CCCW改善低強度混凝土性能的試驗研究

尚曉華，敬登虎

(1.山東魯能亙富開發(fā)有限公司， 山東 濟南 250000； 2.東南大學 土木工程學院， 江蘇 南京 210096)

據(jù)中國混凝土網(wǎng)不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國商品混凝土總產(chǎn)量2014年—2016年依次為：23.71億m3、22.23億m3、22.29億m3，均比2011年(11.24億m3)增長一倍，且2016年作為“十三五規(guī)劃”的開局之年，隨著投資建設加快、經(jīng)濟迅猛發(fā)展，其混凝土用量必將猛增。然而混凝土結構缺陷也是顯而易見的，據(jù)統(tǒng)計調查資料顯示，我國海港碼頭混凝土損傷率高達70%，同時建筑工程中滲漏問題更是隨處可見[1-4]。這些問題的存在推動了混凝土加固技術的快速發(fā)展，例如體外預應力加固法、粘貼纖維增強復合材料加固法、增設支點加固法等[4]。實踐證明，這些加固技術均能通過各自機理對建筑結構起到一定程度的加固修復作用，但所起效果均有各自的適用范圍，同時優(yōu)缺點也是顯而易見的。但是，在實際混凝土加固工程中，由于環(huán)境限制、業(yè)主方面要求以及耐久方面等限制條件的存在，對混凝土加固技術提出了更高的要求。因此尋求一種快捷高效的加固方法顯得尤為重要。

水泥基滲透結晶型防水材料(CCCW)做為一種高效的防水材料，其防水作用機理為：其中的活性化學物質能夠以水為載體滲透到混凝土內部反應生成不溶性結晶體填充在裂縫當中，從而改善混凝土的性能[5-7]。近年來，CCCW在地下室、地鐵等混凝土結構防水工程中逐漸得到應用，并取得了一定的經(jīng)濟與社會效益[8-9]。本文基于水泥基滲透結晶型防水材料的特點，擬探討其改善低強度混凝土性能的可行性。

1 試驗概況

1.1 試件設計

結合建筑工程環(huán)境，本試驗將混凝土試件置于自然條件下養(yǎng)護28 d后拆模，同時考慮到混凝土強度與時間的關系，在拆模后繼續(xù)在原環(huán)境下靜置60 d后運至試驗室進行模擬試驗，其中試驗變量包括[4]：

(1) 混凝土強度等級：C15、C25。

(2) 是否涂刷水泥基滲透結晶型防水材料(CCCW)，本試驗選用XYPEX濃縮劑。

(3) 養(yǎng)護齡期：涂刷XYPEX濃縮劑后分別養(yǎng)護15 d、30 d、45 d、60 d。

本試驗分為力學性能試驗與掃描電鏡試驗兩部分，共50個混凝土圓柱體試件，其尺寸為直徑150 mm、高度300 mm。其中用于力學性能試驗的試件為48個，用于掃描電鏡試驗(SEM試驗)的試件2個，試件編號分別見表1、表2。其中測試日期、取樣日期均為從涂刷XYPEX濃縮劑當天開始計算，每個試件編號包含3個圓柱體試件。

表1 力學性能試驗試件編號

表2 SEM試驗試件編號

1.2 試驗方案

力學性能試驗主要參考《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[10]來測試混凝土的抗壓強度?；炷翀A柱體的預估極限荷載分別為：265 kN、442 kN。因此選用東南大學結構試驗室200T全能試驗機。

SEM試驗選用東南大學材料試驗中心的“XL-30環(huán)境掃描電子顯微鏡”。

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能試驗

2.1.1 試驗結果

將養(yǎng)護至規(guī)定齡期的試件拿出進行抗壓試驗，并做相應記錄，其測試結果見表3。其中強度增長率指本齡期相比于前一齡期強度的增長程度；強度相差百分率指涂刷與未涂刷XYPEX濃縮劑的試件強度的相差程度[4]。

2.1.2 CCCW對C15混凝土力學性能的影響

由表3數(shù)據(jù)分析CCCW對C15混凝土試件的影響[4]，結果為：

(1) 無論何種工況，混凝土試件強度與養(yǎng)護齡期均呈正相關關系，但相同齡期內未涂刷的要高于涂刷的試件強度，結合表3可知涂刷的碳化深度低于未涂刷的。究其原因：未涂刷試件的強度與試件表層碳化有關，而混凝土碳化難易程度與混凝土密實性有關，由于C15混凝土密實性差，在碳化作用影響下導致未涂刷試件強度提高。同時碳化的影響使得XYPEX濃縮劑的滲透速度變緩，在短時間內未能滲透進入混凝土內部發(fā)生結晶作用，同時由于在涂層內的結晶導致表層混凝土密實，一定程度上抑制了混凝土內外的溫濕交換，對混凝土內部水化反應造成一定影響，同時對混凝土碳化造成一定的抑制作用。但在試驗時間內未涂刷試件的碳化以及混凝土內部水化反應導致的混凝土提高程度要高于涂刷試件僅靠涂層內的結晶反應引起的強度提高程度。

