混凝土可施工性要求高, 外加剂和矿物掺和料掺量大, 导致混凝土成型收缩明显增加, 学术界对此有较一致的认识^[1,2]。除了配合比及原材料方面问题外, 施工与养护的非规范作业行为易导致混凝土过多收缩变形引发结构开裂等问题, 成为混凝土工程十分普遍且不易解决的难题。

　　 为此, 研究人员通过掺加纤维以限制混凝土收缩引起的开裂, 取得了一些成效, 如刘数华等^[3]通过试验和机理分析得出掺入一定量的聚丙烯纤维能够有效减少混凝土开裂;郝娟等^[4]通过试验得出钢纤维、聚酯纤维、PP纤维对掺入矿物掺和料混凝土开裂约束效果明显, 且纤维弹性模量与其抑制作用有较好相关性;李为民等^[5]证明均匀分布的玄武岩纤维能限制混凝土微裂缝的发展, 对混凝土有增强、增韧效果。

　　 添加新材料以改善混凝土自身抗渗与防裂是一种显著有效的途径。目前采用新材料复合多组分添加料改善混凝土抗裂性能研究不少^[6,7,8], 但相关工作性和早期抗裂效果方面研究涉及不多。由于混凝土收缩引起开裂更多地发生在早龄期^[9,10], 因此本文通过非接触早龄期收缩试验和平板诱导开裂试验对一类新型复合活性剂+聚酯纤维的防渗抗裂外加剂应用于混凝土早期抗裂性进行研究, 并结合拌合物工作性能试验, 对该复合防渗抗裂外加剂的应用特点进行分析。

　　 水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥, 比表面积372m²/kg, 初凝时间211min, 终凝时间264min;细集料为普通黄砂, 细度模数为2.8;粗集料为石灰石, 最大粒径25mm, 5～25mm连续级配, 压碎值11%～13%;减水剂采用聚羧酸高效减水剂。试验配合比 (kg/m³) :水∶水泥∶砂∶骨料1 (10～25mm) ∶骨料2 (0～10mm) ∶减水剂∶复合活性剂∶聚酯纤维=176∶390∶754∶674∶368∶1.50∶0.40∶0.60。纤维与复合活性剂配合比如表1, 2所示。

　　 非接触早龄期收缩试验采用CABR-NES非接触式混凝土收缩变形测定仪。试验通过在试模四周覆盖1层塑料薄膜来减少模具对混凝土的约束。 为保证混凝土振动密实同时又尽量减少骨料沉降不均, 混凝土分2层装入模具, 试模合理振动时间为15s+15s, 温度 (20±1) ℃, 相对湿度 (60±2) %。

　　 平板诱导开裂试验依据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》, 模具有效尺寸800mm×600mm×100mm。试件表面中心上方10cm风速设定为5m/s左右, 裂缝测量采用PTS-E40裂缝综合测试仪和40倍放大镜。坍落度及其经时损失试验、含气量试验、压力泌水试验参照SL352—2006《水工混凝土试验规程》。

　　 平板开裂试验结果如图1所示。可以明显看出基准混凝土样 (M) 在裂缝诱导器处明显开裂贯穿, 裂缝长度普遍100cm以上, 裂缝宽度多数较宽。CP1和CP2混凝土出现间断裂缝, 没有出现裂缝贯穿现象, 且裂缝长度、宽度明显减小;其中, CP1裂缝最长33cm, CP2裂缝最长42cm。CP3和CP4混凝土裂缝沿诱导器几乎贯穿, 裂缝长、宽均比CP1, CP2有所增加, 但相较于基准样裂缝长度数量仍有明显减少。

　　 裂缝宽度分布汇总如表3所示, 可以得出:基准混凝土宽大裂缝3条, 最大裂缝宽度达0.5mm, 中等宽度裂缝5条, 裂缝宽度主要分布于中大裂缝区;CP1, CP2混凝土裂缝开裂宽度最小, 无宽大裂缝, 中等宽度裂缝都只有2条, 裂缝宽度集中于小裂缝区0.2mm左右;CP3, CP4裂缝短而多, 略高于CP1, CP2混凝土, 裂缝宽度主要分布于中小裂缝区。

