早齡損傷水工混凝土自然自愈合效果試驗研究

李澤鵬，黃耀英，余正源，張 耀

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

在水工混凝土結(jié)構(gòu)施工的過程中，受現(xiàn)場施工條件、施工工藝、施工管理等因素的綜合影響下，水工混凝土常在早齡就出現(xiàn)損傷開裂[1-2]。在復(fù)雜的外部環(huán)境中，裂縫會進一步發(fā)展，嚴重威脅著混凝土結(jié)構(gòu)的安全[3-4]。如果及時加強對早齡損傷開裂水工混凝土的養(yǎng)護，其后的自愈合效果對水工混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命的評價具有重要影響。

混凝土裂縫的修復(fù)方式通常可以分為人工修復(fù)和自愈合修復(fù)[5]，自愈合修復(fù)按其愈合機理又可分為內(nèi)在愈合和外在愈合，其中內(nèi)在愈合是指混凝土內(nèi)部未水化膠凝材料的持續(xù)水化、Ca(OH)2的溶解和碳化以及硅酸鹽晶體的浸出和沉積來修補裂縫的過程，也稱為自然自愈合修復(fù)，因此損傷混凝土自然自愈合效果主要取決于原材料的組成成分、內(nèi)部含水率、損傷齡以及裂縫寬度等[6-8]。國內(nèi)外學(xué)者基于室內(nèi)試驗針對混凝土的自然自愈合效果開展了相關(guān)的研究工作，如Yuan等[9]通過超聲波測試和光學(xué)顯微觀察，研究了不同水泥粒徑分布、碳化和持續(xù)水化對水泥混凝土的自愈合性能的影響，研究結(jié)果表明，當含有更多粒徑為30～60 μm的硅酸鹽水泥時混凝土在28天時可以達到較好的自愈合能力，且混凝土的自愈合主要受早持續(xù)水化的控制，而碳化在自愈后起著重要作用；Reinhardt等[10]研究表明，裂縫的愈合速率隨著養(yǎng)護溫度的升高而加快；劉小燕等[11]基于抗壓強度試驗研究了水泥粒徑和粉煤灰摻量對混凝土損傷自愈合性能的影響，指出未水化的水泥顆粒以及適量摻入粉煤灰對混凝土自愈合有較好的提升效果；Muhammad等[12]研究認為裂縫最大可愈合寬度為0.97 mm。

上述研究主要以富膠凝材料混凝土為研究對象，分別從愈合機理、溫—濕度養(yǎng)護條件、表征方法和測試技術(shù)等方面對混凝土自愈合現(xiàn)象進行研究，但以抗壓強度來表征3 d齡前損傷混凝土的自愈合效果報導(dǎo)的文獻較少；此外，水工混凝土為貧膠凝材料，工程中常采用粉煤灰代替水泥用量，水泥用量通常為100～300 kg/m3，且粉煤灰摻量可占到水泥置換量的35，而迄今關(guān)于不同粉煤灰摻量對水工混凝土自愈合效果的影響鮮有報導(dǎo)。為此，本文設(shè)計并開展了基于不同預(yù)損傷齡和粉煤灰摻量下的預(yù)損傷抗壓強度試驗，并以損傷試件養(yǎng)護28 d齡后的不同受壓面(A、B面)抗壓強度增長率R1和恢復(fù)率R2為評價指標，同時結(jié)合損傷混凝土試件的微觀孔結(jié)構(gòu)測試結(jié)果，共同探究早齡損傷混凝土的自然自愈合效果。

2 水工混凝土自愈合試驗方案設(shè)計

2.1 試驗原材料及配合比試驗使用P.O.42.5華新牌I型硅酸鹽水泥；粗骨料使用粒徑為5～40 mm的花崗巖破碎料；細骨料使用長江河口河砂，細度模數(shù)為2.03，含水率為3.27；粉煤灰選用宜昌地區(qū)生產(chǎn)的F類II級粉煤灰；減水劑采用青島虹廈公司生產(chǎn)的HSC聚羧酸高性能減水劑；試驗用水為實驗室自來水。水泥和粉煤灰委托葛洲壩集團試驗檢測有限公司進行檢測，化學(xué)成分和物理性能見表1。

試驗所用配合比參考西南地區(qū)某典型高壩工程濕篩二級配混凝土配合比，基于試驗室原材料設(shè)計了水膠比為0.50、粉煤灰摻量分別為0、15、35共計3組不同摻量水平的配合比，混凝土強度等級為C30，試驗組分別編號為FA-0、FA-15、FA-35。配合比具體參數(shù)見表2。

