周紫晨,張劍峰,程鎧,張冰,劉仕琪
(中冶武漢冶金建筑研究院有限公司,湖北 武漢 430081)
混凝土的開(kāi)裂問(wèn)題是100多年來(lái)未能解決的行業(yè)難題。隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展,工程項(xiàng)目對(duì)施工效率的不斷追求,大量超細(xì)、早強(qiáng)水泥的廣泛使用,施工過(guò)程質(zhì)量管控水平不高等現(xiàn)象突出,再加上混凝土材料自身的脆性和拉伸強(qiáng)度低等特點(diǎn),開(kāi)裂問(wèn)題逐年呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。
混凝土裂紋為有害物質(zhì)的傳輸提供了通道,引起鋼筋銹蝕、材料性能劣化、加速基體開(kāi)裂及裂紋生長(zhǎng),進(jìn)而縮短結(jié)構(gòu)的服役壽命。為確保結(jié)構(gòu)的安全和延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的服役壽命,需要進(jìn)行常態(tài)化的檢測(cè)和維護(hù),而這種被動(dòng)式的措施難以適應(yīng)當(dāng)今建筑業(yè)智能化發(fā)展的新要求。
具有自愈合功能的水泥基復(fù)合材料新技術(shù)是當(dāng)前建筑材料領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。本文對(duì)比研究了3種國(guó)內(nèi)外主流的水泥基材料裂縫自修復(fù)劑,通過(guò)將其摻水泥(砂漿)基材中,對(duì)強(qiáng)度恢復(fù)率、水壓滲透恢復(fù)率進(jìn)行了測(cè)試,研究了其宏觀愈合效果,在對(duì)縫面產(chǎn)物和材料組成微觀分析的基礎(chǔ)上對(duì)其修復(fù)機(jī)理進(jìn)行了研究。
水泥:P·O42.5,武漢亞?wèn)|,比表面積為385 cm2/g,其他各項(xiàng)性能滿足指標(biāo)要求;粉煤灰(FA):Ⅱ級(jí)灰,陽(yáng)邏電廠,各項(xiàng)性能滿足指標(biāo)要求;砂:Ⅱ區(qū)中砂,細(xì)度模數(shù)2.7,含泥量0.8%;聚丙烯纖維:長(zhǎng)度6 mm。水泥、粉煤灰的主要化成分見(jiàn)表1。
表1 膠凝材料的主要化學(xué)成分 %
自修復(fù)材料:自修復(fù)劑S,加拿大產(chǎn);自修復(fù)劑K,瑞士產(chǎn);自修復(fù)劑T,國(guó)產(chǎn)。選擇的代表?yè)搅繛槟z凝材料總量的2%。
荷載損傷恢復(fù)試驗(yàn)砂漿的配合比見(jiàn)表2,滲透能力恢復(fù)試驗(yàn)凈漿的配合比見(jiàn)表3。
表2 荷載損傷恢復(fù)試驗(yàn)砂漿的配合比 g
表3 滲透能力恢復(fù)試驗(yàn)凈漿的配合比 g
自修復(fù)材料應(yīng)用效果評(píng)價(jià)主要為觀察法和恢復(fù)法(包括抗壓、劈裂的恢復(fù)和抗?jié)B的恢復(fù))[4-6],觀察法受主觀因素影響,且無(wú)法有效反映內(nèi)部的恢復(fù)效果。抗壓和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)芎芎玫貜牧W(xué)性能上表征混凝土結(jié)構(gòu)破壞后的恢復(fù)能力,但在構(gòu)造裂縫的過(guò)程中,試件在壓力作用下容易發(fā)生崩裂破壞,導(dǎo)致裂縫的規(guī)律性不強(qiáng),很難建立統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。為了較全面客觀地評(píng)價(jià)自修復(fù)材料的自愈合能力,本研究采用荷載損傷恢復(fù)法[7]和自主設(shè)計(jì)的一套水壓滲透性恢復(fù)法進(jìn)行試驗(yàn)。強(qiáng)度試驗(yàn)采用砂漿試樣進(jìn)行表征,滲透性恢復(fù)試驗(yàn)采用水泥凈漿進(jìn)行表征。
1.2.1 荷載損傷恢復(fù)率法
