無機(jī)修復(fù)劑對混凝土裂縫自愈性的影響研究

朱夢龍, 王心茹, 田周蕊, 田思騰, 朱 楓, 任書霞

(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)

混凝土材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能且經(jīng)濟(jì)性良好，是現(xiàn)代建筑的基礎(chǔ)材料，但受干縮、溫度、荷載等因素作用，混凝土在水化硬化過程中易開裂，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全性及使用壽命，后期維護(hù)和修補(bǔ)費(fèi)用巨大。因此，開發(fā)能實(shí)現(xiàn)混凝土基體裂縫自診斷、自修復(fù)的材料已成為混凝土工程界和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。目前，有關(guān)混凝土裂縫自修復(fù)技術(shù)主要涉及微生物、微膠囊、纖維、記憶合金以及電化學(xué)沉積等方面。采用鈣鹽和細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣[1-3]的生成、活性二氧化硅[4]等結(jié)晶摻合料促進(jìn)碳酸鈣轉(zhuǎn)化等均可實(shí)現(xiàn)混凝土裂縫自修復(fù)，利用具有延展性的預(yù)浸膨脹珍珠巖可以控制混凝土內(nèi)部的裂縫發(fā)展[5]，通過造粒技術(shù)制備粉煤灰、硅灰、偏高嶺土、石灰石粉、碳酸鈉粉等人工功能骨料提高了砂漿裂縫的自修復(fù)能力[6]。雖然上述研究在混凝土裂縫自修復(fù)方面的進(jìn)展顯著，但仍有許多問題亟待解決：空心纖維或膠囊制備難、成型難，形狀記憶合金價(jià)格昂貴且加熱加快愈合過程導(dǎo)致不確定性，微生物法需滿足許多先決條件，造粒技術(shù)復(fù)雜，以上技術(shù)并未成熟。因此，本文采用機(jī)械混合的方法，以海泡石礦物為基體吸附、包覆氧化鈣、氧化鎂類復(fù)合膨脹劑、硅酸鈉等修復(fù)組分，制備了一種新型無機(jī)的混凝土裂縫自修復(fù)劑。該修復(fù)劑成本低廉，不僅可以直接內(nèi)摻混凝土中，操作方便、施工簡便，快速修復(fù)混凝土基體的微裂縫，并能改善混凝土基體的抗裂性，能從根本上解決混凝土結(jié)構(gòu)易開裂、難修復(fù)、施工困難等技術(shù)難題。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.1 原材料介紹

水泥采用石家莊鼎鑫水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5水泥，其化學(xué)組成如表1所示；砂為新樂產(chǎn)河砂，其表觀密度為2 580 kg/m3，含泥量2.1%，細(xì)度模數(shù)為2.7；拌合水為自來水；海泡石由河北宏利海泡石絨有限公司生產(chǎn)；氧化鈣類膨脹劑與氧化鎂類膨脹劑均為FS-4A，由河北青華建材有限公司生產(chǎn)；分析純硅酸鈉，由天津市永大化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；纖維由大城縣亦博化工有限公司生產(chǎn)，當(dāng)量直徑為18～48 μm，抗拉強(qiáng)度≥500 MPa。

表1 水泥的化學(xué)組成

1.2 修復(fù)劑的制備

海泡石、氧化鈣復(fù)合膨脹劑、氧化鎂膨脹劑、硅酸鈉按0.5∶1∶1∶1的比例稱取。將氧化鈣復(fù)合膨脹劑、氧化鎂膨脹劑和硅酸鈉放入滾式球磨機(jī)中均勻混合2 h，得到修復(fù)組分。之后將海泡石與修復(fù)組分再用滾式球磨機(jī)混合2 h，制得海泡石基無機(jī)裂縫自修復(fù)劑。

1.3 膠砂試件的制備

按表2所示的配合比制備尺寸為40 mm×40 mm×160 mm膠砂(模擬混凝土)試件。成型后24 h拆模，標(biāo)養(yǎng)至相應(yīng)齡期。

表2 膠砂配合比設(shè)計(jì)

1.4 測試方法

依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》(GB/T 17671-1999)對砂漿試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試。

抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率[7]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。其中，裂縫預(yù)制方法參考文獻(xiàn)[7]。裂縫寬度測試依據(jù)《混凝土裂縫寬度及深度測量儀校準(zhǔn)規(guī)范》(JJF 1334-2012)，采用全金屬專業(yè)200萬數(shù)碼體視顯微鏡對裂縫寬度進(jìn)行觀測。

依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2009)對砂漿混凝土試塊進(jìn)行早期抗裂性能測試。

采用德國布魯克生產(chǎn)D8ADVANCE型號X射線衍射儀對裂縫處愈合產(chǎn)物進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與討論

2.1 力學(xué)性能

圖1給出了修復(fù)劑摻量分別為0%、6%、8%、10%和15%膠砂試件在不同齡期的抗壓強(qiáng)度值。由圖1可見，對于摻入修復(fù)劑的試驗(yàn)組試件，盡管其早期(3 d齡期)抗壓強(qiáng)度值較未摻修復(fù)劑的空白組試件均有所降低；當(dāng)修復(fù)劑摻量為6%和8%時(shí)，降低幅度較小，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(齡期>3 d)，其抗壓強(qiáng)度值明顯高于空白組試件；當(dāng)修復(fù)劑摻量過大(>10%)時(shí)，其力學(xué)性能降低幅度較大。