表2 水工混凝土自愈合試驗配合比

2.2 自愈合混凝土試件的制備試驗依據(jù)第2.1節(jié)配合比，在3種粉煤灰摻量(0、15、35)下，參照《水工混凝土試驗規(guī)程》[13](SL 352-2020)成型基于各設(shè)計預(yù)損傷齡(1 d、2 d、3 d)和空白對照組立方體混凝土試件，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。每種粉煤灰摻量下基于設(shè)計預(yù)損傷齡每組分別成型8個試件，空白對照組每組分別成型3個試件，試件成型24 h后脫模。

待各設(shè)計預(yù)損傷齡下的混凝土試件分別養(yǎng)護至設(shè)計預(yù)損傷齡1 d、2 d、3 d時進行抗壓強度預(yù)損傷試驗。為對比損傷混凝土試件內(nèi)部裂縫垂直于和平行于試件受力方向的自愈合情況，將預(yù)損傷試件分為A、B兩組，其中試件預(yù)損傷時的受壓面記為A面、垂直于預(yù)損傷受壓面的表面記為B面，放置于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d齡后，挑選出6個試件用于測試不同受壓面下的損傷試件自愈合后的二次抗壓強度，其余2個試件則用于測定損傷試件養(yǎng)護至28 d齡后的微觀孔結(jié)構(gòu)參數(shù)；空白對照組試件直接養(yǎng)護至28 d齡，用于測定標準抗壓強度。具體的試件成型數(shù)量見表3，A、B面示意圖如圖1所示。

圖1 第二次抗壓強度測試A、B受壓面示意圖Fig.1 Schematic diagram of the compressed surface of A and B for the second compressive strength test

2.3 損傷試件自愈合效果評價

2.3.1 強度性能 對比各粉煤灰摻量及設(shè)計預(yù)損傷齡下的損傷試件自愈合前后的強度特征來衡量自愈合效果。當試件分別養(yǎng)護至設(shè)計預(yù)損傷齡1 d、2 d、3 d時進行抗壓強度預(yù)損傷試驗。為保證試件的完整性，在試驗過程中，當壓力-位移曲線出現(xiàn)峰值拐點后立即停止加載，并將預(yù)損傷抗壓強度記為F1。此時，試件承受的破壞荷載為極限荷載，內(nèi)部裂縫處于完全貫通狀態(tài)；損傷后的試件與對照組繼續(xù)同時放置于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d齡后，測試自愈合抗壓強度F2及標準抗壓強度F0。根據(jù)試驗結(jié)果并結(jié)合式(1)和式(2)對損傷試件自愈合后的抗壓強度增長率R1和恢復(fù)率R2進行計算：

(1)

(2)

式中：F1為試件在不同預(yù)損傷齡下的抗壓強度平均值，MPa；F2為預(yù)損傷試件在養(yǎng)護至28 d齡時的二次抗壓強度平均值，MPa；F0為對照組試件在養(yǎng)護至28 d齡時的抗壓強度平均值，MPa。

2.3.2 微觀性能 將養(yǎng)護至28 d齡后的A、B兩組損傷混凝土試件進行破碎，然后采用鐵鑿分別鑿取距受壓面中心2～3 cm處大小約為1 cm左右片狀砂漿試樣和0.5 cm顆粒砂漿試樣；將試樣分別放置于丙酮溶液浸泡48 h后再放入50℃的烘箱進行干燥處理[14]，使試樣終止水化反應(yīng)；最后采用一次性塑料袋將待檢測試樣封裝并標號后分別采用壓汞法和氮氣吸附法對試樣進行微觀孔結(jié)構(gòu)測試，根據(jù)檢測樣品的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)和孔徑分布作為自愈合效果的微觀評價指標探究損傷混凝土的自愈合效果。壓汞試驗委托江蘇尊榮環(huán)保材料有限公司進行，試驗采用美國康塔公司生產(chǎn)PoreMaster GT/60型全自動壓汞儀；氮氣吸附法委托三峽大學(xué)分析測試中心進行檢測，試驗采用Quantachrome公司生產(chǎn)的Novatouch比表面及孔徑分析儀。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 水工混凝土自愈合的規(guī)律

3.1.1 預(yù)損傷齡對水工混凝土自愈合過程的影響 各設(shè)計預(yù)損傷齡及粉煤灰摻量下的水工混凝土預(yù)損傷抗壓強度F1、養(yǎng)護28 d齡后的二次抗壓強度F2以及空白對照組抗壓強度F0測試結(jié)果見表4，損傷試件自愈合后的強度增長率R1和恢復(fù)率R2隨預(yù)損傷齡的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 不同預(yù)損傷齡下各試驗組強度增長率R1和強度恢復(fù)率R2Fig.2 Strength growth rate R1 and strength recovery rate R2 of each test groups under different pre-damaged ages