采用表2所示的配合比配制水泥砂漿,試件成型尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。24 h后拆模,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至7 d齡期后,分別保留3個(gè)試件在養(yǎng)護(hù)室中繼續(xù)養(yǎng)護(hù),用作對(duì)比試件。將其余試件取出后任選3個(gè)試件按JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試抗壓強(qiáng)度,將剩余試件按75%抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行預(yù)壓,達(dá)到設(shè)定預(yù)壓力后,恒載20 s,然后取下預(yù)壓試件,放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中繼續(xù)分別養(yǎng)護(hù)至7、14、28、56 d齡期。取出預(yù)壓試件和對(duì)比試件,分別測(cè)試其抗壓強(qiáng)度?;鶞?zhǔn)砂漿、受檢砂漿的荷載損傷自修復(fù)后抗壓強(qiáng)度保留率按式(1)計(jì)算,荷載損傷自修復(fù)率按式(2)計(jì)算,精確至0.1%。
式中:ηc——荷載損傷自修復(fù)后抗壓強(qiáng)度保留率,%;
fc——預(yù)壓試件養(yǎng)護(hù)后抗壓強(qiáng)度,MPa;
f0——對(duì)比試件抗壓強(qiáng)度,MPa。
式中:Rc——荷載損傷自修復(fù)率,%;
ηs——受檢砂漿荷載損傷自修復(fù)后抗壓強(qiáng)度保留率,%;
ηc——基準(zhǔn)砂漿荷載損傷自修復(fù)后抗壓強(qiáng)度保留率,%。
1.2.2 水壓滲透性恢復(fù)率法
為了更加直觀地表征對(duì)裂縫的修復(fù)效果,基于常壓滲透的基本原理,自行設(shè)置了一套水壓滲透試驗(yàn)裝置,如圖1所示。
根據(jù)設(shè)計(jì)配比成型直徑為100 mm、高度為40 mm的圓餅型試件。標(biāo)養(yǎng)至7 d齡期后,將橫截面垂直于加載面進(jìn)行劈裂,待肉眼觀察到出現(xiàn)第1條裂縫時(shí),立即卸載。通過(guò)在試件外側(cè)設(shè)置鋼箍來(lái)控制裂縫至適宜寬度,然后進(jìn)行標(biāo)養(yǎng),至測(cè)試齡期后取出裝入測(cè)試儀器底座內(nèi),并設(shè)置為恒壓,以稱取一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)試件裂縫滲出的水量情況來(lái)評(píng)判裂縫的修復(fù)效果。
滲透是活性化學(xué)組分遷移并發(fā)生作用的前提,結(jié)晶是堵塞裂縫、修復(fù)微裂紋的根本手段。為了進(jìn)一步揭示自修復(fù)材料的作用機(jī)理,本文采用SEM、EDS、XRD等分析手段對(duì)自修復(fù)材料的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行微觀分析,同時(shí),采用XRF、FT-IR對(duì)自修復(fù)劑的組成進(jìn)行分析。
待試樣完成28 d滲透性試驗(yàn)經(jīng)充分干燥后,沿原裂縫將試件劈開(kāi)并在縫面取樣,利用SEM觀察縫面水化產(chǎn)物,再將結(jié)晶產(chǎn)物浸泡于無(wú)水乙醇中終止水化,烘干粉磨后進(jìn)行XRD測(cè)試。
表4 水泥砂漿強(qiáng)度恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果
從表4、圖2可以看出,所有試件在載荷損傷后各齡期均表現(xiàn)出了較高的抗壓強(qiáng)度保留率。當(dāng)齡期由7 d延長(zhǎng)到28 d,空白試樣強(qiáng)度保留率從0.84增大到0.94,隨著齡期的延長(zhǎng),呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。早齡期時(shí),試件由于受到預(yù)載破壞的影響,強(qiáng)度較未預(yù)載的試件低15.7%,隨著齡期的延長(zhǎng),這一趨勢(shì)逐漸放緩,到28 d時(shí),抗壓強(qiáng)度與未預(yù)載試件達(dá)到相似水平。對(duì)比摻加自修復(fù)材料的試件,預(yù)載后早齡期均表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度保留率,基本與未預(yù)載試件持平,隨著齡期的延長(zhǎng),大都呈現(xiàn)出逐漸提高的趨勢(shì)。自修復(fù)劑T、自修復(fù)劑S在14 d齡期時(shí)均表現(xiàn)高于未預(yù)載強(qiáng)度的特點(diǎn),自修復(fù)劑K、自修復(fù)劑T在28 d齡期時(shí)均高于未預(yù)載強(qiáng)度。