　　 由裂缝单位面积上总开裂面积比较可知:复合活性剂+聚酯纤维试样的开裂面积相比于基准混凝土有明显减小, 基准单位面积上的总开裂值2 960mm²/m², CP1, CP2, CP3, CP4相比于基准混凝土分别减小86.4%, 86.0%, 79.2%, 76.6%。本次试验发现, 随复合活性剂中重质钙粉/氧化活性剂比例增加, 混凝土单位面积裂缝总开裂面积减小, 呈较好的负相关性。

　　 将掺入复合活性剂+聚酯纤维混凝土 (CP1, CP2) 与基准混凝土压力泌水率进行比较, 如图2所示, 可以得出掺入适量复合活性剂+聚酯纤维能够有效减少混凝土压力泌水情况, 提高其保水能力。复合活性剂能吸收混凝土中水分, 在混凝土中起到内养护作用:在混凝土水化反应过程中, 复合活性剂能持续催化释放拌合物中自由水分以适时地提供水化反应所需, 改善混凝土内部湿度场, 调节水化反应进程;由于水化进程的平稳进行, 减缓了C-S-H微结构由于毛细管压力而引起的开裂收缩。

　　 混凝土劈裂抗拉试验截面如图3所示, □表示水泥浆与骨料的结合面 (即沿骨料表面劈开的截面) , △表示劈开骨料的截面。可以发现, 掺入复合活性剂+聚酯纤维混凝土 (此处以CP1为代表进行说明) 相比于基准混凝土水泥浆与混凝土的薄弱结合面明显减少, 而劈开骨料面积显著增大, 说明复合活性剂+聚酯纤维能改善混凝土中有机-无机物质 (即水泥浆-骨料) 的界面结合性质, 提高混凝土水泥浆与骨料的黏结力, 对混凝土受拉破坏起到很好的抵抗作用。同时, 当混凝土裂缝行将出现, 细微直径 (22μm) 聚酯纤维将对混凝土裂缝扩展和延伸起到很好的阻隔作用, 有效限制裂缝长度与宽度发展。本文试验配方范围内, 随着复合活性剂中重质钙粉/氧化活性剂比值的增加, 复合活性剂在混凝土中发挥抗裂作用更加明显。

　　 混凝土早期收缩曲线规律主要基于基准混凝土 (M) 收缩曲线, 如图4所示。

　　 初凝前:反应初期, 混凝土水化反应快速进行, C₃A水化产物AFt (三硫型水化硫酸钙) 不断生成, 放出大量热量。随着反应进行, 混凝土中SO₄^2-含量减少, C₃A水化反应速率变慢, 水化放热减少, 混凝土膨胀量降低。由于混凝土没有初凝, 总体收缩 (主要为塑性收缩) 变化不明显;混凝土收缩曲线在0～4.5h收缩速率不断增加, 体现了混凝土初始反应速率很快, 膨胀量显著大于收缩量, 曲线表现为先膨胀后收缩的快速上升曲线。

　　 初凝后、终凝前:随混凝土中Ca²⁺浓度增加, C₃S水化反应快速进行, 水化放热引起的膨胀量不断增大。此时混凝土表面水分已蒸发殆尽, 蒸发逐渐向混凝土内部延伸, 干燥收缩速率趋缓。由于这一阶段生成物体积收缩量总体大于膨胀量, 因而4.5～10h呈收缩速率渐减的上升曲线。

　　 终凝后:混凝土中C₃S水化反应逐渐趋弱, 石膏耗尽, C₃A发生二次反应, 逐渐生成AFm (单硫型水化硫酸钙) , 放出少量热量, AFm生成及转化AFt会出现体积微小膨胀;21h后, 尽管累计混凝土水化反应热量增加, 但热量增量速率则明显趋弱, 因此混凝土收缩率逐渐趋于下降;由于热量降低导致的收缩量逐渐大于膨胀量, 曲线出现缓慢上升趋势。

　　 非接触早龄期收缩试验在混凝土浇筑完成后50min开始记录, 每3min记录1次, 总计时长72h, 结果如图4所示。

　　 可以看出:混凝土72h的收缩主要发生在试验开始10h以内, M, CP1, CP2, CP3, CP4试验开始10h收缩量分别占72h总收缩量的94.7%, 92.5%, 89%, 92.9%, 91.3%。掺入复合活性剂+聚酯纤维的混凝土72h收缩量相比于基准混凝土有明显减少, 基准混凝土72h收缩总量为808μm, CP1, CP2, CP3, CP4混凝土72h收缩总量分别为504, 500, 567, 586μm, 相比于基准混凝土分别减少了37.6%, 38.1%, 29.8%, 27.5%, 并且随着复合活性剂中重质钙粉/氧化活性剂掺量适度变化, 混凝土72h总收缩量有减少趋势。

