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定性的作用與影響，以及混凝土抗裂防滲劑的配制要點。
關鍵詞：混凝土，抗裂防滲劑，體積穩定性
裂縫在混凝土結構中不僅會降低建筑物的抗滲能力，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。抗裂防滲劑在混凝土中產生壓應力，抵消導致混凝土開裂的大部分拉應力，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
干燥收縮是由毛細水的損失而引起的硬化混凝土的收縮。這種收縮使拉應力增加，可使混凝土在未承受任何載荷之前便出現裂紋。所有的水泥混凝土都隨著齡期增長產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、養護時的濕度條件、干燥環境和構件尺寸等因素影響。混凝土的配合比中用水量影響最大。干燥收縮程度還與環境相對濕度、溫度和空氣流通狀況有關。
1.2 自收縮
自收縮是由自干燥或混凝土內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象。即未水化的水泥與水發生化學反應時，生成物的體積小于前兩者總和的現象。混凝土因干燥產生體積變化的同時發生自收縮。混凝土自收縮的產生，主要是由于水泥硬化體空隙中的相對濕度低，發生自干燥。
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，混凝土內部和表面的散熱條件不同，因而使混凝土內部溫度較外部高，形成較大溫度差，當溫度應力超過混凝土的內外約束應力時，產生冷縮裂縫。
1.4 堿-集料反應
堿-集料反應(AAR)是混凝土中的堿與集料中的活性組分之間發生的膨脹性化學反應，具有較嚴重的破壞作用。AAR按活性組分類型可分為堿-硅酸反應(ASR)和堿-碳酸鹽反應(ACR)。AAR反應由于水泥中有較高堿性，OH-使活性二氧化硅發生水解形成堿-二氧化硅凝膠，水被凝膠吸附，使體積增大。AAR反應多在混凝土澆筑幾個月或幾年后發生，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
膨脹劑由轉窯煅燒的鋁質熟料、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，而產生體積膨脹，其化學反應式為：
3CA+3CaS04·2H2O+32H2O→C3A·3CaSO4·32H2O+2(A12O3·H2O)
活性較低的明礬石在CaSO4、Ca(OH)2的激發下生成鈣礬石，在中后期又產生微膨脹，其反應式為：
K2SO4·A12(SO4)3·4A1(OH)3+13Ca(OH)2+5CaSO4+78H2O→3(C3A·3CaSO4·32H2O)+2KOH
水化早期鋁質熟料中CA反應在前，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-集料界面微區結構，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，可在混凝土中產生0.2～0.7MPa的預壓應力。這一預壓應力大致可抵消混凝土硬化過程中產生的收縮拉應力，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，產生的預壓應力抵消混凝土冷縮產生的拉應力，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合補償模式，混凝土結構內部不斷致密，最終達到超長混凝土結構無縫施工的目的。抗裂防滲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構。
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、切斷混凝土中毛細孔縫作用，使其獲得較好的致密性，從而提高了混凝土的抗滲能力。 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過7d水化后的微觀結構見圖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，其主要水化產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晶的析出，填充了原來由水溶液占據的孔隙，從而使水泥石更加密實，并達到膨脹的效果。從圖片顯示，隨著摻量和時間的增加，鈣礬石晶體晶體的數量明顯增多，結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，有的區域水化硅酸鈣凝膠體已將鈣礬石晶體包裹，材料結構的孔隙進一步縮小，水泥石更加致密。
