水溶性滲透結晶材料對混凝土性能影響的研究

胡棟，左程，宋嘉城，李楊，周世華

（1.湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南 岳陽 414500；2.長江水利委員會長江科學院，湖北 武漢 430010）

0 前言

耐久性影響混凝土結構的服役壽命，其配合比設計也正從傳統(tǒng)的以強度目標為導向逐漸向以耐久性轉變[1]。表面涂層防護技術是提高混凝土耐久性的重要手段之一，如氟碳涂層、聚脲涂層、環(huán)氧樹脂涂層等[2]。但有機高分子涂層只能阻斷基體與周圍環(huán)境的接觸，不能實現對混凝土損傷的修復，服役中也存在耐候性不足、大氣穩(wěn)定性不夠、抗老化能力不強等問題。

近年來，滲透結晶技術應用逐漸增多，包括水泥基滲透結晶（CCCW）材料、有機硅烷類浸漬材料等[3]，其活性物質能夠激活和催化未水化的水泥顆粒，并與Ca（OH）2、AFt等水泥水化產物發(fā)生進一步反應，從而填塞毛細孔，增強基體的密實程度，達到損傷修復和表層強化的目的。同時，CCCW材料可在休眠狀態(tài)與啟動狀態(tài)之間多次轉換[4]，具有同壽命服役和反復施效的能力。目前，CCCW材料已在三峽樞紐、上海地鐵、周寧抽蓄電站、南水北調中線渡槽等多個工程應用。

傳統(tǒng)的水泥基滲透結晶（CCCW）材料具有作用周期長、施工程序多、易爆皮開裂等不足[2]，并且只能在混凝土硬化拆模后進行涂刷。新型的水溶性滲透結晶（DPS）材料利用混凝土吸水動力學特性，克服了CCCW材料的缺陷和不足，噴涂時機不受混凝土硬化狀態(tài)的限制，并且對基底的干燥程度無嚴格要求，可在混凝土自初凝后全壽命周期的各個階段進行施工。但已有研究主要集中在DPS材料對混凝土硬化后期性能的影響[3-6]，在水化早期抗裂性能、養(yǎng)護保濕效果、裂縫修復能力等方面少有報道。

針對上述問題，本文采用平板開裂試驗、透水速率試驗和滲水高度試驗等方法，研究DPS材料對混凝土早期開裂敏感性、裂后自愈合能力、抗壓強度和抗?jié)B性能的影響，并分析DPS材料養(yǎng)護和保濕特性，從而為DPS材料的工程應用提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，密度3.02 g/cm3，比表面積320 m2/kg，細度0.3%；粉煤灰：F類Ⅱ級，密度2.39 g/cm3，燒失量0.98%，細度10.4%，需水量比101%，28 d活性指數74.3%。水泥和粉煤灰的主要化學成分如表1所示。

表1 水泥和粉煤灰的主要化學成分 %

人工砂：細度模數2.90，表觀密度2.68 g/cm3，石粉含量7.3%，飽和面干吸水率1.62%，級配曲線如圖1所示；碎石：5～20 mm小石和20～40 mm中石，表觀密度2.73 g/cm3，飽和面干吸水率0.57%。

圖1 人工砂的級配曲線

DPS材料：透明堿性液體，主要性能如表2所示，具有較好的耐熱性能以及與混凝土的相容性，可在160℃下保溫2 h不出現表面粉化或裂紋，并在混凝土噴灑后不呈滾珠狀掉落。

表2 DPS材料的主要性能

減水劑：緩凝型PCA-1聚羧酸高性能減水劑，減水率28%，用于改善混凝土拌合物的和易性；引氣劑：GYQ-1型，用于調整混凝土的孔結構特性，使用前需加水稀釋，稀釋倍數為100倍。

1.2 試驗配合比

混凝土配合比如表3所示。采用WZ-60型臥軸強制式攪拌機拌合，粉料和骨料先干拌2 min，然后加拌合水繼續(xù)濕拌2 min；結束后裝入邊長為150 mm的立方體抗壓強度試模和尺寸為φ175 mm×φ185 mm×150 mm的圓臺抗?jié)B試模，并經振搗成型和保濕靜置24 h后拆模，移入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護。

表3 混凝土配合比和原材料用量

使用純水泥砂漿研究DPS材料的裂縫修復效果，砂漿水灰比為0.5，灰砂比為1∶3，攪拌和成型方法參照GB/T17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行。

1.3 試驗方法

（1）抗壓強度?；炷猎嚰殖稍囼灲M和對比組，均標準養(yǎng)護7、14、28、90 d后，置于電熱鼓風干燥箱中105℃下烘干24 h至恒重，然后試驗組在DPS溶液中浸泡24 h至吸收飽和，而對比組在純凈水中浸泡24 h至吸收飽和；將2組試件取出，表面擦干后再次標養(yǎng)28 d；最后，按照SL/T 352—2020《水工混凝土試驗規(guī)程》進行抗壓強度測試。