從圖3可以看出,7~14 d時(shí),隨著齡期的延長(zhǎng),各類摻自修復(fù)的試樣均表現(xiàn)出荷載損傷自修復(fù)能力下降的趨勢(shì)。摻自修復(fù)劑K、T的試樣在14 d后出現(xiàn)上升,而摻自修復(fù)劑S的試樣則繼續(xù)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。早齡期時(shí),修復(fù)能力表現(xiàn)為S>T>K,中后期時(shí),修復(fù)能力表現(xiàn)為T(mén)>K>S。上述結(jié)果表明自,修復(fù)劑S作用在早期發(fā)揮顯著,而自修復(fù)劑K、T在后期作用也較明顯。
從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,水泥砂漿在受到75%的預(yù)載荷時(shí),會(huì)對(duì)砂漿體結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生一定破壞,表現(xiàn)為強(qiáng)度的降低,通過(guò)繼續(xù)養(yǎng)護(hù),受損強(qiáng)度會(huì)逐漸恢復(fù),隨著時(shí)間的延長(zhǎng),恢復(fù)效果更加明顯。究其原因,砂漿中富余的水泥顆粒二次水化,填充結(jié)構(gòu)微裂紋,一定程度修復(fù)預(yù)載荷形成的缺陷;自修復(fù)劑的摻入,能夠更快地產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物,填充到預(yù)壓產(chǎn)生的微裂紋和內(nèi)部孔隙中,使砂漿體結(jié)構(gòu)更加密實(shí),對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的恢復(fù)發(fā)揮了有益作用。
表5 水泥凈漿水壓滲透速率試驗(yàn)結(jié)果
從表5可以看出,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng),無(wú)論空白試樣還是摻加自修復(fù)劑的試樣,都表現(xiàn)出水滲透性的降低,表明了水泥基材料自身具有一定自我修復(fù)的能力,這與抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果一致。摻加了粉煤灰的試樣表現(xiàn)出更好的恢復(fù)效果,滲透速率均低于同齡期未摻加的試樣,粉煤灰的加入,更加有利于裂縫的修復(fù),對(duì)多數(shù)摻加自修復(fù)劑的試樣影響更為顯著。
從圖4可以看出,未摻加粉煤灰的膠凝體系下,14 d修復(fù)能力表現(xiàn)為S>K>T,而摻加粉煤灰14 d修復(fù)能力則表現(xiàn)為K>S>T,自修復(fù)劑在摻加粉煤灰的膠凝體系下,表現(xiàn)出了優(yōu)異的修復(fù)特性,且均優(yōu)于空白樣;當(dāng)齡期為28 d時(shí),膠凝材料中無(wú)論是否摻入粉煤灰,3種自修復(fù)劑的修復(fù)能力均表現(xiàn)為S>T>K,這與抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)的規(guī)律性不太一致。同時(shí),在摻加粉煤灰的條件下,修復(fù)劑K表現(xiàn)出恢復(fù)能力提升最為顯著,修復(fù)劑T次之,修復(fù)劑S的提升效果最小。
為了進(jìn)一步探究自修復(fù)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,分別選取了水泥凈漿裂縫中的水化生成物進(jìn)行XRD、SEM和EDS測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)圖5。
從圖5可以看出:裂縫處水化生成的產(chǎn)物主要為CaCO3、CH、硅酸鈣系列產(chǎn)物,且各產(chǎn)物成分基本一致。其中,摻加自修復(fù)劑S試樣的產(chǎn)物中CaCO3含量相對(duì)最多,T樣次之,K樣最少,CaCO3、C-S-H凝膠的生成,有效填充了裂縫空隙,表現(xiàn)為抗?jié)B透性能的恢復(fù),測(cè)試結(jié)果與水壓滲透性試驗(yàn)結(jié)果一致。
