水溶性滲透結(jié)晶材料對(duì)混凝土性能的影響

鐘聚光,耿必君,任 鑫,李 楊,周世華,石 妍

(1.湖南平江抽水蓄能有限公司,湖南 岳陽(yáng) 414500; 2.長(zhǎng)江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究室, 武漢 430010)

0 引 言

裂縫是混凝土的常見(jiàn)病害之一,破壞結(jié)構(gòu)的整體性和安全穩(wěn)固,可導(dǎo)致滲漏、溶蝕等耐久性問(wèn)題,引發(fā)微觀結(jié)構(gòu)劣變與宏觀性能損傷,并加劇凍融破壞、碳化作用和離子侵蝕等進(jìn)程。因此,混凝土裂縫的預(yù)防和修復(fù)是工程中普遍關(guān)注的重點(diǎn)。

混凝土全生命周期內(nèi)都伴隨有開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn),特別是水化早期和服役后期的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較高。表面防護(hù)技術(shù)可有效降低裂縫影響,快速提高混凝土抵御環(huán)境破壞的能力。但有機(jī)涂層材料存在耐候性不足、服役壽命有限等問(wèn)題[1],并且不具備修復(fù)受損混凝土基體的能力。水泥基滲透結(jié)晶(Cement-based Infiltration Capillary/Crystalline Waterproof,CCCW)材料雖兼有防護(hù)與修復(fù)的雙重效果[2],以及多次修復(fù)和同壽命服役的能力[3],但只能等待混凝土充分硬化后才能施工,無(wú)法在水化早期的塑性階段發(fā)揮作用[4]。

水溶性滲透結(jié)晶(Water-based Infiltration Capillary/Crystalline Waterproof,WCCW)材料克服了CCCW材料的不足,可在混凝土初凝后即進(jìn)行噴灑,早期發(fā)揮養(yǎng)護(hù)、保濕和減少塑性收縮的效果,后期發(fā)揮填塞小尺寸毛細(xì)孔和修復(fù)微細(xì)裂紋的作用。目前,關(guān)于WCCW材料影響的研究主要集中在混凝土表層硬度、孔結(jié)構(gòu)特性、抗壓強(qiáng)度、抗硫酸鹽侵蝕性能等方面[5-8],在早期抗裂性能、滲透深度、作用機(jī)理等方面報(bào)道較少。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文采用平板法研究WCCW材料對(duì)混凝土早期抗裂性能影響,利用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy,SEM)觀察膠凝材料水化產(chǎn)的微觀形貌,借助傅里葉變換紅外(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)分析水化硅酸鈣(Calcium Silicate Hydrate,CSH)凝膠聚合程度,同時(shí)使用能譜分析技術(shù)(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)探討WCCW材料的滲透深度,揭示W(wǎng)CCW材料的作用機(jī)理與反應(yīng)過(guò)程。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

使用福建安砂水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥進(jìn)行試驗(yàn),密度為3.08 g/cm3,比表面積為362 m2/kg。摻合料為漳州后石電廠生產(chǎn)的F類(lèi)Ⅱ級(jí)粉煤灰,需水量比為101%,密度為2.18 g/cm3,細(xì)度為21.2%。水泥和粉煤灰主要氧化物含量的檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 水泥和粉煤灰的主要氧化物含量

選用北京易晟元環(huán)保工程有限公司生產(chǎn)的WCCW材料進(jìn)行試驗(yàn),性能檢測(cè)結(jié)果如表2所示。WCCW材料具有較好的耐熱性能和混凝土相容性,可在160 ℃溫度下保溫2 h不出現(xiàn)表面粉化或裂紋,并在混凝土噴灑后不呈滾珠狀掉落。WCCW材料為液體,可直接在混凝土表面噴灑或滾涂使用。

表2 WCCW材料性能檢測(cè)結(jié)果

使用花崗巖人工砂和碎石進(jìn)行試驗(yàn)。人工砂粒徑級(jí)配曲線如圖1所示,細(xì)度模數(shù)為2.90,表觀密度為2.68 g/cm3,石粉含量為7.3%,飽和面干吸水率為1.62%。碎石包括粒徑5～20 mm的小石和20～40 mm的中石,表觀密度為2.73 g/cm3,飽和面干吸水率為0.57%。小石和中石質(zhì)量比為55%∶45%。