（2）混凝土吸水率及DPS材料吸收率?；炷猎嚰藴署B(yǎng)護7、14、28、90 d后，取出并置于電熱鼓風干燥箱中，在105℃下持續(xù)烘干24 h至恒重，然后浸泡于純凈水或DPS材料中，浸泡24 h后取出，用濕毛巾擦干試件表面并稱量質量，然后利用初始干燥質量和浸泡后的質量計算混凝土吸水率或DPS材料的吸收率。

（3）抗?jié)B性能。采用滲水高度和相對滲透系數研究DPS材料對混凝土透水性能的影響，試驗組和對比組的養(yǎng)護齡期分別為7、28、90 d，參照SL/T352—2020進行測試。

（4）早期抗裂性能。平板法開裂試驗的試件尺寸為600 mm×600 mm×63 mm。試驗步驟和環(huán)境要求按照SL/T 352—2020進行。DPS材料用藥壺人工噴灑，用量分別為50、150、250、350 mL/m2。噴灑分2次進行，前后時間間隔為30 min，噴灑量比例為60∶40。

（5）裂縫修復能力。使用尺寸為160 mm×130 mm×40 mm的砂漿試件進行試驗，研究DPS材料對水泥基材料裂縫的修復能力。砂漿試件的養(yǎng)護齡期為28 d。DPS材料用量分別為10、20、30mL。DPS材料填塞后的試件再分別養(yǎng)護3、7、14、28 d。試驗步驟按照T/CECS848—2021《無機水性滲透結晶型材料應用技術規(guī)程》進行。

1.4 數據分析方法

混凝土早期抗裂性能分別用每條裂縫的平均開裂面積、單位面積上的裂縫數目、單位面積上的總開裂面積和裂縫降低率進行表征，其中裂縫降低率η按式（1）計算。

式中：C0——對比組單位面積上的總開裂面積，mm2/m2；

C1——試驗組單位面積上的總開裂面積，mm2/m2。

DPS材料對砂漿裂縫的修復效果使用滲水速率和滲水速率比表征，計算方法如式（2）、式（3）所示。

式中：Q——滲漏量，mL；

t——試驗持續(xù)時間，min；

V——滲水速率，mL/min；

Vc——未注入DPS材料溶液對比組的滲水速率，mL/min；

VS——注入DPS材料溶液試驗組的滲水速率，mL/min；

μ——試驗組和對比組的滲水速率比，%。

2 結果與討論

2.1 DPS材料對混凝土抗壓強度的影響（見圖2）

圖2 DPS材料對混凝土抗壓強度的影響

由圖2可見，試驗組和對比組的抗壓強度均隨養(yǎng)護齡期的延長而提高，抗壓強度與養(yǎng)護齡期之間呈較好的對數函數關系。相同齡期時，試驗組的抗壓強度高于對比組，并且差異幅度隨養(yǎng)護齡期的延長而縮小。7 d齡期時，試驗組和對比組的抗壓強度分別為34.7、29.4 MPa，兩者相差18.0%；而90 d齡期時，試驗組和對比組的抗壓強度分別為50.3、48.2 MPa，兩者相差4.3%。這說明在水化早期噴涂DPS材料的作用效果較好。

試驗組混凝土吸水率和DPS材料吸收率隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 試驗組混凝土吸水率和DPS材料吸收率隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律

由圖3可見，相同齡期時，試驗組混凝土吸水率大于DPS材料吸收率，并且DPS材料吸收率隨養(yǎng)護齡期的延長而減小，早期下降速度較快，后期逐漸變緩，兩者間呈對數函數關系。實際上，混凝土對液體的吸收能力與自身孔結構特性、液體黏度、環(huán)境溫度等因素有關[7]。DPS材料粘滯系數高于水，導致DPS材料吸收率小于混凝土的吸水率。不僅如此，隨著養(yǎng)護齡期的延長，CSH、AFt、Ca（OH）2、AFm等水化產物數量不斷增多，混凝土孔隙率減小且孔徑細化，也會導致DPS材料的吸收率減小。

DPS材料吸收率與試驗組較對比組混凝土抗壓強度提高幅度的關系如圖4所示。

圖4 DPS材料吸收率與混凝土抗壓強度提高幅度的關系

由圖4可見，混凝土抗壓強度提高幅度隨DPS材料吸收率的增加而增大，兩者呈線性關系。DPS材料含有堿金屬離子、硅酸鹽、絡合劑、催化劑等組分[2]，通過激活和催化未水化的水泥顆粒，促進水化產物數量增加和體積增多，導致混凝土內部密實程度增大，從而達到提高抗壓強度的效果。

