摘 要：为解决混凝土开裂、渗漏和养护困难问题，研究开发出了DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料。本文研究了这种材料的主要性能和作用机理。结果表明，DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料具有显著提高混凝土抗裂抗渗性能的作用，可以广泛应用于地下室、地铁、隧道和水利水电、港口码头等有较高防渗要求的工程及超长结构无缝施工。
关键词：混凝土 抗裂 抗渗 复合材料
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.
混凝土的开裂、渗漏一直时困扰建筑工程界的一个技术难题，开裂和渗漏给各种混凝土结构的承载能力和耐久性会带来严重的负面影响。如何有效地解决混凝土的开裂、渗漏问题一直是材料界和建筑工程界的研究热点。虽然已有一些材料如膨胀剂、聚丙烯纤维以及膨胀剂与聚丙烯纤维双掺的技术已逐步应用于混凝土的防裂防渗工程，但是工程效果依然不甚理想，而且，膨胀剂类产品在施工过程中的养护困难也是一个突出的问题。
为有效解决混凝土的开裂、渗漏及养护困难问题，南京派尼尔科技实业有限公司开展了“高抗裂、高抗渗复合材料的研究与应用”的新材料研究开发项目。通过两年多的努力，研究开发出了以高效膨胀组分、合成纤维、保水组分和改性组分组成的DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料，并在有关工程中得到应用，取得了良好的效果。该项目研究成果于2007年9月15日通过了南京市科技局组织的科技成果鉴定，鉴定委员会对该项研究成果给予了高度评价，一致认为该研究成果处于国内领先水平。本文简要介绍DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料的综合性能、作用机理及其工程应用情况。
1 原材料与试验方法
1.1 试验原材料
试验所用原材料为中国水泥厂产P•O 42.5级水泥、细度模数2.6的黄砂、5~31.5 mm连续级配碎石、市售PP聚丙烯纤维（直径48 µm，长度12 mm）、HEA高效膨胀剂和DB-Ⅰ型（基本型）和DB-Ⅱ型（泵送型）。
1.2 试验配合比
混凝土和砂浆性能试验用配合比见表1和表2。 
1.3 试验方法
混凝土和砂浆制作采用强制式小型搅拌机拌合，为保证纤维均匀分布，采用了先干拌后湿拌的拌合工艺。混凝土的工作性依据GB/T50081-2002进行；混凝土的抗压强度、劈拉强度、抗折强度的试验依据GB/T50082-2002进行，其中抗压和劈裂抗拉试件尺寸150 mm × 150 mm × 150 mm，抗折强度试件尺寸100 mm× 100 mm × 400 mm；砂浆抗裂性试验依据CECS38：2004的方法进行；保水性试验参照德国瓦克公司提供的方法进行；抗渗性试验参照DL-T5150-2001的方法进行；弯曲韧性试验依据ASTM-1089和CECS13：1989的方法进行；抗冲击试验采用美国ACI544委员会提出的方法进行，抗冲击试件尺寸为Ø150 mm × 60 mm。试件在振动台上振动成型，并在标准养护条件下养护28 d后进行性能测试。用扫描电子显微镜观察砂浆试样的显微结构。
2 DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料的性能试验结果与讨论
2.1 混凝土的工作性及力学性能
表3是掺加不同外加剂的新拌混凝土的工作性和硬化混凝土试件的力学性能。从试验结果可知，C2、C3、C4和C5混凝土的坍落度较小，这是由于纤维、膨胀剂和DB-Ⅰ的加入，在一定程度上降低了混凝土的流动性；但掺入DB-Ⅱ不会降低混凝土的流动性，在降低水胶比的情况下混凝土的坍落度仍略有增加，这是由于其中含有缓凝高效减水剂结果。
掺有膨胀剂的混凝土，包括DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料，其抗压、劈拉和抗折强度都不同程度地高于基准混凝土C1和单独掺加纤维的混凝土C2，这是由于膨胀剂的加入提高了混凝土的密实性。由于DB-Ⅱ高抗裂、高抗渗复合材料中含有高效减水组分，混凝土成型水胶比低，因此C6混凝土试件的力学性能明显优于其它混凝土试件。
2.2 混凝土弯曲韧性
各种混凝土试件的弯曲韧性试验结果见表4。与基准混凝土相比，单掺纤维、单掺膨胀剂、“双掺”纤维和膨胀剂及掺入DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料均显著提高了混凝土的弯曲韧性，其中又以DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料对混凝土弯曲韧性的提高幅度最大，达到359％。 
2.3 混凝土抗冲击性能
不同产品配制的混凝土的抗冲击性能试验结果见表5。从表5可以看出，含有纤维的混凝土的抗冲击性能均优于基准混凝土，DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料对混凝土抗冲击性能的改善优于单掺聚丙烯纤维、单掺膨胀剂和“双掺”聚丙烯纤维与膨胀剂的混凝土。 
2.4 砂浆抗裂性能
