一種新型混凝土裂縫自修復(fù)劑的制備及性能研究

宋昱璋， 呂樂(lè)樂(lè)， 馬豪達(dá)， 郭金峰， 田 虎， 鄭 偉， 葛龍甄， 朱夢(mèng)龍， 任書霞*

(1.石家莊鐵道大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050043； 2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024)

混凝土作為一種微型多孔的脆性材料，易受外部荷載和溫度等外部條件的影響而產(chǎn)生不同程度的微裂縫和局部損傷。混凝土微裂縫會(huì)對(duì)構(gòu)件的耐久性和安全性造成影響，從而影響混凝土構(gòu)件的服役性能。一方面，目前已有的技術(shù)難以對(duì)微裂縫進(jìn)行無(wú)損、準(zhǔn)確的探測(cè)，常規(guī)的方法也難以修復(fù)內(nèi)部的微裂紋。另一方面，多年來(lái)在自然環(huán)境中觀察到了混凝土微裂縫的自修復(fù)現(xiàn)象，這是因?yàn)樾纬商妓徕}和無(wú)水水泥材料的連續(xù)水化，但是這些微裂縫自修復(fù)的效率相對(duì)較低，因此改善混凝土以提高裂縫自修復(fù)能力的研究受到了學(xué)術(shù)界和工程界越來(lái)越廣泛的關(guān)注[1-2]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外最具有代表性的研究有：美國(guó)伊利諾斯大學(xué) Carolyn Dry[3]等提出的內(nèi)置纖維膠液管自修復(fù)混凝土技術(shù)，將載有修復(fù)劑材料的纖維管或玻璃管預(yù)先埋設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在受到外界環(huán)境或者荷載影響混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)，內(nèi)部的纖維管或玻璃管破裂，實(shí)現(xiàn)自修復(fù)。國(guó)內(nèi)陶寶祺[4]等提出將形狀記憶合金應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中的智能自修復(fù)混凝土技術(shù)，通過(guò)形狀記憶合金的應(yīng)變、電阻值與裂縫寬度的關(guān)系實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裂縫的變化。產(chǎn)生裂縫時(shí)，通過(guò)提高溫度可以激發(fā)形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)，控制并恢復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形和撓度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基體內(nèi)部損傷的實(shí)時(shí)監(jiān)控和主動(dòng)修復(fù)。電沉積法修復(fù)裂縫是利用電化學(xué)技術(shù)，在混凝土表面形成不溶于水的物質(zhì)，對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行填充和修補(bǔ)[5-7]。雖然關(guān)于混凝土裂縫的自愈合上述研究進(jìn)展顯著，但仍有許多問(wèn)題亟待解決，空心纖維或膠囊易破碎，形狀記憶合金價(jià)格昂貴且長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生蠕變，電沉積法的自修復(fù)效果的評(píng)價(jià)方法研究相對(duì)較少，使得以上技術(shù)并未成熟[8]。因此，研發(fā)一種容易操作、施工方便、經(jīng)濟(jì)性好、性能可靠的裂縫自修復(fù)材料具有重要意義，本文對(duì)此進(jìn)行嘗試。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥采用鹿泉金隅鼎鑫水泥有限公司的P.O 42.5水泥，其化學(xué)組成分別為：CaO 61.56%，SiO220.56%，Al2O35.65%，F(xiàn)e2O33.45%，MgO 2.36%，SO32.26%，K2O 0.75%，Na2O 0.18%，燒失量2.22%。砂采用石家莊軍存攪拌站提供的水洗河砂，表觀密度2 560 kg·m-3，細(xì)度模數(shù)2.9；減水劑為石家莊長(zhǎng)安育才建材有限公司提供的聚羧酸高性能減水劑；水為自來(lái)水。

1.2 自修復(fù)劑的制備

依據(jù)微膨脹、絡(luò)合沉淀和碳化結(jié)晶理論進(jìn)行自修復(fù)劑的研制，自修復(fù)劑由絡(luò)合組分、調(diào)凝組分、儲(chǔ)水組分、增塑組分和密實(shí)組分組成。其中，絡(luò)合組分為緩凝型鈣鹽，密實(shí)組分為復(fù)合膨脹劑，儲(chǔ)水組分為粘土，調(diào)凝組分為碳酸鹽，增塑組分為鎂鹽粉劑。采用均勻設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，五種組分作為五因素，每種因素取十一個(gè)水平(水平是每個(gè)因素不同的質(zhì)量百分含量)，得到11種配比的修復(fù)劑，如表1所示。