表4 水工混凝土抗壓強度

由圖2和表4可知：(1)各粉煤灰摻量下的水工混凝土試件預(yù)損傷抗壓強度F1均隨設(shè)計齡的增加而增大，表現(xiàn)為F1，3 d>F1，2 d>F1，1 d；損傷試件在標準養(yǎng)護至28 d齡后的二次抗壓強度F2也隨設(shè)計齡的增加而增大，且始終表現(xiàn)為F2，A>F2，B。其中，設(shè)計預(yù)損傷齡2 d和3 d下的A、B兩組損傷試件二次抗壓強度F2均較為接近，值在0.20 MPa～3.27 MPa范圍內(nèi)，設(shè)計預(yù)損傷齡1 d下的損傷試件二次抗壓強度F2較小，較預(yù)損傷齡2 d下的損傷試件二次抗壓強度F2低3.10 MPa～8.27 MPa，較預(yù)損傷齡3 d下的損傷試件二次抗壓強度F2低3.60 MPa～10.10 MPa。

(2)各粉煤灰摻量下的損傷混凝土試件的抗壓強度增長率R1均隨著預(yù)損傷齡的增加而減小，具體表現(xiàn)為R1，1 d>R1，2 d>R1，3 d；損傷混凝土試件的抗壓強度增長率R1隨著粉煤灰摻量的不同而變化，0、15和35粉煤灰摻量下A組的R1分別為43.37～143.47、48.44～172.76和96.66～350.13，B組的R1分別為27.44～78.06、18.92～63.05和31.65～198.02；抗壓強度恢復(fù)率R2均隨著預(yù)損傷齡的增加而增大，其中，在3 d預(yù)損傷齡下A組損傷試件的R2均大于95，B組損傷試件的R2在60.72～86.84范圍內(nèi)。上述結(jié)果表明在及時加強養(yǎng)護的情況下，損傷混凝土試件能夠得到較好的恢復(fù)，且裂縫平行于二次受壓方向的損傷試件的自愈合情況較好。

由于早齡混凝土的水泥水化反應(yīng)時間較短，水化產(chǎn)物較少，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較，導(dǎo)致早齡混凝土試件預(yù)損傷強度值表現(xiàn)為F1，1 d2 d>3 d；當損傷后的混凝土試件在標準養(yǎng)護環(huán)境下繼續(xù)加強養(yǎng)護，其內(nèi)部裂縫內(nèi)的未水化膠凝材料繼續(xù)水化，水化產(chǎn)物的膨脹、CaCO3和硅酸鹽晶體的析出和沉積等共同作用使得裂縫開始愈合，強度得以繼續(xù)增長[8，15]，最終使各預(yù)損傷齡下的損傷混凝土試件在養(yǎng)護至28 d齡時的二次抗壓強度F2較為接近，因此，損傷混凝土試件的強度增長率R1綜合表現(xiàn)為R1，1 d>R1，2 d>R1，3 d。對于預(yù)損傷齡為1 d的損傷混凝土試件而言，由于水化產(chǎn)物和沉淀含量有限，且預(yù)損傷齡1 d的混凝土裂縫間隙較預(yù)損傷齡2 d和3 d的更大，自愈合效果相對更。因此，損傷混凝土強度恢復(fù)率R2綜合表現(xiàn)為R2，3 d>R2，2 d>R2，1 d。

3.1.2 粉煤灰摻量對水工混凝土自愈合過程的影響 各設(shè)計預(yù)損傷齡及粉煤灰摻量下的水工混凝土預(yù)損傷抗壓強度F1、養(yǎng)護28 d齡后的二次抗壓強度F2以及空白對照組抗壓強度F0測試結(jié)果見表4，損傷試件自愈合后的強度增長率R1和恢復(fù)率R2隨粉煤灰摻量的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 不同粉煤灰摻量下各試驗組強度增長率R1和強度恢復(fù)率R2Fig.3 Strength growth rate R1 and strength recovery rate R2 of each test group under different fly ash content

由圖3和表4可知：(1)各設(shè)計預(yù)損傷齡下的水工混凝土試件預(yù)損傷抗壓強度F1均隨粉煤灰摻量的增加而減小，表現(xiàn)為F1，F(xiàn)A-0>F1，F(xiàn)A-15>F1，F(xiàn)A-35，其中，B組35粉煤灰摻量和0粉煤灰摻量混凝土在預(yù)損傷齡2 d下的F1值最大，為9.06 MPa；損傷水工混凝土試件在標準養(yǎng)護至28 d齡后的二次抗壓強度F2也隨粉煤灰摻量的增加而減小，最大值為9.00 MPa。(2)在同一預(yù)損傷齡下，A組損傷混凝土試件的抗壓強度增長率R1隨著粉煤灰摻量的增大而增大，其中，各粉煤灰摻量下的A組損傷試件在設(shè)計齡1 d、2 d和3 d下的強度增長率R1分別為143.47～350.13、68.85～116.77和43.37～96.66，強度恢復(fù)率R2則隨著粉煤灰摻量的增大而呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢；B組抗壓強度增長率R1除2 d齡下的試驗規(guī)律與A組相同，其余兩組損傷混凝土試件均隨著粉煤灰摻量的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，具體表現(xiàn)為R1，F(xiàn)A-35>R1，F(xiàn)A-0>R1，F(xiàn)A-15，而強度恢復(fù)率R2則主要表現(xiàn)為隨著粉煤灰摻量的增大而逐漸減小的趨勢。