DPS材料通過滲透和結晶發(fā)揮作用[7]。滲透深度決定了DPS材料的作用范圍，而結晶能力影響了DPS材料的作用效果[8]。高強度等級混凝土由于內部密實程度較高，DPS材料的侵入阻力較大、滲透總量較少，導致抗壓強度的提高幅度比較有限[6]。這說明DPS材料對表層混凝土具有較強的作用能力。

2.2 DPS材料對混凝土抗?jié)B性能的影響（見表4）

表4 DPS材料對混凝土抗?jié)B性能的影響

由表4可見，試驗組和對比組的滲水高度、相對滲透系數均隨養(yǎng)護齡期的延長而減小，其中對比組的降低幅度較大，如從7 d齡期到90 d齡期，對比組的滲水高度和相對滲透系數分別減小了52.1%、77.1%，而試驗組則分別減小了33.3%、55.5%。相同齡期時，試驗組的滲水高度和相對滲透系數均小于對比組，相對滲透系數僅為對比組的12%～24%，表明DPS材料對混凝土抗?jié)B性能的提高效果遠高于抗壓強度。

混凝土抗?jié)B性能與孔結構特性密切相關。DPS材料對混凝土毛細孔和微細裂紋的作用效果顯著，而混凝土抗壓強度受毛細孔的影響較小[9]，因而出現DPS材料對混凝土抗?jié)B性能提高幅度遠高于抗壓強度的效果。同時，表層混凝土DPS材料的活性物質濃度和反應程度高于內部混凝土，導致抗?jié)B試件表面包裹了一層經過密實化處理的“防滲外衣”，因而出現試驗組抗?jié)B性能隨養(yǎng)護齡期變化幅度較小的情況。這也說明DPS材料噴涂后養(yǎng)護28 d即可達到較好的作用效果。

2.3 DPS材料對混凝土早期抗裂性能的影響（見表5）

表5 DPS材料對混凝土早期抗裂性能的影響

由表5可見，DPS材料能夠降低混凝土的早期開裂風險，減小裂縫尺寸，并減少單位面積上的裂縫數量和總開裂面積。但DPS材料的作用效果與其用量有關，低用量下的作用效果比較有限；而用量超過一定水平后，再繼續(xù)提高其用量的改善能力降低。如DPS材料用量為50 mL/m2時，裂縫降低率僅為16.1%；而用量增加到250 mL/m2時，裂縫降低率提高至88.2%；但用量進一步增加到350 mL/m2時，裂縫降低率提高至95.0%。這說明DPS材料存在比較經濟的用量范圍。從平板開裂試驗結果來看，DPS材料用量在250～350 mL/m2較好。

混凝土早期開裂主要與塑性收縮有關[8]，而水分蒸發(fā)是導致塑性收縮的重要因素。混凝土表面噴灑DPS材料后，一方面，可以補充少量的水分；另一方面，活性物質可滲入混凝土內部，封閉混凝土表層的毛細孔道，減緩了水分蒸發(fā)速率，并減少水分蒸發(fā)量，從而提高了混凝土的早期抗裂性能。

DPS材料對混凝土表觀質量的影響如圖5所示。

圖5 DPS材料對混凝土表觀質量的影響

由圖5可見，噴灑250mL/m2DPS材料的混凝土表面呈灰白色，而未噴灑DPS材料的混凝土表面呈白色，說明DPS材料具有一定養(yǎng)護劑的作用，可抑制混凝土的“泛減”現象。混凝土凝結硬化過程伴有強烈的水分交換作用，表層混凝土不斷的因水分蒸發(fā)而散失，導致內部水分在壓力差作用下不斷的向表層遷移[10]，而Ca2+、Na+和K+等離子隨孔隙溶液的流動而在表面富集和沉淀，從而引起混凝土表觀質量的變化。DPS材料的養(yǎng)護劑作用是較CCCW材料的突出優(yōu)勢。

2.4 砂漿的裂縫修復和愈合能力

砂漿試件裂縫修復試驗裝置如圖6所示。試件在標準條件下養(yǎng)護28 d后取出，沿長度方向劈開并重新組合在一起，四周用防水鋁箔做密封處理后，在裂縫上方用熱熔膠固定一底部開孔的塑料燒杯。通過觀察燒杯內水的滲漏量和滲水速率，分析DPS材料對裂縫的修復效果。砂漿試件初始裂縫的平均寬度分別為0.33、0.28、0.42、0.37 mm。

