内掺CCCW的水泥机敏材料性能研究及应用

【摘要】通过对内掺水泥基渗透结晶型材料（简称CCCW，下同）的水泥机敏材料若干性能研究现状进行分析，得出在水泥浆体中加入CCCW材料后能够显著改善密实其内部结构的微裂纹，提高了自身强度和密实度，同时它的加入对水泥机敏材料的电学性能、电阻率改变等压敏性能指标的改善也是有目共睹的。

【关键词】CCCW;碳纤维;水泥机敏材料

1.水泥基渗透结晶材料的研究论点

CCCW材料在工程使用中是以普通硅酸盐水泥为载体，选用精细的石英砂为骨架，加入加拿大凯顿公司生产的特殊活性化学物质混合后得到的一种新型刚性防水材料。该材料是无机的刚性的防水材料，它会在水泥浆中形成结晶体，能够有效密封住物体表面微小开裂带来的渗漏问题，后期还不易老化，一旦晶体表面干燥，多年后遇水仍能激活水泥浆体，产生新的晶体继续密实封闭微小孔隙，因此具有独特的自我修复能力，所以说CCCW材料的加入对混凝土的强度、抗渗性等指标有很大的改善作用。多数研究结果[1-2]表明该材料的加入能够使混凝土强度提高了20%-30%左右，混凝土的抗渗性能可以提高一个等级。

混凝土结构体的开裂问题是个世界性的大难题，许多国家的建筑物都会遇到结构体的开裂，结构物开裂带来的渗漏现象是个非常棘手的问题。CCCW防水材料具有难以置信的二次防渗透破坏能力、与普通混凝土优良的相容性能力，它加入混凝土结构体中虽不能完全治愈裂纹宽度大小，但对于降低结构体裂缝继续增高趋势具有显著成效。根据研究表明CCCW防水材料确实能够产生大量具有闭孔作用的颗粒结晶体，这些微小颗粒结晶体对混凝土防水作用到底有多大，目前在防水界材料研究中存在争论，不过这些争论主要针对微小颗粒结晶体渗透深度的说法不一。有的研究表明只要水对混凝土结构体表面的侵淫到什么深度，那么认为渗透结晶体达到的深度就有多深。

综上所述，水泥基材料本质上是一种多孔性材料，其抗渗性主要与其密度和内部孔隙的大小和构造有关。CCCW材料的加入能够让水泥体的抗渗透性能提高，能够使水泥基基体材料的粘结力变强，且该材料绿色环保、施工简易等特点，目前广泛应用于地下工程、桥梁工程、蓄水工程等结构中，业界人士普遍认为防水效果优良。那么该材料的防水优越性能的影响因素有哪些呢？本人认为控制好水泥基体材料的水灰比、水泥用量、CCCW的掺量这些因素，就可大大提升结构体的防渗性能，水灰比不能太大，否则多余的水分蒸发后留下很多小孔道，特别是当水灰比大于0.7时，材料的抵抗水压力渗透性能大幅降低。同时制作的质量和养护条件也是提高渗透能力的重要指标，如果振捣不密实、浇水养护不足也会严重降低基体的抗渗性能。由于CCCW防水材料优良的防堵结合的特性，业界人士认为它的防水功效虽不至于在防水界有天降神兵架势，但却优于普通的防水材料，已是一个不争的事实，它的重复使用率必将愈来愈高。

2.国内外有关机敏材料电学性能的研究现状及应用

上世纪末，国外的研究学者大量实验发现，水泥粉末加水拌和后形成的净浆试样中掺入PAN基碳纤维后，能使试样的抗冲击韧性与抗疲劳性能提高不少。接下来学者们尝试往水泥砂浆试样中加入天然砂，由于砂浆试块的抗压性能本身较高，随着机敏材料碳纤维的加入，进行的研究结果进一步发现碳纤维水泥砂浆试样的抗拉强度、抗渗性能均具有较高的改善，且压力作用下的导电效果非常显著。业内人士西安交大的王秀峰教授团队[3]是国内这方面研究的佼佼者和权威人士，他研究了碳纤维增强水泥复合砂浆的导电性及压敏性能，他认为在该砂浆中加入适量的碳纤维后，砂浆試块的导电率将大大增强，电阻率则大大降低，外力作用下该试块的电阻率会随应力的变化呈现出明显的规律性，其研究成果得到了业界高度认可。

由于碳纤维机敏材料的比重小，强度高（即比强度大），偏向于轻质高强型材料，因此它的自身重量的减轻，就可以应用在建筑物外墙装饰中。据调查查明从上世纪90年代开始，钢结构架体尤其是高层建筑的外墙面大量使用了碳纤维机敏材料。随着国外市场的广泛使用，在水泥净浆和砂浆材料的研制成功基础上，近些年来我国也开始了在普通混凝土中加入一定质量分数的碳纤维制成机敏混凝土的有关研究工作。例如国内知名211武理工大学的李卓球教授团队经过多年的努力研究提出了碳纤维混凝土的力学特性和电学特性效应。李教授名下的博士生学生孙明清等人继续攻克难关，系统地研究了碳纤维机敏材料的电力学性能，具体表现在：研究了力电效应与压阻力效应的耦合关系，研究了碳纤维含量对机敏混凝土稳定性的影响。重大李长太教授团队、韩宝国团队研究了碳纤维机敏材料的导电—压阻特性曲线分部图形，结果发现：在碳纤维掺量为水泥质量分数的1%——1.5%时，最开始分部压阻特性图形毫无规律可言，后期其压阻特性的稳定性随着碳纤维量的变化呈正态分布;而掺量》水泥质量分数的1.5%时，压阻特性会变差再次出现规律性减弱的现象。

结论：CCCW防水材料虽然因自身具备自我修复微裂纹的能力，应用前景尚可。但是其内掺在水泥机敏混凝土中还存在若干性能研究比较模糊、不够明确具体，主要表现在：（1）碳纤维在分散剂和消泡剂的联合搅拌过程中，分散性能到底如何，其评价标准还不清楚;（2）内掺CCCW的碳纤维增强水泥混凝土材料的制作工艺还不够成熟，电阻测试时电阻变化率离散性较大;（3）国内外若干文献阐明了碳纤维在水泥基和砂浆基中的研究比较多，在此等基础上加入天然的碎石或卵石粗骨料制备成的机敏混凝土的有关性能研究不足，粗骨料的加入后导致试样的搅拌过程、工艺制作过程非常难以开展，可能会对混凝土的电学力学性能影响偏大;（4）PAN基纤维材料的价格偏贵，目前不能大规模在实际工程中应用。

参考文献：

[1]黎清容.高性能渗透结晶型防水材料在地下防水混凝土工程中的应用[J].材料研究与应用，2020.12

[2]李冰.内掺水泥基渗透结晶型防水材料混凝土自愈合性能研究[D].昆明理工大学硕士论文，2019.

[3]王秀峰、王永兰、金志浩.碳纤维增强水泥复合材料的机敏性[J].硅酸盐学报，1998，26（3）：253-257.

作者简介：董旭，男，山东莱阳人，黄冈师范学院建筑工程学院实验室主任，主要从事土木工程教学及建筑新材料实验研究。

2019年度湖北省住建厅建设科技计划科研开发项目（建筑节能领域）。