圖1 人工砂粒徑級(jí)配曲線

為改善混凝土拌合物和易性能,使用緩凝型PCA-1聚羧酸高性能減水劑進(jìn)行試驗(yàn),同時(shí)添加GYQ-1引氣劑調(diào)整混凝土的孔結(jié)構(gòu)特性。引氣劑使用前需加水稀釋,稀釋倍數(shù)為100。

1.2 混凝土配合比及試樣制備

使用強(qiáng)度等級(jí)分別為C20、C30和C40的二級(jí)配泵送混凝土進(jìn)行試驗(yàn),控制粉煤灰摻量均為20%,砂率為42%,減水劑摻量為0.8%,引氣劑摻量為0.006%;調(diào)整混凝土坍落度為160～180 mm,含氣量為3%～5%。3種混凝土原材料用量如表3所示,其中C20、C30、C40混凝土的水膠比分別為0.48、0.39、0.34。實(shí)測(cè)C20、C30、C40混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別為26.5、39.3、51.2 MPa。

表3 混凝土原材料的用量

混凝土攪拌時(shí)先將粉料和骨料干拌2 min,然后倒入水和外加劑繼續(xù)濕拌2 min,結(jié)束后將拌合物倒入邊長(zhǎng)為150 mm的立方體試模;保濕靜置24 h后拆模并標(biāo)養(yǎng)至28 d齡期;然后取部分試件進(jìn)行鉆芯或WCCW材料浸泡試驗(yàn),其余試件作為對(duì)比試件繼續(xù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

為研究WCCW材料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響,將立方體試件直接在WCCW材料中浸泡24 h,結(jié)束后取出并再次標(biāo)養(yǎng)7、14、28 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),相應(yīng)對(duì)比組的實(shí)際養(yǎng)護(hù)齡期為35、40、56 d。

為研究WCCW材料對(duì)混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響,先對(duì)立方體試件進(jìn)行鉆芯,然后將芯樣加工成Φ100 mm×50 mm的圓柱體,最后將圓柱體試件在WCCW材料中浸泡24 h,結(jié)束后取出并再次標(biāo)養(yǎng)28 d后進(jìn)行抗氯離子侵蝕性能試驗(yàn),相應(yīng)對(duì)比組在56 d時(shí)進(jìn)行鉆芯和試驗(yàn)。

采用平板開(kāi)裂試驗(yàn)研究WCCW材料對(duì)混凝土早期抗裂性能的影響。人工用藥壺分兩次噴灑WCCW材料,兩次的噴灑間隔為30 min,質(zhì)量比例為60%∶40%左右。WCCW材料用量如表4所示。

表4 平板開(kāi)裂試驗(yàn)中WCCW材料用量

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土平板開(kāi)裂試驗(yàn)的試模尺寸為600 mm(長(zhǎng))×600 mm(寬)×63 mm(高),周邊布有L形鋼筋網(wǎng)提供約束,內(nèi)部底面鋪雙層聚乙烯薄膜作為隔離層。試驗(yàn)采用濕篩法剔除拌合物中粒徑>20 mm的骨料,并控制環(huán)境溫度為(20±2) ℃,相對(duì)濕度為60%±5%。試驗(yàn)步驟和參數(shù)計(jì)算方法見(jiàn)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》(CCES 01—2004)。

采用氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)研究混凝土的抗氯離子侵蝕性能。試驗(yàn)控制直流電源的輸出電壓為30 V,環(huán)境溫度為(20±2) ℃,KOH溶液濃度為0.2 mol/L,NaCl溶液濃度為5%。試驗(yàn)步驟和參數(shù)計(jì)算方法見(jiàn)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352—2020)。

使用日本電子公司生產(chǎn)的JEOL JSM-6610LA型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察膠凝材料水化產(chǎn)物的微觀形貌,并借助能譜分析技術(shù)(EDS)對(duì)樣品的元素分布情況進(jìn)行研究。樣品采用無(wú)水乙醇終止水化,并在真空干燥箱中持續(xù)干燥7 d,控制干燥溫度為40 ℃。試驗(yàn)前對(duì)樣品采用噴金處理,并設(shè)定加速電壓為15 kV。