表1 自修復(fù)劑配比(質(zhì)量比)

1.3 試件制備

(1)力學(xué)性能測(cè)試試件：將按表2配制的自修復(fù)劑(水泥質(zhì)量的4%)與水泥、砂子、水混合，制備尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的膠砂試件，編號(hào)為H-1—H-11，并配制不摻自修復(fù)劑的試件作為對(duì)照組(編號(hào)H-0)。其中，砂漿配合比為：水泥∶砂∶水∶減水劑=500 g∶1 250 g∶250 g∶0.8%。

(2)裂縫寬度和耐久性測(cè)試試件：將研究得到的最佳修復(fù)劑以水泥用量的8%、采用內(nèi)摻的方式摻入混凝土中制備混凝土試件，混凝土配合比見表2。

表2 混凝土配合比 g

1.4 修復(fù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

將試件養(yǎng)護(hù)至7 d和28 d，預(yù)制裂縫后，分別二次養(yǎng)護(hù)7 d和28 d，也即(7+7)d、(28+28)d。預(yù)制裂縫前后養(yǎng)護(hù)方式均為灑水養(yǎng)護(hù)。

(1)力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)：裂縫修復(fù)后的抗壓強(qiáng)度(二次抗壓強(qiáng)度)和強(qiáng)度恢復(fù)率。其中，二次抗壓強(qiáng)度是對(duì)養(yǎng)護(hù)至某齡期的試件施加荷載使之產(chǎn)生裂縫，然后采用相同的養(yǎng)護(hù)方式，再養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期時(shí)測(cè)得的抗壓強(qiáng)度值?？箟簭?qiáng)度恢復(fù)率[9]是預(yù)制裂縫后養(yǎng)護(hù)n天的抗壓強(qiáng)度值與預(yù)制裂縫前養(yǎng)護(hù)n天的抗壓強(qiáng)度值的比值百分?jǐn)?shù)。

(1)

式中：R為強(qiáng)度恢復(fù)率(%)；f1為預(yù)制裂縫前試件的抗壓強(qiáng)度(MPa)；f2為預(yù)制裂縫后試件的抗壓強(qiáng)度(MPa)。

(2)裂縫寬度。根據(jù)《混凝土裂縫寬度及深度測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)規(guī)范》(JJF 1334-2012)，裂縫寬度采用全金屬專業(yè)200萬(wàn)數(shù)碼體視顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)，先用攝像頭拍攝裂縫的圖像并顯示在電腦上，然后按照比例通過(guò)軟件測(cè)出裂縫寬度。

(3)抗凍性。混凝土耐久性試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 力學(xué)性能

預(yù)制裂縫前后試件的抗壓強(qiáng)度如圖1所示。由圖1可知，摻入自修復(fù)劑試件7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度均高于對(duì)照組，說(shuō)明自修復(fù)材料的摻入提高了膠砂試件的抗壓強(qiáng)度，這是由于自修復(fù)材料在漿體中起到填充孔隙、密實(shí)結(jié)構(gòu)、提高強(qiáng)度的作用。由圖1(a)可知，H-0試件的二次抗壓強(qiáng)度與預(yù)制裂縫前基本相同，H-1-H-11試件7 d的二次抗壓強(qiáng)度均高于預(yù)制裂縫前抗壓強(qiáng)度，其中H-6試件的二次抗壓強(qiáng)度最高；由圖1(b)可知，H-0試件的28 d二次抗壓強(qiáng)度低于預(yù)制裂縫前的抗壓強(qiáng)度，H-1-H-11試件的二次抗壓強(qiáng)度均高于其預(yù)制裂縫前的抗壓強(qiáng)度，其中，H-6試件的二次抗壓強(qiáng)度最高。