由于粉煤灰活性較低，等量代替水泥后也導(dǎo)致水泥熟料含量相對減少，這將降低早齡混凝土的水化反應(yīng)速率同時也會減少水化反應(yīng)產(chǎn)物，使早齡粉煤灰混凝土預(yù)損傷強度值較低，表現(xiàn)為F1，F(xiàn)A-35

3.2 微觀試驗結(jié)果與分析參照2.3節(jié)的試驗方案，當預(yù)損傷齡3 d下的A、B組損傷試件在標準養(yǎng)護至28 d齡后分別取樣并終止水化反應(yīng)，采用壓汞法和氮氣吸附法進行微觀孔結(jié)構(gòu)測試。其中，水泥混凝土試樣采用壓汞法檢測其孔結(jié)構(gòu)參數(shù)及孔徑分布情況，15粉煤灰摻量混凝土和35粉煤灰摻量混凝土試樣則采用氮氣吸附法檢測孔結(jié)構(gòu)參數(shù)及孔徑分布情況，孔徑分布曲線如圖4所示。

圖4 孔徑分布曲線Fig.4 Pore size distribution curves

參照吳中偉對孔徑的分類，進一步將孔徑分布檢測結(jié)果，以20 nm、50 nm、200 nm為分界點，根據(jù)不同孔徑對混凝土性能的影響程度分為無害孔(<20 nm)、少害孔([20，50)nm)、有害孔([50，200)nm)和多害孔(≥200 nm)[18]?？捉Y(jié)構(gòu)參數(shù)及孔體積占比見表5。

表5 孔結(jié)構(gòu)參數(shù)及孔體積占比

由表5和圖4可知：(1)各檢測樣品在孔徑區(qū)間內(nèi)主要呈多峰分布，在相同粉煤灰摻量下，平均孔徑、最可及孔徑和分形維數(shù)主要表現(xiàn)為A組檢測樣品B組檢測樣品，但最大值僅為0.0089 cm3/g(水泥混凝土)，這表明B組檢測樣品的孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且從微觀的角度進一步表現(xiàn)出裂縫平行于二次受壓方向的損傷混凝土試件的自愈合情況較好。(2)對于同一試驗組而言，總孔體積、最可及孔徑和分形維數(shù)均隨著粉煤灰摻量的增加而減小，并且損傷混凝土的主要孔隙類型隨著粉煤灰的摻入，由≥200 nm的多害孔過渡為<20 nm的無害孔和[20，50)nm的少害孔，其中，15粉煤灰混凝土無害孔占比最高，較水泥混凝土分別高39.85和49.19，較35粉煤灰混凝土則分別高10.97和14.33，這表明適量摻入粉煤灰可降低孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的同時，也對損傷混凝土的自愈合效果有良好的促進作用。

4 結(jié)論

(1)各粉煤灰摻量下的損傷混凝土試件的抗壓強度增長率R1均隨著預(yù)損傷齡的增加而減小，強度恢復(fù)率R2均隨著預(yù)損傷齡的增加而增大，其中在3 d預(yù)損傷齡下A組損傷混凝土試件的R2均大于95，B組損傷混凝土試件的R2在60.72～86.84范圍內(nèi)。這表明后加強養(yǎng)護，早齡損傷混凝土試件的強度能夠較好的恢復(fù)。

(2)各損傷混凝土試驗組的28 d二次抗壓強度值均隨著預(yù)損傷齡的增加而增大，且在相同預(yù)損傷齡下，各損傷混凝土的二次抗壓強度均表現(xiàn)為F2，A>F2，B，平均孔徑、最可及孔徑和分形維數(shù)主要表現(xiàn)為A組檢測樣品B組檢測樣品，但最大值僅為0.0089 cm3/g，這表明B組檢測樣品的孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且損傷混凝土試件內(nèi)部裂縫平行于二次受壓方向的損傷混凝土試件的自愈合情況較好。

(3)摻入粉煤灰能夠使損傷試件抗壓強度增長率R1和恢復(fù)率R2得到提升，降低孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，并且使主要孔隙類型由≥200 nm的多害孔過渡為<20 nm的無害孔和[20，50)nm的少害孔。當粉煤灰摻量為15時，在預(yù)損傷齡3 d下?lián)p傷混凝土試件自愈合后的無害孔占比最高，其內(nèi)部損傷后的自愈合效果更好。