借助美國(guó)熱電公司Nicolet 5700型傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)膠凝材料水化產(chǎn)物的聚合情況進(jìn)行分析,測(cè)試范圍為波數(shù)為4 000～400 cm-1的中紅外區(qū)域,反射附件為Ge晶體-ATR和金剛石-ATR。

2 結(jié)果與討論

2.1 早期抗裂性能

平板開(kāi)裂試驗(yàn)的試件照片如圖2所示。試驗(yàn)采用強(qiáng)度等級(jí)為C20的混凝土進(jìn)行。從圖2可以看出,WCCW材料能減輕混凝土“泛堿”現(xiàn)象,改善混凝土的表觀質(zhì)量,這主要與WCCW材料具有養(yǎng)護(hù)和保水的作用有關(guān)。

圖2 平板開(kāi)裂試驗(yàn)的試件

平板開(kāi)裂試驗(yàn)中裂縫的相關(guān)參數(shù)如表5所示。試驗(yàn)從混凝土水化2 h開(kāi)始觀測(cè),一直持續(xù)到48 h,期間人工通過(guò)肉眼觀察裂縫數(shù)量,并借助直尺和裂縫觀測(cè)儀測(cè)定裂縫的長(zhǎng)度和寬度。

表5 平板開(kāi)裂試驗(yàn)中裂縫的相關(guān)參數(shù)

從表5可知,WCCW材料能有效減少裂縫的數(shù)量、平均長(zhǎng)度和平均寬度,導(dǎo)致相關(guān)的裂縫參數(shù)降低,如對(duì)比組的平均裂縫面積為25.1 mm2/根,總開(kāi)裂面積為417.8 mm2/m2;而試驗(yàn)組2的平均開(kāi)裂面積為6.7 mm2/根,總開(kāi)裂面積為37.3 mm2/m2,試驗(yàn)組較對(duì)比組的裂縫降低率為91.1%,說(shuō)明WCCW材料能夠有效提高混凝土的早期抗裂性能,減少早期裂縫的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

混凝土水化早期開(kāi)裂主要與塑性收縮有關(guān),水分蒸發(fā)、顆粒沉降和膠凝材料水化等都是誘發(fā)塑性收縮的重要因素。WCCW材料能夠侵入到混凝土內(nèi)部,封閉表層小尺寸毛細(xì)孔,降低水分蒸發(fā)速率并減少水分蒸發(fā)量,同時(shí)也有一定的裂縫修復(fù)能力,從而提高混凝土的早期抗裂性能。

2.2 抗壓強(qiáng)度

WCCW材料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖3所示,各試驗(yàn)組在WCCW材料中浸泡后的再養(yǎng)護(hù)時(shí)間均為28 d。從圖3可知,各試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度均高于對(duì)比組,并且低強(qiáng)度等級(jí)試驗(yàn)組的相差幅度超過(guò)高強(qiáng)度等級(jí)試驗(yàn)組,如C20等級(jí)混凝土試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度為39.1 MPa,對(duì)比組為31.0 MPa,相差幅度為8.1 MPa;而C40等級(jí)混凝土試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度為56.3 MPa,對(duì)比組為54.3 MPa,相差幅度為2.0 MPa。這說(shuō)明WCCW材料對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有提升作用,但作用效果與混凝土的強(qiáng)度等級(jí)有關(guān)。姜騫等[6]也得出了相一致的結(jié)論。

圖3 WCCW材料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖4是WCCW材料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展特性的影響,對(duì)比組的強(qiáng)度等級(jí)為C20。

圖4 WCCW材料對(duì)抗壓強(qiáng)度發(fā)展特性的影響

從圖4可知,試驗(yàn)組和對(duì)比組的抗壓強(qiáng)度均隨再養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增長(zhǎng),兩者間仍呈較好的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。同時(shí),試驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度在養(yǎng)護(hù)早期增加速度較快,增長(zhǎng)幅度較大,而后期逐漸趨于穩(wěn)定,導(dǎo)致試驗(yàn)組和對(duì)比組的抗壓強(qiáng)度差在養(yǎng)護(hù)后期波動(dòng)較小。如再養(yǎng)護(hù)3 d時(shí),試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度為31.6 MPa,對(duì)比組為28.3 MPa;14 d齡期時(shí),試驗(yàn)組為38.5 MPa,對(duì)比組為30.6 MPa。這說(shuō)明WCCW材料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提升幅度與再養(yǎng)護(hù)齡期有關(guān)。

