滲透結(jié)晶型材料對混凝土抗壓強度影響試驗研究

王 磊

（中鐵二十一局集團第一工程有限公司 新疆烏魯木齊 830026）

1 引言

混凝土材料本身是一種非均質(zhì)、復合型材料，內(nèi)部存在大量孔隙和裂縫。這些微觀結(jié)構的缺陷，前期會影響混凝土早期抗壓強度，后期則會成為混凝土的滲水通道，引起耐久性能的劣化。由于孔隙和裂縫的形成主要是粗、細集料的天然缺陷所致，混凝土自身很難克服［1－2］。

水泥基滲透結(jié)晶型材料作為一種能夠改善混凝土滲透性的新型材料逐漸引起大家的關注，相關研究也大量開展［3－4］。目前一些研究［5－6］已經(jīng)證明，采用水泥基滲透結(jié)晶型材料作為混凝土表面涂層，能夠很好地起到防水作用，通過對滲透性能的改善，提高了抵抗各種介質(zhì)入侵的能力，進而提高混凝土耐久性能，運用于實際工程中，具有十分廣闊的發(fā)展前景［7－8］。

混凝土的強度越高，其滲透性越低［9］，目前大多數(shù)研究關注水泥基滲透結(jié)晶型材料對混凝土耐久性能改善情況，關于其對混凝土強度的影響研究較少［10］，實際上由于其對滲透性能的改善，也會對混凝土的強度產(chǎn)生一定影響。

本試驗采用佳固士硅酸鹽類滲透結(jié)晶型液態(tài)噴涂材料，是一種新型無機滲透結(jié)晶型防水材料，主要成分為納米級硅酸鹽，具有滲透速度快、滲透深度大、修復效果強等優(yōu)點［11］。該材料不僅能在混凝土表面產(chǎn)生防水層的效果，還能在內(nèi)部修復微裂縫和填補小孔隙，綜合改善混凝土的性能。

通過擬采用佳固士水泥基滲透結(jié)晶型材料，對不同設計強度的混凝土試塊進行噴涂與不噴涂對比試驗，測定不同設計強度和不同齡期混凝土立方體抗壓強度，分析得到水泥基滲透結(jié)晶型材料對混凝土抗壓強度影響規(guī)律。

2 試驗原材料與設計配合比

2.1 原材料

（1）水泥

選取天山水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5級水泥，物理參數(shù)見表1。

表1 水泥物理參數(shù)

（2）細集料與粗集料

細集料采用烏魯木齊市郊砂場河砂，其細度模數(shù)為3.22，含水率為4.6%，表觀密度為2 680 kg／m3；粗集料為烏魯木齊市郊采石場的粒徑5～25 mm連續(xù)級配天然卵石。

（3）外加劑與摻合料

外加劑采用聚羧酸系高性能減水劑，產(chǎn)品名稱XJTS，含固量為37%，減水率35%，為淡黃色透明液體；摻合料為產(chǎn)自烏魯木齊當?shù)氐牡V粉和粉煤灰。

（4）水泥基滲透結(jié)晶型材料

采用佳固士牌納米級硅酸鹽混凝土養(yǎng)護修復增強一體劑，其主要成分為納米級尺寸的硅酸鈉，大小為1～2 nm。

2.2 試驗配合比

通過設計調(diào)整水膠比，擬定4種不同設計強度的混凝土配合比，見表2。

表2 設計配合比

3 試塊制備及試驗方法

3.1 試驗試塊的制備

本試驗主要研究水泥基滲透結(jié)晶型材料對不同養(yǎng)護齡期以及不同設計強度等級混凝土立方體試塊抗壓強度的影響。試驗試塊選擇邊長為150 mm的標準立方體，每個設計配合比分為基準和試驗兩類，每類按照齡期分3組，每組3塊，共計24組，72塊試驗試塊。

試塊1 d成型后脫模，不使用脫模劑。脫模后對試驗類試件的6個面均勻噴涂防水材料佳固士（涂量為200 mL／m2）；基準類不進行任何表面處理。之后將所有試塊放入養(yǎng)護室，采用蒸汽養(yǎng)護，溫度（20±3）℃，濕度RH＞95%。每組試塊養(yǎng)護至設計齡期后取出進行抗壓試驗。部分試驗試塊如圖1所示。

圖1 試驗試塊（部分）

3.2 試驗方法

依據(jù)《混凝土物理力學性能試驗方法標準》［12］，對三個齡期下混凝土立方體試塊的抗壓強度進行測試。試驗在型號為YAW-3000微機控制電液伺服壓力試驗機（見圖2）上進行。試驗加載采用應力控制，加載速率為0.5 MPa／s。每組立方體抗壓強度值依據(jù)規(guī)范規(guī)定計算后確定，精確至0.01 MPa。

圖2 試驗儀器

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 對不同養(yǎng)護齡期的混凝土抗壓強度影響

對抗壓試驗數(shù)據(jù)進行整理，確定每組試塊的抗壓強度值，圖3為7 d、14 d、28 d養(yǎng)護齡期立方體抗壓試驗結(jié)果對比。

從圖3可以看出，不同齡期下水泥基滲透結(jié)晶型材料對混凝土抗壓強度均有不同程度的提升，但提升幅度較小，同時由于采用蒸汽養(yǎng)護方式，混凝土強度發(fā)展很快，7 d齡期的數(shù)據(jù)顯示，各組試驗試塊的抗壓強度值均已超過設計強度值。