圖1 預(yù)制裂縫前后試件的抗壓強(qiáng)度

由圖2可知，摻入自修復(fù)劑的試件7 d和28 d抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率高于未摻自修復(fù)劑的試件，H-0試件7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率分別為100%和90%，H-1-H-11試件7 d和28 d抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率均高于100%。其中，H-10試件7 d的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率最高，高達(dá)123%；H-6試件的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率達(dá)到116%，均高于H-0試件的100%。對(duì)于膠砂試件28 d的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率，H-6試件的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率最高、高達(dá)115%，H-10試件的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率達(dá)到104%，均高于H-0試件的90%，說(shuō)明自修復(fù)材料對(duì)裂縫的修復(fù)起到了一定作用。膠砂試件7 d的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率均高于其28 d的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率，原因可能是早期漿體中未水化水泥顆粒較多，生成的水化產(chǎn)物較多，與自修復(fù)材料的生成物同時(shí)填充、修復(fù)裂縫，裂縫愈合程度較高，抗壓強(qiáng)度提高；后期大部分未水化水泥顆粒被水化產(chǎn)物包裹，其水化程度降低，生成的水化產(chǎn)物相應(yīng)減少，自修復(fù)材料生成物發(fā)揮主要作用，后期裂縫愈合程度較前期有所降低。由上述分析可知，自修復(fù)材料對(duì)試件裂縫的修復(fù)效果較好，同時(shí)能夠提高試件的抗壓強(qiáng)度，其中，H-6試件裂縫修復(fù)后的抗壓強(qiáng)度最高，28 d抗壓強(qiáng)度修復(fù)率亦最大，其修復(fù)效果最佳，因此，最佳的裂縫自修復(fù)劑為H-6，即絡(luò)合組分∶調(diào)凝組分∶儲(chǔ)水組分∶增塑組分∶密實(shí)組分=1.00∶0.25∶2.00∶3.37∶13.47。

圖2 抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率

2.2 裂縫寬度

采用體視顯微鏡對(duì)28 d預(yù)壓裂縫后再重新養(yǎng)護(hù)28 d的混凝土試件表面裂縫進(jìn)行觀測(cè)，如圖3所示。由圖3可知，C0混凝土和C1混凝土的裂縫在修復(fù)后呈現(xiàn)不同程度的愈合，其中，C0混凝土的裂縫愈合程度比較低，裂縫寬度由0.26 mm降低至0.22 mm；C1混凝土的裂縫修復(fù)情況較好，裂縫基本愈合，裂縫寬度由原來(lái)的0.12 mm和0.27 mm均降低至0 mm。

圖3 混凝土在修復(fù)前后的裂縫寬度

2.3 抗凍性

采用快凍法進(jìn)行200次抗凍試驗(yàn)，混凝土的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖4所示。由圖4(a)可知，混凝土凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，C0混凝土的質(zhì)量損失率高于C1混凝土；凍融循環(huán)200次時(shí)，C0混凝土的質(zhì)量損失率高達(dá)C1混凝土質(zhì)量損失率的2倍。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量減小。由圖4(b)可知，凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，C1混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量高于C0混凝土。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，C0混凝土和C1混凝土之間相對(duì)動(dòng)彈性模量的差值增大；凍融循環(huán)200次時(shí)，C1混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量比C0混凝土高10.8%，表明C1混凝土抗凍性優(yōu)于C0混凝土，自修復(fù)劑可以提高混凝土的抗凍性。

圖4 混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果

2.4 修復(fù)機(jī)理分析

2.4.1 XRD分析

對(duì)摻入自修復(fù)劑和未摻自修復(fù)劑的凈漿進(jìn)行XRD測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，摻入自修復(fù)劑的凈漿與未摻自修復(fù)劑凈漿的XRD圖譜中都含有Ca(OH)2、Aft、硅酸二鈣(C2S)和硅酸三鈣(C3S)的特征峰，特征峰的位置基本相同，說(shuō)明自修復(fù)劑的摻入在凈漿內(nèi)部沒(méi)有產(chǎn)生新的物質(zhì)，同時(shí)對(duì)水泥水化產(chǎn)物沒(méi)有不利影響。