WCCW材料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律與前期采用吸水動(dòng)力學(xué)方法的研究結(jié)論相一致,材料主要由堿金屬硅酸鹽溶液、催化劑和助劑等材料組成[9],可隨外部水分的滲透而侵入到混凝土內(nèi)部,并通過(guò)化學(xué)反應(yīng)、絡(luò)合沉淀等方式增加混凝土的固相體積,從而提高整體的抗壓強(qiáng)度。但滲透作用、化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程的進(jìn)行程度與時(shí)間有關(guān)。因此,WCCW材料作用效果又存在時(shí)間依賴性。

2.3 抗氯離子侵蝕性能

WCCW材料對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響如圖5所示,各試驗(yàn)組在WCCW材料中浸泡后的再養(yǎng)護(hù)時(shí)間均為28 d。從圖5可知,隨混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)的提高,對(duì)比組的氯離子擴(kuò)散系數(shù)不斷降低。同時(shí),各試驗(yàn)組的氯離子擴(kuò)散系數(shù)均小于對(duì)比組,并且強(qiáng)度等級(jí)越低,兩者的差異越明顯,如C20強(qiáng)度等級(jí)試驗(yàn)組的氯離子擴(kuò)散系數(shù)較對(duì)比組降低了67.0%,C30強(qiáng)度等級(jí)降低了53.3%,C40強(qiáng)度等級(jí)降低了30.4%,說(shuō)明WCCW材料對(duì)低強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗氯離子侵蝕性能的提升效果優(yōu)于高強(qiáng)度等級(jí)混凝土。

圖5 WCCW材料對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

氯離子擴(kuò)散和傳輸與混凝土孔結(jié)構(gòu)特性、微細(xì)裂縫密切相關(guān),而膠凝材料水化產(chǎn)物對(duì)氯離子也存在吸附作用[10]。WCCW材料能夠填塞小尺寸毛細(xì)孔、細(xì)化孔結(jié)構(gòu)、修復(fù)微細(xì)裂紋,并增加混凝土中固相的含量,從而提高氯離子的擴(kuò)散能壘,改善混凝土的抗氯離子侵蝕性能。但WCCW材料的作用效果與基體吸收量、滲透深度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、混凝土強(qiáng)度等因素有關(guān)。

本文前期圍繞混凝土對(duì)WCCW材料吸收特性的研究表明,高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的吸收量小于低強(qiáng)度等級(jí)混凝土,這與高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的密實(shí)程度較高、內(nèi)部缺陷較少有關(guān),導(dǎo)致WCCW材料在高強(qiáng)度等級(jí)混凝土中的滲透阻力也大于低強(qiáng)度等級(jí)混凝土。因此,WCCW材料對(duì)低強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度、抗氯離子侵蝕性能的提升效果優(yōu)于高強(qiáng)度等級(jí)混凝土。

2.4 微觀形貌與滲透深度

WCCW材料對(duì)硬化水泥石微觀形貌的影響如圖6所示,試驗(yàn)采用水灰比為0.4的純水泥凈漿試件進(jìn)行,按照與混凝土相同的養(yǎng)護(hù)條件和齡期、WCCW材料浸泡制度進(jìn)行試驗(yàn)。從圖6可知,對(duì)比組內(nèi)部存在微裂縫和孔洞,水化產(chǎn)物堆聚的致密程度較低;而試驗(yàn)組密實(shí)程度較高,內(nèi)部整體性較高,說(shuō)明WCCW材料對(duì)硬化水泥石的微觀結(jié)構(gòu)有較好的改善作用。