(2) 涂刷與未涂刷XYPEX濃縮劑的試件強度之間的相差程度隨著養(yǎng)護齡期逐漸變小，到養(yǎng)護齡期60 d時，僅相差0.19%。主要是因為隨著養(yǎng)護齡期的增加，XYPEX濃縮劑通過滲透進入混凝土內部發(fā)生結晶反應，從而提高混凝土強度。

表3 混凝土強度測試結果

(3) 未涂刷試件的強度變化率與養(yǎng)護齡期的關系不大，變化趨勢較為平緩；而涂刷的試件強度增長率與養(yǎng)護齡期的關系相對較大，各齡期下強度增長率均超過2.00%，且45 d時高達13.33%。分析原因：試件強度受三方面影響：一是試件表層碳化；二是混凝土內部水化反應；三是XYPEX濃縮劑的滲透結晶反應。其中未涂刷試件強度僅受前兩方面原因影響。涂刷與未涂刷試件的強度增長率區(qū)別主要在第三方面原因，由此可見XYPEX濃縮劑能夠在試驗時間內通過滲透結晶反應，密實混凝土，引起混凝土強度的快速提高，而前期與后期強度增長率相對較低的原因略有不同，前期強度增長率相對較低主要是因為濃縮劑未能滲透進入混凝土內部發(fā)揮作用，僅靠涂層內部結晶反應；后期強度增長率相對較低的原因是隨著滲透結晶反應的進行，部分活性化學物質逐漸進入“休眠”狀態(tài)以及未水化水泥等物質量限制影響。

2.1.3 CCCW對C25混凝土力學性能的影響

由表3數(shù)據(jù)分析CCCW對C25混凝土試件的影響[4]，結果為：

(1) 無論何種工況，混凝土試件強度與養(yǎng)護齡期均呈正相關關系，且同一工況下未涂刷的要低于涂刷的試件強度，同時未涂刷的要深于涂刷的碳化深度。原因分析：混凝土碳化難易程度與混凝土密實性有關，由于C25混凝土相對密實，從而導致混凝土強度受碳化影響相對較小。同時由于碳化深度較淺，XYPEX濃縮劑能夠在較短時間內滲透通過碳化層進入混凝土內部發(fā)生結晶反應，影響混凝土強度。而涂刷試件的碳化深度要小于未涂的試件，是由涂層內結晶反應密實混凝土表層導致的。

(2) 各工況下強度相差程度隨齡期的增長呈現(xiàn)以下趨勢：先劇增后逐漸平緩。原因分析：前期涂刷試件的強度快速增長是由于XYPEX濃縮劑滲透進入混凝土內部發(fā)生結晶反應密實混凝土所致。而隨著結晶反應的不斷進行，混凝土內部滲透范圍內未水化水泥的逐漸減少以及表層混凝土的密實抑制混凝土內外溫濕交換導致部分XYPEX濃縮劑進入“休眠”狀態(tài)，從而導致后期涂刷試件的強度增長緩慢，差值變化趨勢變緩。

(3) 未涂刷試件的強度變化率與養(yǎng)護齡期的關系不大，變化趨勢較為平緩；而涂刷的試件強度增長率與養(yǎng)護齡期的關系相對較大，各齡期下強度增長率均超過3.00%，且30 d時接近8.00%。分析原因：試件強度受三方面影響：一是試件表層碳化；二是混凝土內部水化反應；三是XYPEX濃縮劑的滲透結晶反應。其中未涂刷試件強度僅受前兩方面原因影響。涂刷與未涂刷試件的強度增長率區(qū)別主要在第三方面原因，由此可見XYPEX濃縮劑能夠在試驗時間內通過滲透結晶反應，密實混凝土，引起混凝土強度的快速提高，而后期強度增長率相對較低的原因是隨著滲透結晶反應的進行，部分活性化學物質逐漸進入“休眠”狀態(tài)以及未水化水泥等物質量逐漸減少所致。

2.2 掃描電子顯微鏡(SEM)試驗

綜合考慮混凝土保護層厚度(一般20 mm)與掃描電鏡兩方面原因，本試驗所觀察的微觀結構形貌取點依次為：距涂層表面0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm局部點。同時考慮到不同介質交界面粘結性差，因此對水泥漿與粗骨料交界面微觀結構形貌進行觀察[4，11-12]。

