膨脹率可在混凝土中建立0.2~0.7 MPa的預(yù)壓應(yīng)力，從而抵消混凝土在硬化過程中產(chǎn)生的部分或全部拉應(yīng)力，達(dá)到抗裂的目的。此外，膨脹組分與水泥水化后形成的針棒狀鈣礬石晶體，使水泥的總孔隙率降低，而且孔徑變小，形成致密的水泥石結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土的抗?jié)B能力。
3.3.2 減水密實、減低水化熱
DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料泵送型DB-Ⅱ引入的緩凝高效減水劑，可減少單位體積中水泥和水的用量，使混凝土中的水化熱減小，推遲水化放熱時間。因此，可減少混凝土的收縮裂縫，提高混凝土的密實性，達(dá)到密實防水的目的。
3.3.3 物理配筋、抗裂防水
在普通混凝土中加入DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料，其數(shù)量眾多的合成纖維可阻止混凝土的離析，提高混凝土的整體均勻性，顯著減少裂縫的數(shù)量、長度和寬度，降低生成貫通型裂縫的可能性。同時，三維亂向分布的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻斷了混凝土內(nèi)部的毛細(xì)作用，使混凝土抗?jié)B能力明顯提高。
3.4 有效保水，提高養(yǎng)護(hù)效果
特種保水組分是DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料中的主要功能材料，當(dāng)該產(chǎn)品摻入混凝土中時，其保水組分可吸收保持大量水分并緩慢釋放出來，提供水泥、膨脹劑等水化所需的大量水分，提高混凝土的養(yǎng)護(hù)效率并保證混凝土的質(zhì)量。
DoublexTM中獨(dú)有的特種保水組分具有很強(qiáng)的水分吸附及保持能力，可防止并阻緩混凝土由于離析和蒸發(fā)造成的水分流失，提高混凝土的保水能力。同時，保水組分具有反復(fù)吸水功能，在混凝土中可反復(fù)完成吸水—釋水—干燥—再吸水的過程。因此，在保水的同時，可以調(diào)整水分的分布，將其吸收的水分迅速地傳輸至混凝土內(nèi)的每一個地方，促進(jìn)水泥和膨脹劑的水化進(jìn)程。在混凝土的施工過程中，嚴(yán)格的養(yǎng)護(hù)制度和混凝土內(nèi)在保水能力的提高，可提高混凝土的養(yǎng)護(hù)效率，使混凝土在同等養(yǎng)護(hù)條件下獲得更好的養(yǎng)護(hù)效果。
綜上所述，DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料由多種功能材料復(fù)合而成，這種復(fù)合不是多余的重復(fù)疊加，而是互相補(bǔ)充，互相加強(qiáng)。它們從不同的層面、以不同的方式以及在不同的時段對混凝土性能的改善作出最有效的貢獻(xiàn)。
DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料在混凝土中存在著多種作用機(jī)理，這些作用機(jī)理既能獨(dú)立工作，又能互相促進(jìn)，復(fù)合化的疊加效應(yīng)將使混凝土獲得優(yōu)異的性能。
4 DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料的應(yīng)用
DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料可顯著提高混凝土的抗裂抗?jié)B性能，同時可改善混凝土的保水能力，提高混凝土的養(yǎng)護(hù)效果，因此可以廣泛應(yīng)用于地下室、地鐵、隧道和水利水電、港口碼頭等有較高防滲要求的工程，可實現(xiàn)超長結(jié)構(gòu)的無縫施工。
DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料已在許多工程中得到廣泛應(yīng)用。在江蘇省淮安市淮海第一城地下室施工中，使用C35P8混凝土4434 m3，配合比為水泥：DB-Ⅱ：砂：石子：水＝390 kg：30 kg：740 kg：1065 kg：175 kg，6個月后檢查無任何裂縫和滲漏現(xiàn)象。在南京市公安局金盾押運(yùn)中心金庫施工中，分別在C50（底板）和C30（側(cè)墻）混凝土中，摻加膠凝材料重量8%的
DoublexTM材料，12個月后檢查未發(fā)現(xiàn)裂縫和滲漏現(xiàn)象。工程應(yīng)用實踐充分體現(xiàn)了DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料在可提高混凝土的抗裂抗?jié)B性中卓越作用。
5 結(jié) 語
根據(jù)綜合性能的研究、作用機(jī)理的分析和工程應(yīng)用實踐可以得出以下結(jié)論：DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料是一種機(jī)理完善，性能卓越的高性能混凝土外加劑，其對混凝土性能的改善如力學(xué)性能、抗裂性能、抗?jié)B性能、保水性能及抗沖擊性能明顯優(yōu)于單摻聚丙烯纖維、單摻膨脹劑或“雙摻”聚丙烯纖維與膨脹劑。在混凝土中摻加膠凝材料重量6~8%的DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料，可顯著提高混凝土的抗裂性和抗?jié)B性，混凝土的塑性裂縫完全消除，抗?jié)B等級可達(dá)P30以上。其獨(dú)有的特種保水組分可有效改善混凝土的保水性能，因此可提高混凝土的養(yǎng)護(hù)效率。DoublexTM高抗裂、高抗?jié)B復(fù)合材料可廣泛應(yīng)用于地下室、地鐵、隧道和水利水電、港口碼頭等有較高防滲要求的工程及實現(xiàn)超長結(jié)構(gòu)的無縫施工。