圖5 摻加和未參加自修復(fù)劑水泥凈漿的XRD圖譜

由圖5(a)可知，水化7 d的XRD圖譜中，摻入自修復(fù)劑凈漿的Ca(OH)2和Aft的特征峰明顯高于未摻自修復(fù)劑的凈漿，表明Ca(OH)2和Aft的含量明顯高于未摻自修復(fù)劑的凈漿；C2S和 C3S的特征峰高于未摻自修復(fù)劑凈漿，說(shuō)明未水化的C2S和 C3S含量較高。這是由于自修復(fù)劑的摻入在一定程度上延緩漿體早期的水化程度，但密實(shí)組分在水化早期生成了大量的Ca(OH)2和Aft晶體，填充孔隙，使得漿體結(jié)構(gòu)密實(shí)。由圖5(b)可知，C2S和 C3S在兩種凈漿中的特征峰高度基本相同，說(shuō)明摻入自修復(fù)劑的凈漿在后期的水化程度較未摻自修復(fù)劑凈漿的水化程度高，從而提高漿體密實(shí)度；Ca(OH)2和Aft的特征峰仍然高于未摻自修復(fù)劑凈漿。這與裂縫修復(fù)后的抗壓強(qiáng)度的分析結(jié)果一致。

2.4.2 SEM分析

對(duì)摻入自修復(fù)劑和未摻自修復(fù)劑的凈漿進(jìn)行SEM測(cè)試，其觀測(cè)結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)可知，養(yǎng)護(hù)7 d的未摻自修復(fù)劑凈漿的結(jié)構(gòu)疏松，孔洞較多；圖6(b)可知，凈漿的結(jié)構(gòu)密實(shí)度增加，孔洞減少。如圖6(c)和圖6(d)所示，凈漿7 d的結(jié)構(gòu)較密實(shí)，同時(shí)可以看到有針狀A(yù)Ft和板狀Ca(OH)2均勻分散在絮狀凝膠體中，孔洞較少；凈漿28 d的結(jié)構(gòu)中凝膠體和晶體交織在一起，使得結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。摻有自修復(fù)劑的凈漿7 d和28 d的結(jié)構(gòu)均較同齡期未摻自修復(fù)劑的凈漿密實(shí)，孔洞減少。這與凈漿的XRD分析結(jié)果一致。

圖6 摻自修復(fù)劑和未摻自修復(fù)劑凈漿SEM形貌

自修復(fù)劑在漿體中的生成物質(zhì)Ca(OH)2和AFt與水泥水化產(chǎn)物相同，不會(huì)對(duì)漿體帶來(lái)不利影響，同時(shí)與基體的相容性較好，利于裂縫的修復(fù)，提高基體強(qiáng)度。這是由于自修復(fù)劑中的絡(luò)合組分在漿體中不斷絡(luò)合、滲透、沉淀來(lái)修復(fù)漿體中的微裂縫，密實(shí)組分可直接與水反應(yīng)生成Ca(OH)2和AFt等晶體，密實(shí)早期漿體結(jié)構(gòu)；儲(chǔ)水組分具有吸水性，在缺少水分的情況下，可不斷釋放水分，使水泥漿體繼續(xù)水化，提高修復(fù)效果；增塑組分可以改善漿體的塑性，增強(qiáng)修復(fù)后漿體的整體強(qiáng)度。因此，裂縫得到修復(fù)，強(qiáng)度得到提高。

3 結(jié)論

(1)自修復(fù)劑的摻入使得膠砂抗壓強(qiáng)度提高，裂縫修復(fù)后的抗壓強(qiáng)度高于預(yù)制裂縫前的抗壓強(qiáng)度，強(qiáng)度恢復(fù)率高于100%，說(shuō)明自修復(fù)劑對(duì)裂縫有一定的修復(fù)作用。

(2)最佳的裂縫自修復(fù)劑為絡(luò)合組分∶調(diào)凝組分∶儲(chǔ)水組分∶增塑組分∶密實(shí)組分=1.00∶0.25∶2.00∶3.37∶13.47，膠砂裂縫修復(fù)后的抗壓強(qiáng)度最高，28 d的強(qiáng)度恢復(fù)率最高，達(dá)到115%，裂縫修復(fù)效果最佳。

(3)在最佳配比修復(fù)劑下，混凝土28 d齡期時(shí)裂縫寬度分別由0.27 mm、0.12 mm降低至0 mm，裂縫實(shí)現(xiàn)完全愈合，自修復(fù)效果良好。且與對(duì)照組相比，混凝土在凍融200次時(shí)的質(zhì)量損失率降低50%，動(dòng)彈性模量提高10.8%，抗凍性有明顯改善。

(4)自修復(fù)劑的摻入促進(jìn)針狀A(yù)Ft和板狀Ca(OH)2生成，提高漿體密實(shí)度，孔洞減少，與基體相容性較好，利于裂縫修復(fù)。