表6是各种砂浆的平板收缩试验结果。可以看出，基准砂浆发生了明显开裂，裂纹长而多，单掺聚丙烯纤维、单掺膨胀剂以及“双掺”聚丙烯纤维与膨胀剂的砂浆不同程度地起到了限裂作用，裂纹较短且少；而掺入DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料的砂浆无开裂现象，其裂缝降低系数为100%，具有良好的抗裂性。DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料的限裂作用优于简单“双掺”聚丙烯纤维与膨胀剂的作用，这是由于DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料采用优质的合成纤维和高效膨胀组分，以及复合保水组分等多种功能材料，在工厂采取预混技术，各组分优化配比，充分混合产生复合化叠加效应的结果。 
2.5 砂浆保水性能
表7是各种砂浆的保水率试验结果。基准砂浆、单掺聚丙烯纤维、单掺膨胀剂和“双掺”聚丙烯纤维与膨胀剂的砂浆保水性差别不大，保水效果不甚理想，而掺入DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料的砂浆由于保水组分的作用，保水率明显增大，其保水率提高30%以上，具有良好的保水性。
砂浆保水率提高系数按下式计算： 
2.6 抗渗性能
表8是根据DL-T5150-2001《水工混凝土试验规范》规定的“混凝土相对抗渗性试验”，在0.8 MPa水压时的抗渗性试验结果。
抗渗性能提高系数按下式计算：
抗渗性能提高系数=100 ×（1-H2/H1） （%）
式中：H1—基准混凝土渗水高度，cm； H2—待检混凝土渗水高度，cm。 
从表8可以看出，与基准混凝土相比，纤维混凝土的抗渗性能提高系数仅为45%，说明单掺纤维对混凝土的抗渗性提高不明显；膨胀混凝土由于膨胀剂的补偿收缩及膨胀水化物的填充密实作用，抗渗能力大大提高，抗渗性能提高系数可达70%；聚丙烯纤维与膨胀剂的“双掺”混凝土由于聚丙烯纤维与膨胀剂的复合作用，抗渗能力进一步提高，抗渗性能提高系数可达72%；而掺入DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料的混凝土抗渗效果明显优于单掺聚丙烯纤维、单掺膨胀剂及“双掺”聚丙烯纤维与膨胀剂的混凝土，抗渗性能提高系数高达75%以上，具有更高的抗渗防水能力。
为了确定DB-Ⅱ高抗裂、高抗渗复合材料混凝土可能的抗渗等级，我们按照DL-T5150-2001《水工混凝土试验规范》规定的“混凝土抗渗性试验”对C6混凝土进行试验，逐级升压至3.0 MPa后，保持水压8 h，6个试件均未渗透水，各试件的平均渗水高度为8.5 cm。因此，DB-Ⅱ高抗裂、高抗渗复合材料混凝土的抗渗等级可高于P30。
3 DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料作用机理
从上述研究结果可知，DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料具有显著提高水泥混凝土和砂浆的抗裂、抗渗和保水性能的作用。
DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料的卓越性能源于材料的复合技术。根据复合材料理论：“多种单一材料结合或混合之后所构成的材料可整体看作一个多相系统，其性能乃是各个相的性能的加和值”。中国工程院院士吴中伟教授认为[5]，“复合化是水泥基材料高性能化的主要途径”，“复合化的技术思路——超叠加效应，对材料高性能化有重要意义，可用公式1+2≥3表示。” DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料是由高效膨胀组分、合成纤维、保水组分和改性组分组成的，各种组分在水泥混凝土和砂浆中各自发挥其特有的作用，同时又互为补充，相互增强。其作用机理特点如下：
3.1 双重抗裂、双重保护
高效膨胀组分是DoublexTM高抗裂、高抗渗复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过程中形成大量的膨胀结晶体——钙矾石。图1是水泥砂浆中钙矾石的形成与分布的电子显微镜照片。钙矾石的形成可起到填充、堵塞混凝土毛细孔的作用，同时由于在钢筋和邻位的约束下产生的压应力，在硬化早期可部分抵消混凝土干缩引起的拉应力，避免或减少混凝土裂缝的产生。
聚丙烯纤维是DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料的另一主要功能材料，当它均匀分布于混凝土内部时（见图2），可使混凝土在塑性初期形成的微裂纹在发展过程中受到阻挡，难以进一步发展。纤维的加入犹如在混凝土中掺入数量巨大的微细筋，抑制了混凝土开裂的进程，提高了混凝土的断裂韧性，从而达到改善混凝土性能的目的。聚丙烯纤维和膨胀剂分别从物理和化学两方面提高混凝土的抗裂能力，为混凝土提供双重保护。 
3.2 阶段抗裂、层次抗裂
膨胀剂与聚丙烯纤维的防裂原理、作用层面、作用方式及最有效的作用时段不尽相同。膨胀剂主要通过化学作用补偿混凝土硬化阶段的收缩，对控制混凝土早期塑性收缩作用不大；聚丙烯纤维对于控制混凝土早期的塑性收缩开裂有明显的作用，但在硬化阶段却很难再有帮助。DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料将二者复合使用，这种复合不是两种抗裂组分多余的重复叠加，而是互为补充，相互加强，从不同的层面、以不同的方式以及在不同的时段对混凝土的抗裂作出最有效的贡献。
孙伟院士指出[6]，“微膨胀剂与聚丙烯纤维的复合体现了‘层次抗裂、阶段抗裂’的科学理念，符合裂缝控制‘抗’与‘放’的原则，是传统的补偿收缩理论与复合材料理论的有机结合。”