圖1 修復(fù)劑摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率

圖2給出了修復(fù)劑摻量分別為0%、6%、8%、10%和15%膠砂試件在不同齡期的強(qiáng)度恢復(fù)率。由圖2可見，所有摻入修復(fù)劑的試驗(yàn)組膠砂試件，其不同齡期的抗壓恢復(fù)率均高于未摻修復(fù)劑的空白組試件。對于早期(3 d、7 d)預(yù)制的裂縫，其強(qiáng)度恢復(fù)率隨著修復(fù)組分摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)修復(fù)劑摻量為6%和8%時(shí)，試件3 d +28 d和7 d +28 d時(shí)強(qiáng)度恢復(fù)率較大，尤其是后者分別達(dá)到了213.5%和163.9%。對于后期(28 d)預(yù)制裂縫，其強(qiáng)度恢復(fù)率隨著修復(fù)劑摻量的增加而增加，當(dāng)修復(fù)劑摻量為15%時(shí)，28 d +28 d抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率最大(114.2%)，但由于修復(fù)摻量過大，導(dǎo)致力學(xué)性能發(fā)生顯著劣化。因此，本試驗(yàn)條件下，修復(fù)劑的最佳摻量為6%和8%。

圖2 不同修復(fù)劑摻量下膠砂試件的強(qiáng)度恢復(fù)率

2.3 裂縫寬度

對修復(fù)劑摻量分別為0、6%、8%的膠砂試件，標(biāo)養(yǎng)3 d和7 d后分別預(yù)制裂縫，裂縫的初始寬度以及二次水中養(yǎng)護(hù)(45 d)裂縫寬度的變化見圖3、圖4。

圖3 不同劑量修復(fù)劑3 d預(yù)壓裂縫和3 d+45 d修復(fù)情況

圖4 不同劑量修復(fù)劑7 d預(yù)壓裂縫和7 d+45 d修復(fù)情況

由圖3、圖4可見，對于3 d預(yù)制的裂縫，空白組試件的裂縫寬度從最初的0.18 mm，經(jīng)45 d的二次養(yǎng)護(hù)后，降低至0.07 mm，其裂縫修復(fù)率為66.1%。

修復(fù)劑摻量6%和8%時(shí)，初始寬度0.2 mm左右的預(yù)制裂縫，經(jīng)45 d二次養(yǎng)護(hù)后完全修復(fù)，裂縫修復(fù)率均達(dá)到100%。對于7 d預(yù)制的裂縫，空白組的裂縫修復(fù)率在45 d后為35.7%；當(dāng)修復(fù)劑摻量為6%和8%時(shí)，45 d后的裂縫修復(fù)率仍可達(dá)到100%。上述結(jié)果說明摻入6%和8%的海泡石基修復(fù)劑，可大幅度提升膠砂試件裂縫的自愈合能力。

2.4 抗裂性

混凝土大板試驗(yàn)的測試結(jié)果見圖5。由圖5可見，空白組的裂縫數(shù)為5條，單位面積上的總開裂面積為789.36 mm2/m2。而摻入6%和8%的修復(fù)劑之后，產(chǎn)生裂縫的條數(shù)降為2條，單位面積上的總開裂面積也分別降低為662 mm2/m2和564 mm2/m2。測試結(jié)果表明海泡石基修復(fù)劑的摻入大幅度提高了混凝土試件的抗裂性。

圖5 混凝土大板開裂情況

2.5 微觀分析

為進(jìn)一步探討裂縫修復(fù)的機(jī)理，將7 d預(yù)制裂縫的修復(fù)劑摻量6%的試驗(yàn)組膠砂試件二次養(yǎng)護(hù)45 d后，刮出裂縫處的生成產(chǎn)物，進(jìn)行XRD檢測。裂縫表面生成物和裂縫深處生成的測試結(jié)果分別見圖6和圖7。

圖6 表面裂縫處愈合產(chǎn)物的XRD圖譜

圖7 深層裂縫處愈合產(chǎn)物的XRD圖譜

3 結(jié)論

通過機(jī)械混合方法制備了一種新型的無機(jī)混凝土裂縫自修復(fù)劑。當(dāng)其摻量為6%和8%時(shí)，所制備膠砂試件的力學(xué)性能較優(yōu)，對裂縫自修復(fù)效果最佳，能完全修復(fù)寬度0.2 mm左右的裂縫?；炷链蟀蹇沽言囼?yàn)結(jié)果顯示裂縫條數(shù)從空白對照組5條顯著減小至2條，總開裂面積由789.36 mm2/m2下降到662 mm2/m2和564 mm2/m2，抗裂性得到顯著優(yōu)化。在表層裂縫主要愈合產(chǎn)物為CaCO3、AFT晶體和Al(OH)、Al(OH)3凝膠，在深層裂縫主要產(chǎn)物為莫來石、Al(OH)3和AFT。各產(chǎn)物在單方面作用填充孔隙的同時(shí)又與其他產(chǎn)物相互交織形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)裂縫的自修復(fù)。