圖3、圖4分別為上述摻量材料28d的掃描電鏡圖片。從這些圖片可見，鈣礬石晶體晶體的數量明顯增多，結晶也進一步變長變粗，孔隙比原來要密實得多。兩者都出現大量鈣礬石結晶，前者具有較多的水化凝膠產物將鈣礬石結晶包裹。氫氧化鈣晶體不如后者明顯。
在掃描電鏡下可見到良好的晶體形態，材料的水化程度是比較高的。其主要水化產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。氫氧化鈣結晶也是從水溶液中析出的結晶。鈣礬石晶體和氫氧化鈣結晶的析出，填充了原來由水溶液占據的孔隙，從而使水泥石更加密實，并達到膨脹的效果。28d的明顯特征在于形成大量的水化硅酸鈣凝膠體，有的區域水化硅酸鈣凝膠體已將鈣礬石晶體包裹，材料結構的孔隙進一步縮小，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后早期的產物全部轉化為鈣礬石，水化產物與原來的設計比較相符。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。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和鈣礬石的數量增多，鈣礬石作為膨脹源，其膨脹驅動力是它與C-S-H交織在一起的凝膠狀態鈣礬石吸水膨脹和生長在孔隙中的柱狀鈣礬石結晶體的生長力。水化28d CaSO4基本消耗完畢。
3干縮與冷縮補償模式
由水泥水化理論可知，石膏的溶解速度越快，鈣礬石形成的速度也越快，有效膨脹效能降低。因此抗裂防滲劑生產時要以含雜質較少，溶解速度較慢的硬石膏(硬石膏中SO3≥48％)作為抗裂防滲劑含硫組分。普通水泥混凝土的干縮率約為4×10-4，當其干縮應力大于混凝土的抗拉強度時，便導致混凝土構件開裂。在混凝土中摻用適量抗裂防滲劑，可補償混凝土收縮，防止開裂。
抗裂防滲劑摻人混凝土中后在塑性期間不產生膨脹作用，形成的鈣礬石只起骨架和填孔作用。當混凝土開始硬化后，鈣礬石起補償混凝土自生收縮作用，此間鈣礬石的膨脹能補償大部分冷縮，從而防止溫差裂縫。當混凝土結束養護后置于大氣中，余量鈣礬石繼續生成長大，主要補償混凝土部分干縮。由于開始收縮的時間拖延，混凝土的抗拉強度獲得較大增長。補償收縮混凝土養護期間抗拉強度的較大增長，依時間和環境溫濕度變化分別補償各種收縮，見圖5。
但混凝土結構進入使用狀態后仍受到環境溫度和濕度變化的作用，結構產生的溫度應力仍可能出現微裂。控制大體積混凝土中心溫度和表面溫度之差是十分重要的。普通混凝土溫差控制在25℃之內，否則往往出現冷縮裂縫。而采用補償收縮混凝土，這個溫差可放寬至30～35℃。
水泥水化生成大量的膠凝性質的穩定的水化硅酸鈣凝膠，與抗裂防滲劑反應生成的鈣礬石進一步填充和堵塞孔隙，改善了孔結構和孔的分布，使混凝土結構更加密實，使后期混凝土具有較高的強度增長率。從而提高混凝土力學性能、耐久性、抗滲、抗碳化、鋼筋耐銹蝕性能。
4 抗裂防滲劑的配制抗裂防滲劑采用不同化學外加劑配制，其種類和作用如下：
（1）膨脹劑，主要是補償混凝土的收縮，改變混凝土硬化過程中的應力應變狀態，減少收縮裂縫的產生，增強混凝土的密實度。
（2）減水劑，常用來調節混凝土工作性和用水量。此組分改善拌合混凝土和易性，具有延遲水泥水化開始時間降低早期放熱速度作用。
（3）引氣劑，常用以使混凝土的粘滯性增大，抑制沉降泌水。由于氣泡的阻隔，改變了毛細管的數量與特性，減少了混凝土的滲水通路。
（4）保塑組分，具有減少混凝土坍落度經時損失的功能。
（5）保水劑，可克服混凝土泌水，提高混凝土勻質性。
（6）礦物外加劑，包括粉煤灰、礦渣、微粉等。該組分能充填混凝土中的孔隙，同時也具有增強作用，能提高混凝土的抗滲性，但混凝土干縮隨硅粉摻量的增加而加大，且礦渣泌水現象嚴重，對混凝土抗滲性能影響較大，而粉煤灰抗蝕性較高，水化熱低，可減少混凝土收縮與開裂。
5 抗裂防滲劑在混凝土中的作用
5.1 降低混凝土孔隙率
提高混凝土體積穩定性的主要技術途徑。必須降低混凝土的孔隙率，特別是毛細管孔隙率，最主要的方法是降低混凝土的拌和用水量。目前提高混凝土耐久性基本有以下幾種方法：
(1)摻入高效減水劑：在保證混凝土拌和物所需流動性同時盡可能降低用水量，減少水灰比，使混凝土的總孔隙，特別是毛細管孔隙率大幅降低。
