关于功能性材料改性混凝土的抗裂性和抗渗性的研究

《Composites Communications》：Study on crack resistance and impermeability of functional material modified concrete

提高混凝土抗裂性和抗渗透性的协同改性方法及机理研究，通过添加轻质陶粒、膨胀剂和抗裂防水剂，结合TOPSIS多目标决策优化配比，并运用X-CT、MIP等微观分析技术揭示协同作用机制。

　　

杨斌|李月|林慧|李伟|刘雄飞|沈佳乐

教育部城市安全与灾害工程重点实验室，北京工业大学，北京，100124，中国

摘要

为了解决混凝土抗裂性和抗渗性不足的问题，通过抗水渗透性、抗氯离子渗透性和早期板裂抗性试验，研究了陶粒、膨胀剂和抗裂防水剂对混凝土抗裂性和抗渗性的影响。采用TOPSIS多目标决策方法，在考虑抗裂性、抗渗性和成本的前提下优化了混凝土的配合比。为了阐明其作用机理，利用X射线计算机断层扫描（X-CT）、汞侵入孔隙率测定（MIP）、低场核磁共振（LF-NMR）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TG）、原子力显微镜（AFM）和半绝热温度上升（SATR）测试方法分析了孔结构、水分迁移、水化产物及界面微观力学性能。结果表明，陶粒、膨胀剂和抗裂防水剂的协同作用显著提高了混凝土的抗裂性和抗渗性。性能提升主要归因于预润湿陶粒提供的内部固化效应、膨胀产物的孔隙填充效应以及抗裂防水剂形成的致密硅胶膜对水分迁移的抑制作用。本研究为在高抗裂性和高抗渗性要求下提高混凝土耐久性相关性能提供了实验基础和机理理解。

引言

作为现代建筑工程中的基础材料，混凝土的耐久性性能对于确保结构安全和长期使用性至关重要。在实际工程应用中，混凝土常因水分侵入、离子渗透和收缩引起的开裂而出现耐久性劣化问题，这些挑战在地下和水利结构中尤为突出[1,2]。例如，1990年建于土耳其的Gezende水电站隧道在建成六年后因混凝土开裂导致隧道渗漏而停止供电[3]。中国上海黄浦江底的Dapu路隧道在运营第14年时，日均渗漏量高达10.59L/m²，严重影响了交通安全[3]。2020年，韩国釜山的地铁隧道因大面积渗漏而坍塌，造成大量人员伤亡[4]。根据现有调查和工程实践报告，中国地下混凝土结构中普遍存在渗漏和开裂问题，导致重大经济损失，并对结构安全和长期运行构成严重威胁。这些案例表明，在高抗裂性和高抗渗性要求下，氯离子侵入和收缩引起的开裂是影响耐久性失效的主要因素。因此，提高混凝土的抗裂性和抗渗性已成为面临高耐久性需求的混凝土领域中的关键科学和工程挑战[5]。

近年来，随着功能材料的发展，研究人员通过各种改性方法尝试从内部结构调控和界面性能提升方面改善混凝土的整体抗裂性和抗渗性（尤其是用于地下和挡水结构的混凝土）。代表性的方法包括纤维增强、预润湿轻质骨料、膨胀剂和抗裂防水剂。先前的研究表明，纤维的加入可以有效提高混凝土的抗裂性和延展性，但其效果很大程度上取决于纤维类型[6,7]和掺量[8,9]；抗裂性的提升通常仅在最佳纤维含量范围内显著，超过该范围后，过量添加纤维可能因分散不良和工作性降低而产生不利影响。在地下混凝土应用中，聚丙烯纤维与膨胀剂的联合使用已被证明可以抑制微裂纹的发展并提高受限条件下的变形能力[8]。对于内部固化材料，预润湿陶粒因其释放储存水分的能力而被广泛认可，能够减少自收缩和开裂，而干陶粒由于吸水增加可能会增加开裂风险[10,11]。膨胀剂也被证明可以补偿收缩并提高密实度，从而提高抗裂性和抗渗性，尤其是在与纤维或轻质骨料结合使用时[[12], [13], [14], [15]]。此外，抗裂防水剂被报道可以调节水化过程和微观界面结构，从而提高抗裂性，尽管其对强度发展的贡献相对有限[16]。