　　 由图4可知, 复合活性剂+聚酯纤维抑制混凝土收缩主要分为以下2个阶段。

　　 1) 初凝前, 复合活性剂+聚酯纤维试样相比于基准混凝土收缩量有明显减少, 4.5h左右 CP1, CP2, CP3, CP4收缩量分别减少53.3%, 52.3%, 45.6%, 54.0%。一方面, 由于复合活性剂在混凝土中内养作用, 极大地减少了水分析出产生的毛细管压力, 降低了混凝土早期塑性收缩;另一方面, 聚酯纤维在混凝土中形成的三维框架体系, 对早期混凝土骨料沉降产生一定阻碍, 减少塑性阶段的沉降收缩。

　　 2) 初凝后、终凝前, 复合活性剂+聚酯纤维混凝土收缩量相比于基准混凝土也有所减少, 主要是因为聚酯纤维在混凝土内杂乱分布, 减缓了水分在混凝土中散失速率, 降低了混凝土干燥收缩;且混凝土收缩量达到临界内部微裂缝阈值时, 经过表面处理过的聚酯纤维与混凝土之间黏结力能很好地限制微裂缝进一步开展, 减少总体收缩量。

　　 采用模拟搅拌车装置对混凝土运输过程进行模拟 (封闭和慢搅拌环境) , 每隔0.5h对混凝土坍落度进行测量, 结果如图5所示。

　　 由图5可知:相比于基准混凝土, CP1, CP2试样初始坍落度分别减少1.5, 2.0cm, 主要因为聚酯纤维在混凝土中杂乱分布, 提高浆体包裹能力, 但在混凝土流动或者坍落时会产生一定阻碍作用, 进而降低混凝土坍落度;基准混凝土0.5h坍落度损失1.5cm, 而CP1, CP2试样坍损几乎为0;另外M, CP1, CP2混凝土1h坍落度损失分别为5.5, 6.0, 1.5cm, 说明复合活性剂+纤维能提高混凝土保坍性能, 其中CP2配合比下混凝土保坍性明显增加。其原因与复合活性剂中的氧化成分均衡抑制水化进程直接关联, 也与微细纤维在拌合物中形成的纤维丝吸附层水气通道进而改善流动性有关。

　　 由混凝土含气量 (见图6) 和压力泌水率 (见图2) 试验结果可以看出:复合活性剂+聚酯纤维对于混凝土含气量有较大提升, CP1, CP2试样含气量相比基准混凝土分别增加35%, 70%。这是由于聚酯纤维均布于混凝土浆体之间, 单根纤维包裹层提供了可赋存水气的间隙及孔道, 从而提高了拌合物内含气量。基准混凝土压力泌水率68%, CP1, CP2试样压力泌水率62%, 44%, 复合活性剂+聚酯纤维能减少混凝土压力泌水率, 表明复合活性剂+聚酯纤维能增加拌合物压力状态下保水性, 改善混凝土工作性能。

　　 1) 复合活性剂+聚酯纤维的掺入能明显减少无掺和料混凝土开裂风险;其抗裂效果与复合活性剂中重质钙粉/氧化活性剂的掺量比密切相关。本文CP1, CP2, CP3, CP4试样单位面积上裂缝总开裂面积相比于基准混凝土分别减少86.4%, 86.0%, 79.2%, 76.6%。

　　 2) 复合活性剂+聚酯纤维对无掺和料混凝土早期收缩具有抑制作用, CP1, CP2, CP3, CP4拌合物72h收缩量相比于基准混凝土收缩量分别减少37.6%, 38.1%, 29.8%, 27.5%。

　　 3) CP1, CP2配合比下无掺和料混凝土拌合物坍落度相对于基准混凝土减少1.5, 2.0cm, 含气量增多35%, 70%, 压力泌水率降低6%, 24%, 对混凝土工作性有所改善。