圖6 砂漿試件裂縫修復試驗裝置

DPS材料對砂漿裂縫修復試驗結果如表6所示。

由表6可見，整體上，未使用DPS材料的對比組滲水速率的變化較小；而使用DPS材料的試驗組滲水速率隨養(yǎng)護齡期延長不斷降低，在養(yǎng)護開始的7 d內下降幅度較大，14 d后降幅較小。如對比組的初始滲水速率為10.6 mL/min，養(yǎng)護28 d后的滲水速率為10.0 mL/min；而試驗組的初始滲水速率為9.7～11.3 mL/min，養(yǎng)護7 d后的滲水速率為2.3～4.2 mL/min，滲水速率下降了63%～78%；進一步養(yǎng)護至28 d后的滲水速率為0.1～0.7 mL/min，滲水速率下降了94%～99%。這說明DPS材料具有較好的裂縫修復能力，但修復效果與DPS材料用量、裂縫寬度、養(yǎng)護時間有關。實際上，不少研究都認為滲透結晶材料僅對寬度不超過0.4 mm的裂縫有較好效果[10-12]。

表6 DPS材料對砂漿試件裂縫修復試驗結果

DPS材料的滲透和結晶都是緩慢進行的過程，混凝土抗?jié)B性能和密實程度、水化產物吸附特性、外部水壓力等因素對DPS材料滲透速率有影響，環(huán)境溫度和濕度、離子濃度等因素對DPS材料結晶速率有影響[11]。同時，DPS材料中堿硅酸鹽反應、輔助材料催化反應等化學反應的進行也需要有水參與。因此，DPS材料噴涂后需要進行養(yǎng)護，并且裂縫寬度、滲水速率隨養(yǎng)護齡期的延長而不斷減小。

砂漿試件裂縫修復過程如圖7所示，其中初始裂縫寬度為0.37 mm，DPS材料用量為30 mL。

圖7 DPS材料對砂漿裂縫的修復過程

由圖7可見，砂漿裂縫寬度隨養(yǎng)護時間的延長而減小，縫內有大量的白色結晶物質生成，其體積和數量隨養(yǎng)護齡期的延長而增大，促使裂縫最后逐漸閉合并消失，如7 d齡期時裂縫已基本被白色晶體完全填充，說明DPS材料提高了砂漿裂后的自愈合能力。

目前，關于DPS材料的修復機理尚未統(tǒng)一，部分研究者認為DPS材料通過結晶沉淀的方式發(fā)揮作用[13]，其中的堿硅酸鹽能夠與Ca（OH）2、AFt、CAH等水化產物進一步反應，生成CaCO3、NaOH、Al（OH）3、CSH等物質[8]，從而填塞毛細孔和微裂隙。但也有研究者認為，DPS材料通過絡合沉淀的方式發(fā)揮作用[14]，其中的Ca2+絡合物能夠激活和催化未水化的水泥顆粒，從而促進水化產物體積和數量的不斷增多。2種理論都存在一定的缺陷和不足，但隨著DPS材料修復作用的不斷發(fā)揮，混凝土缺陷數量、外部滲水量都會逐漸減少，這對DPS材料的化學反應又起到了抑制作用，并最終導致DPS材料的修復反應中止，DPS材料進入休眠狀態(tài)。DPS材料在休眠狀態(tài)與激活狀態(tài)之間的不斷轉換，賦予了水泥基材料長期的裂后自愈合與損傷自修復能力。

3 結論

（1）DPS材料可提高混凝土的抗壓強度，但提高幅度與混凝土養(yǎng)護齡期、本體強度、孔結構特性和DPS材料吸收率有關。早齡期和低強度等級混凝土的提高效果明顯，而隨養(yǎng)護齡期的延長，混凝土對DPS材料的吸收率下降，抗壓強度的提高幅度也減小。

（2）DPS材料可使混凝土的滲水高度和相對滲透系數減小，提高混凝土的抗?jié)B性能，且對混凝土抗?jié)B性能的改善效果顯著優(yōu)于抗壓強度。但抗?jié)B性能改善效果隨養(yǎng)護齡期延長的變化較小，這主要與DPS材料在混凝土表面形成了一層密實化處理的“防滲外衣”有關。

（3）DPS材料可抑制混凝土的泛堿現象，提高水化早期的抗裂性能，并修復微細裂紋。DPS材料用量為250～350mL/m2時，混凝土早期裂縫降低率可達88.2%～95.0%。裂縫修復效果與DPS材料用量、裂縫寬度、養(yǎng)護時間有關，比較經濟的養(yǎng)護時長是7～14 d。

（4）混凝土是透水、透氣的多孔材料，養(yǎng)護和服役過程中的水分交換可改善內部濕度狀況，但DPS材料噴涂后導致混凝土表層密實度提高、透水能力降低和水分吸收特性變差，這對后期水化進程及產物性能的影響需要進一步研究。