(2)摻入高效活性礦物摻料：在普通混凝土中摻入活性礦物的目的，在于改善混凝土中水泥石的膠凝物質的組成。活性礦物摻料中含有大量活性Si02及活性Al203，和水泥水化產生的游離石灰及高堿性水化硅酸鈣產生二次反映，生成強度更高、穩定性更優的低堿性水化硅酸鈣，從而達到改善水化膠凝物質的組成，消除游離石灰的目的，使水泥石結構更為致密，還能改善集料與水泥石的界面結構和界面區性能。
(3)消除混凝土自身的結構破壞因素：混凝土的化學收縮和干縮過大引起的開裂，水化引起的溫度裂縫，硫酸鋁的延遲生成，以及混凝土的堿骨料反映等。因此，要提高混凝土的體積穩定性，就必須減小或消除這些結構破壞因素。限制或消除從原材料引入的堿、S03、C1- 等可以引起破壞結構物質的含量。
(4)抗裂防滲劑：在混凝土水化條件下形成鈣礬石膨脹源。隨著水灰比的降低，混凝土的孔隙率降低。與此同時，隨著孔隙率降低，混凝土的抗滲性提高，因而各種耐久性指標也隨之提高。
5.2 混凝土收縮補償
通過膨脹源的膨脹作用，使水泥石的結構致密；提高其水化產物中的晶/膠比，減少膠體的含量，從而大幅度地降低和補償水泥石的于縮。同時，膨脹作用也可能部分或全部補償化學收縮。選擇合適的膨脹源和水泥進行復合，并注意采用正確的養護制度和使用環境，就能利用多點的膨脹抵消體系的收縮。
水化過程的收縮分成塑性階段收縮和剛性階段收縮。塑性收縮以化學收縮為主，只影響人模水泥石尺寸的精確度，但不是水泥石產生裂縫的關鍵所在。
高性能混凝土或低水膠比混凝土在工程應用中的最大障礙是早期開裂問題。由于水泥水化過程中產生化學收縮，在水泥漿體中形成空隙，導致內部相對濕度降低和自收縮，致使混凝土結構開裂。
抗裂防滲劑的膨脹作用主要發生在混凝土澆注的初期（1-7d），以補償混凝土早期體積的不穩定性。一般在14d以后混凝土的膨脹率就趨于穩定。如果澆注后沒有進行充分養護，混凝土會大量脫水，這種情況下混凝土的裂縫可提前出現，同時由于硫鋁酸鈣水化不充分形不成足夠的膨脹值，甚至膨脹能力被尚有塑性的混凝土“吸收”，這樣摻加抗裂防滲劑后不僅沒有對防裂起到效果，反而會加劇混凝土的開裂，所以要重視對UEA混凝土養護等影響因素。
5.3 消除混凝土AAR反應
AAR反應是混凝土中的堿與集料中的活性組分之間發生的膨脹性化學反應。抗裂防滲劑本身含堿量低，鋁酸鈣水化形成過程將消耗部分堿。而當C-S-H的CaO/SiO2比接近于1.2或更小時，水泥水化產物對Na20和K2O的容納量會增加。鋁酸鈣的存在使水泥漿體的pH值和OH-濃度下降。抗裂防滲劑反應過程中有消耗堿的作用，對降低AAR反應有重要作用。
抗裂防滲劑中摻粉煤灰，含有硅酸鹽、鋁硅酸鹽等礦物和玻璃體。它們抑制AAR膨脹的作用機理包括：稀釋的影響、火山灰的作用、C-S-H相中堿的富集、C-S-H相中C/S比的變化、氫氧化鈣作用的變化以及混凝土滲透性降低作用。因此水化反應時混凝土孔隙中OH-濃度很快降低。
5.4 膨脹速度的適應性
抗裂防滲劑的膨脹合理發揮其作用的時間和膨脹率大小同樣重要。膨脹作用應當在混凝土具有一定強度的一段時間內以適當速率增長，才能發揮其最佳效果。如果太早則因強度不夠或是混凝土尚有一定塑性時膨脹能力被吸收而發揮不出來。膨脹太遲則膨脹作用又可能破壞了已形成的結構。
鈣礬石的形成速度和生成數量決定混凝土的膨脹效能。鈣礬石形成速度太快，其大部分膨脹能消耗在混凝土塑性階段。但鈣礬石形成速度太慢，可能對結構產生破壞。鈣礬石的生成數量決定了混凝土的最終膨脹率。正常的膨脹混凝土在1～7d養護期間的膨脹率占60%～70%，以補償水泥水化熱產生的冷縮和失水干縮，7～28d的膨脹率占20～30%，以補償混凝土的干縮。
膨脹源不應在塑性階段大量釋放膨脹能，而要在剛性階段逐步釋放。因此，要控制膨脹源的細度，使它的水化速度與基礎水泥水化的速度相適應。因此摻抗裂防滲劑之后一定要使混凝土充分養護。
6 結論
摻抗裂防滲劑水泥的水化兼有抗裂防滲劑和普通水泥兩個體系的水化反應。在水化初期有許多空間讓鈣礬石生長，此時固體體積增加僅起填充水泥石空隙和強度骨架的作用。隨著水泥石結構逐漸致密，強度增加到一定程度，體積的增加就會使水泥石產生膨脹。該膨脹可以抵消和減弱因各種因素造成的收縮，使水泥石體積保持穩定。
在水泥石孔縫存在鈣礬石結晶生長能產生體積膨脹，在水泥凝膠區中生成難以分辯的凝膠狀鈣礬石。掃描電鏡研究結果表明，隨著水泥水化作用的持續，鈣礬石被大量的C-S-H凝膠包圍，孔隙被不斷填補。摻加摻抗裂防滲劑后混凝土體積穩定，強度得到持續發展，混凝土的耐久性能同步提高。
參考文獻
① 蔣亞清.混凝土外加劑應用基礎.北京：化學工業出版社，2004
② 游寶坤.混凝土膨脹劑及其應用.北京：中國建材工業出版社，2002
③ 吳中偉.膨脹混凝土.北京：中國鐵道出版社，1990