圖6為水泥凈漿裂縫自修復(fù)產(chǎn)物的微觀形貌,結(jié)合表6中EDS測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在自修復(fù)劑活性物質(zhì)的作用下,水泥水化產(chǎn)物中的片狀Ca(OH)2晶體明顯消失,生成大量CaCO3晶體,這與XRD分析結(jié)果相一致。
表6 裂縫處水化產(chǎn)物EDS分析
為了進(jìn)一步探究自修復(fù)材料的反應(yīng)機(jī)理,對(duì)3種自修復(fù)劑進(jìn)行了XRD、FT-IR和XRF分析,結(jié)果分別見(jiàn)圖7、圖8和表7。
表7 自修復(fù)劑的XRF分析結(jié)果 %
從圖8可以看出,自修復(fù)劑K主要為碳酸鈣,3698 cm-1處是氫氧根的特征吸收峰;自修復(fù)劑S主要為鈣質(zhì)硅酸鹽,3697、3643 cm-1處是氫氧根的特征吸收峰,1002、920、899、517、444 cm-1處是硅酸根的特征吸收峰;自修復(fù)劑T主要為富馬酸二鈉鹽,在2981、2875、2516、1796、1415、875、712 cm-1處是碳酸根的特征吸收峰,3696 cm-1處是氫氧根的特征吸收峰。
劈裂構(gòu)造形成的裂縫使成型試件的開(kāi)裂界面暴露于外部環(huán)境中,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相對(duì)濕度為95%的條件下,水分不斷溶解空氣中的CO2生成HCO3-、CO32-離子。自修復(fù)劑中含有碳酸鹽、磷酸二氫鹽、富馬酸鈉等結(jié)晶劑[8],具有很強(qiáng)的絡(luò)合作用,在溶液環(huán)境中進(jìn)一步促進(jìn)水化產(chǎn)物CH的溶解,生成相對(duì)應(yīng)的鈣離子絡(luò)合物。該絡(luò)合物可以與上述HCO3-、CO32-離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CaCO3晶體。主要化學(xué)反應(yīng)式如下:
自修復(fù)劑中還含有硬石膏等膨脹組分,上述物質(zhì)促進(jìn)水泥試件內(nèi)部離子向裂縫及孔隙中遷移,通過(guò)絡(luò)合結(jié)晶和膨脹發(fā)揮作用,填充空隙。同時(shí),在堿性激發(fā)的作用下,更加有利于火山灰反應(yīng)的進(jìn)行,摻有輔助性膠凝材料粉煤灰的試樣在摻入自修復(fù)劑時(shí)表現(xiàn)出更優(yōu)的恢復(fù)效果。相較于空白試樣,摻加自修復(fù)劑的試樣孔隙液及裂縫面上Ca2+含量更高,當(dāng)水和CO2通過(guò)裂縫進(jìn)入水泥試件內(nèi)部后,水化產(chǎn)物經(jīng)碳化生成穩(wěn)定的碳酸鈣晶體以愈合微裂縫。
綜上來(lái)看,自修復(fù)產(chǎn)生的愈合效果主要來(lái)源于水泥基材料水化產(chǎn)物的碳化沉淀、未水化的水泥繼續(xù)水化、礦物摻合料的火山灰反應(yīng)和膨脹劑帶來(lái)的膨脹作用。
(1)荷載損傷恢復(fù)法和水壓滲透性恢復(fù)法均可以用于水泥基材料自修復(fù)能力的評(píng)價(jià),但兩者的規(guī)律性表現(xiàn)并不完全一致??紤]到水壓滲透性更符合工程應(yīng)用實(shí)際且效果更加直觀,結(jié)合微觀分析結(jié)果,水壓滲透性恢復(fù)法的評(píng)價(jià)手段更優(yōu)。
(2)水泥基材料自身具有一定的恢復(fù)能力,且隨著齡期的延長(zhǎng)恢復(fù)程度更高,28 d后基本趨于穩(wěn)定,自修復(fù)劑的摻入對(duì)水泥基材料修復(fù)能力的提升有明顯的促進(jìn)作用。粉煤灰的摻入更加有利于裂紋的愈合,自修復(fù)劑在摻加粉煤灰的膠凝材料體系中的修復(fù)作用更加顯著。
(3)水泥基材料發(fā)生自修復(fù)作用的主要產(chǎn)物為CaCO3、CH以及水泥顆粒進(jìn)一步水化生成的CSH凝膠。自修復(fù)劑樣品的主要活性組分為碳酸鹽、磷酸二氫鹽和富馬酸鈉等結(jié)晶劑,同時(shí),還含硬石膏等膨脹組分,通過(guò)絡(luò)合結(jié)晶和膨脹發(fā)揮作用,填充空隙。
(4)自修復(fù)作用的主要機(jī)理是材料中的絡(luò)合組分與裂縫周圍溶液中的HCO3-、CO32-離子反應(yīng)生成CaCO3晶體,且在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中為中間絡(luò)合物,不斷促進(jìn)CaCO3晶體在裂縫處沉積,并不斷促進(jìn)未水化水泥顆粒繼續(xù)水化修復(fù)裂縫。