圖6 WCCW材料硬化水泥石微觀形貌的影響

圖7是Si元素含量分布隨深度的變化情況。純水泥中Si元素的含量為10.64%,而WCCW材料含有大量的堿金屬硅酸鹽,其滲透將導(dǎo)致樣品中Si元素含量發(fā)生變化,利用Si元素含量的變化情況可近似表征WCCW材料的滲透深度。從圖7可知,Si元素含量分布服從Fick定律,即距離表面越近,樣品中Si元素的含量越高,而隨著與表面距離的增加,樣品中Si元素的含量持續(xù)降低,最后穩(wěn)定在10.5%左右,說(shuō)明此區(qū)域暫未有WCCW材料滲入。試驗(yàn)測(cè)定的WCCW材料滲透深度在10～12 mm范圍內(nèi),高于姜騫等[6]的試驗(yàn)結(jié)果。

圖7 Si元素含量分布隨深度的變化情況

圖8是硬化水泥石在WCCW材料中浸泡并再養(yǎng)護(hù)28 d后,距表面不同深度處水化產(chǎn)物的FTIR圖譜。各信號(hào)峰的歸屬情況如表6所示,其中信號(hào)峰h與CSH凝膠的聚合程度有關(guān),試驗(yàn)測(cè)定的波數(shù)為958～977 cm-1。同時(shí),隨距表面深度的增加,信號(hào)峰h的波數(shù)減小,表明相應(yīng)CSH凝膠的聚合程度降低,說(shuō)明WCCW材料有利于提高CSH凝膠的聚合程度。這主要與WCCW材料含有堿金屬離子和硅酸鹽有關(guān)。堿金屬離子能夠促進(jìn)CSH凝膠的聚合,而硅酸鹽導(dǎo)致體系的Ca/Si降低,CSH凝膠的平均鏈長(zhǎng)增加。

圖8 距表面不同深度處硬化水泥石的FTIR圖譜

表6 FTIR圖譜上信號(hào)峰的歸屬情況

滲透深度影響WCCW材料的作用范圍,而濃度和含量影響WCCW材料的修復(fù)能力。WCCW材料對(duì)硬化水泥石的修復(fù)作用可能與結(jié)晶沉淀作用、絡(luò)合沉淀作用有關(guān)。前者認(rèn)為WCCW材料通過(guò)自身水化反應(yīng)以及WCCW材料與膠凝材料水化產(chǎn)物反應(yīng)來(lái)發(fā)揮作用,典型的反應(yīng)過(guò)程如式(1)—式(3)所示[11]。后者認(rèn)為WCCW材料主要通過(guò)激活未水化水泥顆粒進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)來(lái)發(fā)揮作用[12],其中Ca2+絡(luò)合物的形成和解體極為關(guān)鍵。

Na2CO3+Ca(OH)2→CaCO3+2NaOH;

(1)

Na2SiO3+Ca(OH)2→CSH+NaOH ;

(2)

NaAlO2+2H2O→Al(OH)3+NaOH 。

(3)

3 結(jié) 論

WCCW材料較CCCW材料在施工效率、作業(yè)面條件、人員技術(shù)要求等方面具有優(yōu)勢(shì)。本文研究了WCCW材料對(duì)混凝土宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響,得出以下結(jié)論:

(1)WCCW材料能夠提高混凝土的早期抗裂性能,并具有養(yǎng)護(hù)減蒸的作用,可改善表觀質(zhì)量、降低裂縫尺寸,噴灑后的裂縫降低率可達(dá)91.1%。

(2)WCCW材料可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗氯離子侵蝕性能,提高幅度與混凝土強(qiáng)度等級(jí)和再養(yǎng)護(hù)齡期有關(guān),再養(yǎng)護(hù)14 d后的幅度變化較小。

(3)WCCW材料能夠提高硬化水泥石的致密程度,滲透特點(diǎn)遵循Fick定律,最大滲透深度可以達(dá)10～12 mm。

混凝土耐久性破壞是損傷不斷累積的結(jié)果,而長(zhǎng)期服役老混凝土的耐久性問(wèn)題更為突出,特別是溶蝕和碳化等現(xiàn)象會(huì)影響膠凝材料水化產(chǎn)物的穩(wěn)定。WCCW材料對(duì)老混凝土的作用效果需要進(jìn)一步研究。