2.2.1 掃描結果

微觀結構形貌掃描結果見圖3(a)、圖3(b)。

2.2.2 掃描結果分析

通過觀察與對比微觀結構形貌圖，可以發(fā)現(xiàn)以下幾個規(guī)律[4]：

(1) 各工況下均有白色結晶產(chǎn)生，且物質的量與深淺有關：隨深度的增加，白色結晶物質的量逐漸減少，其中0 mm處與20 mm處結晶物質形態(tài)對比尤為明顯：0 mm處結晶物質相對集結，20 mm處相對散落。由此分析可知：XYPEX濃縮劑能夠通過滲透結晶作用在混凝土內部生成結晶體，且離涂層越遠，生成的結晶的量越少。

(2) 據(jù)界面過渡層學說[4，13]，界面過渡區(qū)有以下幾個特點：一是水灰比高、密實性差；二是粘結性差；三是此處晶體的Z軸正向沿法線取向外。因此界面處極易產(chǎn)生裂縫。由圖3中水泥漿與骨料界面的微觀結構形貌圖可見，此界面處粘結較為密實，粘結性好。由此推斷，由于XYPEX濃縮劑的滲透結晶作用在此界面處產(chǎn)生不溶性結晶體，提高了界面的粘結密實性。

2.2.3 能譜測試結果及分析

能譜分析以Na元素為特征元素。由于能譜儀與掃描電鏡是配合使用的，因此能譜儀的測試區(qū)域也為距涂層0 mm、5 mm、10 mm、15 mm及20 mm局部點。掃描結果見表4。

表4 不同深度處Na元素含量掃描結果

分析表4數(shù)據(jù)可知[4]：

(1) 無論何種工況下，Na元素的含量與涂層深度呈負相關關系：即隨深度的增加Na元素含量逐漸降低，而0 mm處為其他深度Na元素含量2倍左右。由此可推斷涂層處XYPEX濃縮劑含量最高，能夠持續(xù)不斷的為后續(xù)損傷提供活性化學物質。

圖3微觀結構形貌圖

(2) 由不同深度處Na元素含量穩(wěn)定變化趨勢來推斷XYPEX濃縮劑的滲透深度。其中C15試件，Na元素含量并未隨深度呈現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢，由此可推斷滲透深度超過20 mm；而C25試件Na元素含量在15 mm與20 mm處呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢，由此可推斷滲透深度在15 mm～20 mm。

3 將CCCW注入混凝土內部的應用探討

綜上所述，表面涂覆CCCW后，隨著涂覆時間的增長，CCCW通過滲透進入混凝土內部，發(fā)揮結晶作用密實混凝土，從而改善混凝土的性能。同時考慮到工程實際施工中，低強度混凝土內部密實性差，因此如果能夠將CCCW注入混凝土內部，將更好的發(fā)揮CCCW密實混凝土及修補表面裂縫的作用。

參照壓力灌膠法[14-16]將CCCW注入混凝土內部，其基本思路為：將裂縫表面封閉，預留注入口、排氣口，使裂縫形成密閉空腔，通過壓力機將CCCW注入混凝土內部，在壓力的作用下CCCW滲入縫中將空氣置換出來。從而發(fā)揮CCCW結晶作用，密實混凝土，達到加固補強的目的。理論上來講，將密實混凝土整個截面，以C25為例，通過上述滲透深度及強度提高程度，假設線性規(guī)律推算出滲透深入至整截面時的強度提高程度，即滲透深入在75 mm時的強度提高程度為32%。由于時間限制，具體試驗方法及數(shù)據(jù)分析將在后續(xù)試驗中進行補充。

4 結 論

通過探討水泥基滲透結晶型防水材料對低強度混凝土性能的影響，以此來反映其應用于混凝土加固修復方面的可行性[4]。主要結論有：

(1) 抗壓試驗：涂刷XYPEX濃縮劑后，無論何種工況下，強度與養(yǎng)護齡期呈正相關關系，且增幅均高于未涂刷的，同時對于涂刷試件不同強度等級強度增幅趨勢呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，C15試件強度增幅趨勢：緩慢-增長較快-平緩，而C25試件強度增幅趨勢：增長較快-平緩。

(2) SEM試驗：XYPEX濃縮劑能夠通過滲透結晶作用密實混凝土，改善混凝土性能。

(3) 能譜分析：通過探測Na元素隨深度的變化趨勢，來推斷XYPEX濃縮劑的滲透深度：C15滲透深度超過20 mm，C25的滲透深度在15 mm～20 mm左右。

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