尽管上述单一改性措施在实验和工程中显示出一定的积极效果，但单一材料的改性仍存在局限性，不同功能材料之间的协同效应和复合机理仍缺乏系统研究。此外，大多数现有研究仅从单一性能指标（如强度或抗渗性）出发[17]，“自收缩-抗裂性-抗渗性”之间的关系和内部耦合机制尚未深入探讨。在多目标性能评估方面，传统的单因素分析方法也存在局限性，亟需引入更科学和定量的决策方法来实现混凝土性能的多目标协同优化。

因此，本文以功能材料改性的混凝土为研究对象，以地下混凝土为典型应用背景，设计了不同材料系统的混凝土配合比。通过抗压强度试验、抗氯离子渗透性试验、抗水渗透性试验、自收缩试验和早期板裂抗性试验评估了各组的抗渗性和抗裂性。同时，为了量化不同改性方案的综合性能，采用TOPSIS多目标综合决策模型，基于“高强度、良好抗渗性和抗裂性、低收缩”实现多维度性能排序。基于X射线计算机断层扫描（X-CT）、汞侵入孔隙率测定（MIP）、低场核磁共振（LF-NMR）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TG）、原子力显微镜（AFM）和半绝热温度上升（SATR）测试的多尺度表征，从孔分布、水分迁移路径、水化产物、界面力学和热力学等方面系统阐明了抗裂性和抗渗性差异的深层机理，为功能材料改性混凝土的抗裂性和抗渗性研究和应用提供了新的视角。研究框架如图1所示。

部分内容摘录

原材料和配合比

水泥类型为P.O.42.5，主要粒径分布（D10-D90）为1–42 μm。粉煤灰的质量等级为II级，粒径主要集中在3～74 μm范围内。矿物细粉的等级为S95，粒径主要集中在1～34 μm范围内。水泥、粉煤灰和矿物细粉的化学成分见表1，粒径分布见图2。有两种细骨料：一种是细度模数为2.2的天然砂

试验结果讨论

本节仅分析抗渗性和抗裂性的试验结果。强度和自收缩性的试验结果见附录B和C。

最佳配合比决策

根据第3节的分析，不同功能材料（G0-G5）对混凝土性能具有复杂的影响：G4在3天时的强度最高，G1在28天时的强度最高，G5的自收缩最小，G5的抗水渗透性和抗氯离子渗透性最好，G2和G5的早期抗裂性最好。多性能指标的不一致性及其优缺点的互补特性表明

微观机理分析

为了进一步揭示不同材料组分对混凝土宏观性能的影响，基于抗压强度、自收缩、抗渗性和抗裂性能的测试，本研究对表现最佳的G5组和控制组G0进行了多方面的微观结构测试与分析。通过X-CT和MIP对样品进行了三维重建和孔隙分析，获取了孔隙率、孔隙连通性和裂纹的信息

讨论

上述结果表明，单一改性方法仍存在一定局限性[51]。虽然仅含纤维的G1组能够抑制裂纹扩展，但无法完全阻止孔隙中的水分迁移，仍存在渗漏风险。虽然仅含预润湿陶粒的G2组具有内部固化效果，但早期强度较低。单独添加抗裂防水剂的G3组仅在后期起到表面抗渗作用

结论

本文研究了不同功能材料对混凝土抗渗性和抗裂性的影响。测试了各组的抗压强度、抗渗性、抗氯离子渗透性、自收缩性和早期板裂抗性。采用TOPSIS多目标综合决策模型，基于“高强度、良好抗渗性和抗裂性”对多维度性能的优缺点进行了排序

CRediT作者贡献声明

杨斌：撰写——初稿、软件开发、项目管理、方法论、研究调查、数据分析、概念构建。李月：撰写——审阅与编辑、资源获取、方法论、资金申请、概念构建。林慧：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、研究调查。李伟：监督、资源管理、项目管理。刘雄飞：可视化处理、项目管理、研究调查。沈佳乐：撰写——审阅与编辑

生成式AI声明

本文未使用任何生成式人工智能。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了中国自然科学基金（24JL003）和中国国家铁路集团有限公司铁路基础研究联合基金项目（U2368207）的支持。