圖3 不同養(yǎng)護齡期立方體抗壓試驗結(jié)果對比

考慮到數(shù)據(jù)化分析更為直觀，引入平均增強率，用以說明水泥基滲透結(jié)晶型材料對不同齡期混凝土強度影響程度，指標計算公式：

式中：e為平均增強率；fcd為同一齡期時，4種配合比試驗類混凝土試塊的抗壓強度平均值，MPa；fcs為該齡期時4種配合比基準類混凝土試塊的抗壓強度平均值，MPa。

不同齡期的平均增強率如圖4所示。

圖4 齡期－平均增強率關系曲線

由圖4可知，7 d、14 d和28 d齡期平均增強率存在明顯的變化趨勢，隨著養(yǎng)護齡期增加，平均增強率逐漸降低，這表明在混凝土強度發(fā)展早期，水泥基透水結(jié)晶型材料對于混凝土抗壓強度的影響效果與時間有關。

結(jié)合圖3與圖4，可以看出7 d齡期的平均增強率值為3.95%，4種配合比的試驗試塊抗壓強度平均提升1.50 MPa，其中配合比B（設計強度C30）的混凝土提升效果最佳，抗壓強度提升1.63 MPa。14 d齡期時，平均增強率則降低至2.89%，強度平均提升了1.31 MPa。隨著養(yǎng)護時間的增加，混凝土強度發(fā)展速度逐漸放緩，達到28 d齡期時，混凝土平均增強率僅為2.24%，設計強度C50的混凝土增強效果最弱，抗壓強度僅提升了0.67 MPa。

防水材料影響混凝土強度主要通過混凝土表面修復以及滲入內(nèi)部填補微裂縫及孔隙，表現(xiàn)為降低混凝土的滲透性，試驗采用的水泥基滲透結(jié)晶型材料本身主要成分為納米級硅酸鹽類，其通過參與水化反應，填補混凝土表面及內(nèi)部的細微裂縫與骨料缺陷，降低混凝土滲透性，給予早期混凝土材料一個“額外強度”，表現(xiàn)為對混凝土強度有增強效果。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可知：混凝土強度發(fā)展早期，增強效果最為明顯，此時混凝土強度還沒有得到充分發(fā)展，由水泥基滲透結(jié)晶型材料改善混凝土而提供的強度較為明顯；隨著養(yǎng)護時間增加，混凝土自身強度不斷增長，材料對混凝土強度的增強效果表現(xiàn)為逐漸減弱，因此材料對于不同齡期的混凝土強度增強效果并不相同，且隨著養(yǎng)護時間的增加，增強效果逐漸減小。

結(jié)合目前已有的試驗數(shù)據(jù)，從齡期來看，防水材料在混凝土7 d齡期時的影響效果最強，該齡期時4種設計強度的混凝土平均增強率為3.95%，抗壓強度平均提升1.50 MPa。

4.2 對不同配合比的混凝土抗壓強度的影響

圖5為不同配合比的混凝土抗壓強度增長曲線。

由圖5可以看出，水泥基滲透結(jié)晶型材料對混凝土自身強度的增長速度影響較小，基準類以及試驗類試塊抗壓強度發(fā)展趨勢相似，28 d養(yǎng)護期中，在最初的7 d混凝土強度發(fā)展速度最快；隨著養(yǎng)護時間的增加，強度增長速度逐漸減小，分別比較同一配合比的試驗類與基準類試塊抗壓強度增長規(guī)律，其線段斜率近乎于一致，水泥基滲透結(jié)晶型材料幾乎沒有改變混凝土強度增長速度。

圖5 不同配合比下混凝土抗壓強度增長曲線

養(yǎng)護期28 d內(nèi)，水泥基滲透結(jié)晶型材料對不同（設計強度）配合比混凝土抗壓強度的平均增強值如圖6所示。

圖6 不同配合比混凝土的強度提升對比

對于不同（設計強度）配合比的混凝土，其滲透性和密實性并不相同，因此平均強度提升值存在差異。由圖6可知，對于設計強度較高的混凝土材料，如設計強度為C50（配合比D）的混凝土試塊，其抗壓平均強度提升值為0.83 MPa，增強效果較弱；而設計強度為C30（配合比B）的混凝土增強效果相對最優(yōu)，平均增強值為1.66 MPa。整體來看，在水泥基滲透結(jié)晶型材料噴涂量一致的條件下，混凝土自身強度越高，水泥基滲透結(jié)晶型材料對其強度的增強效果越低。因為自身強度較低的混凝土，其本身初始的滲透性及密實性都相對較低，噴涂水泥基滲透結(jié)晶型材料能夠有效填充密實和修復細微裂縫，相較于設計強度高的混凝土，涂料對低強度的混凝土改善效果更佳，宏觀上則表現(xiàn)為對混凝土的抗壓強度提升作用更強。關于設計強度C20（配合比A）混凝土的平均強度提升值小于設計強度C30（配合比B），其原因可能與水泥基滲透結(jié)晶型材料的噴涂量有關，可以考慮展開以噴涂量為變量的試驗研究。

5 結(jié)論

（1）水泥基滲透結(jié)晶型材料對不同齡期的混凝土抗壓強度影響并不相同，在齡期7 d時增強效果最為明顯，該齡期下4種設計強度的混凝土平均增強率為3.95%，抗壓強度平均提升1.50 MPa。

（2）水泥基滲透結(jié)晶型材料對不同設計強度的混凝土強度影響存在差異，對于設計強度C30的混凝土強度增強效果較好，3個齡期的抗壓強度平均增強值為1.66 MPa。