3.3 三重防水、高度抗渗
混凝土结构自防水即依靠混凝土本体来实现建筑防水，已被证明为最根本的建筑防水技术。由多种功能材料复合而成的DoublexTM高抗裂、高抗渗同时具备三种防水机理，故比单一机理的产品具有更高的抗渗防水能力的。具体防水机理如下：
3.3.1 补偿收缩、抗裂防渗
在普通混凝土中加入DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料，其膨胀组分经水化反应可产生大量膨胀性结晶水化产物钙矾石，使混凝土产生适度膨胀，在钢筋和邻位的约束下，其限制膨胀率可在混凝土中建立0.2~0.7 MPa的预压应力，从而抵消混凝土在硬化过程中产生的部分或全部拉应力，达到抗裂的目的。此外，膨胀组分与水泥水化后形成的针棒状钙矾石晶体，使水泥的总孔隙率降低，而且孔径变小，形成致密的水泥石结构，从而提高混凝土的抗渗能力。
3.3.2 减水密实、减低水化热
DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料泵送型DB-Ⅱ引入的缓凝高效减水剂，可减少单位体积中水泥和水的用量，使混凝土中的水化热减小，推迟水化放热时间。因此，可减少混凝土的收缩裂缝，提高混凝土的密实性，达到密实防水的目的。
3.3.3 物理配筋、抗裂防水
在普通混凝土中加入DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料，其数量众多的合成纤维可阻止混凝土的离析，提高混凝土的整体均匀性，显著减少裂缝的数量、长度和宽度，降低生成贯通型裂缝的可能性。同时，三维乱向分布的网状结构，阻断了混凝土内部的毛细作用，使混凝土抗渗能力明显提高。
3.4 有效保水，提高养护效果
特种保水组分是DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料中的主要功能材料，当该产品掺入混凝土中时，其保水组分可吸收保持大量水分并缓慢释放出来，提供水泥、膨胀剂等水化所需的大量水分，提高混凝土的养护效率并保证混凝土的质量。
DoublexTM中独有的特种保水组分具有很强的水分吸附及保持能力，可防止并阻缓混凝土由于离析和蒸发造成的水分流失，提高混凝土的保水能力。同时，保水组分具有反复吸水功能，在混凝土中可反复完成吸水—释水—干燥—再吸水的过程。因此，在保水的同时，可以调整水分的分布，将其吸收的水分迅速地传输至混凝土内的每一个地方，促进水泥和膨胀剂的水化进程。在混凝土的施工过程中，严格的养护制度和混凝土内在保水能力的提高，可提高混凝土的养护效率，使混凝土在同等养护条件下获得更好的养护效果。
综上所述，DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料由多种功能材料复合而成，这种复合不是多余的重复叠加，而是互相补充，互相加强。它们从不同的层面、以不同的方式以及在不同的时段对混凝土性能的改善作出最有效的贡献。
DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料在混凝土中存在着多种作用机理，这些作用机理既能独立工作，又能互相促进，复合化的叠加效应将使混凝土获得优异的性能。
4 DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料的应用
DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料可显著提高混凝土的抗裂抗渗性能，同时可改善混凝土的保水能力，提高混凝土的养护效果，因此可以广泛应用于地下室、地铁、隧道和水利水电、港口码头等有较高防渗要求的工程，可实现超长结构的无缝施工。
DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料已在许多工程中得到广泛应用。在江苏省淮安市淮海第一城地下室施工中，使用C35P8混凝土4434 m3，配合比为水泥：DB-Ⅱ：砂：石子：水＝390 kg：30 kg：740 kg：1065 kg：175 kg，6个月后检查无任何裂缝和渗漏现象。在南京市公安局金盾押运中心金库施工中，分别在C50（底板）和C30（侧墙）混凝土中，掺加胶凝材料重量8%的
DoublexTM材料，12个月后检查未发现裂缝和渗漏现象。工程应用实践充分体现了DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料在可提高混凝土的抗裂抗渗性中卓越作用。
5 结 语
根据综合性能的研究、作用机理的分析和工程应用实践可以得出以下结论：DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料是一种机理完善，性能卓越的高性能混凝土外加剂，其对混凝土性能的改善如力学性能、抗裂性能、抗渗性能、保水性能及抗冲击性能明显优于单掺聚丙烯纤维、单掺膨胀剂或“双掺”聚丙烯纤维与膨胀剂。在混凝土中掺加胶凝材料重量6~8%的DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料，可显著提高混凝土的抗裂性和抗渗性，混凝土的塑性裂缝完全消除，抗渗等级可达P30以上。其独有的特种保水组分可有效改善混凝土的保水性能，因此可提高混凝土的养护效率。DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料可广泛应用于地下室、地铁、隧道和水利水电、港口码头等有较高防渗要求的工程及实现超长结构的无缝施工。
