滲透結(jié)晶材料修復(fù)水工混凝土裂縫的作用機(jī)理研究

齊士強(qiáng)

(盤錦市水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 盤錦 124000)

混凝土內(nèi)部含有大量裂縫和孔隙,這些微觀的缺陷既會(huì)影響早期強(qiáng)度發(fā)展,還會(huì)成為后其的滲水通道,導(dǎo)致剝落劣化。混凝土內(nèi)部孔隙分布、大小、數(shù)量、連通性、微損傷等特性在一定程度上影響著混凝土力學(xué)和抗離子侵蝕性能,不利荷載下裂縫貫通擴(kuò)散還會(huì)降低混凝土耐久性。另外,由于粗、細(xì)集料的天然缺陷是形成裂縫和孔隙的內(nèi)在因素,所以一般很難克服[1]。

滲透結(jié)晶是一種防水性能優(yōu)異的新型材料,由于能夠改善水泥基體的滲透性越來(lái)越引起廣大學(xué)者的關(guān)注[2-4]。唐孟雄等認(rèn)為將滲透結(jié)晶涂在混凝土表面具有很好的防水效果,通過(guò)改善滲透性能可增強(qiáng)基體的抗侵蝕能力和耐久性,在實(shí)際工程中的應(yīng)用前景非常廣闊;陳曉雨等對(duì)比分析了滲透結(jié)晶、礦物摻合料復(fù)摻和單摻條件下的混凝土抗侵蝕性能變化規(guī)律,結(jié)果顯示復(fù)摻條件下的耐久性更優(yōu);王可良等通過(guò)抗?jié)B壓力與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),探究了滲透結(jié)晶對(duì)裂縫自修復(fù)能力的影響,結(jié)果表明滲透結(jié)晶的水化產(chǎn)物能夠填充基體內(nèi)部宏觀孔隙及毛細(xì)孔,通過(guò)裂縫修復(fù)增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度和整體抗?jié)B性;Ferrara等試驗(yàn)分析了滲透結(jié)晶、外加劑對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土自愈能力和力學(xué)性能的影響,結(jié)果顯示摻結(jié)晶混凝土的裂縫愈合及強(qiáng)度發(fā)展速度較快,有利于提高結(jié)構(gòu)實(shí)體質(zhì)量[5-8]。通過(guò)載體滲透結(jié)晶中的活性物質(zhì)逐漸遷移至基體內(nèi)部形成結(jié)晶,堵塞內(nèi)部宏觀空隙,改善其防水性和致密性,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于大壩、隨帶、地鐵等工程領(lǐng)域,其社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益顯著[9]。雖然實(shí)際工程中的應(yīng)用較多,但對(duì)滲透結(jié)晶能夠修復(fù)的裂縫寬度尚不統(tǒng)一。據(jù)此,文章利用SEM掃描電鏡探討了滲透結(jié)晶的裂縫修復(fù)機(jī)理,通過(guò)降低內(nèi)部微結(jié)構(gòu)受不利因素作用,有效改善混凝土內(nèi)部缺陷和耐久性能,為裂縫修復(fù)技術(shù)研究提供一定參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 制備滲透結(jié)晶材料

1)制備原理。混凝土中通常含有約25%的活性物質(zhì),這些物質(zhì)在特定情況下能夠繼續(xù)反應(yīng)形成結(jié)晶。如果對(duì)這些物質(zhì)采取一定的反應(yīng)機(jī)制生成能夠填充裂縫與孔隙的晶體則可以實(shí)現(xiàn)自修復(fù)。因此,考慮制備一種水溶性化合物,在混凝土內(nèi)部裂縫與孔隙中該化合物可以隨水遷移滲透,遇到活性物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化成硅酸鈣結(jié)晶體,對(duì)裂縫和孔隙起到堵塞作用,從而達(dá)到自修復(fù)效果。在反應(yīng)轉(zhuǎn)換后,該活性化合物能夠恢復(fù)至原態(tài)參與下一次反應(yīng)。

2)制備過(guò)程。將25%的檸檬酸鈉與20%的膽堿加水溶解配置成溶液,然后把35%的可溶性有機(jī)小分子物質(zhì)和三異丙醇胺緩慢滴加到溶液中,均勻混合后靜置密封備用。

1.2 材料與配合比

水泥:盤錦金潤(rùn)水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O42.5硅酸鹽水泥,初、終凝時(shí)間150min和280min,比表面積390m2/kg,其化學(xué)成分為65.28%的CaO、22.31%的SiO2、3.45%的SiO2、5.32%的Al2O3、1.12%的MgO,其礦物組成為52.17%的C3S、24.55%的C2S、10.32%的C4AF、8.50的C3A;粗、細(xì)集料:大連建材廠提供的粒徑5～31.5mm碎石和Ⅱ區(qū)中砂,經(jīng)檢測(cè)碎石針片狀含量5%,有機(jī)質(zhì)含量和堅(jiān)固性符合規(guī)范要求,砂的孔隙率38%,吸水率0.5%,堆積密度1610kg/m3,細(xì)度模數(shù)2.7;滲透結(jié)晶:按上述具體思路和過(guò)程自制材料,細(xì)度0.06mm,受檢砂漿的28d收縮率比100%,拌和水用當(dāng)?shù)刈詠?lái)水。配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)配合比

1.3 制備抗?jié)B試件

在抗?jié)B試件成型過(guò)程中,從上到下沿圓臺(tái)中心預(yù)先貫穿安放厚度分別為1.0mm和0.5mm,寬40mm的鐵片,接近終凝前拔出鐵片人工制造一條裂縫,將摻滲透結(jié)晶的水泥漿沿裂縫緩慢灌入,靜置24d后拆模移入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù),其中水泥漿的配制比例為水∶水泥∶滲透結(jié)晶=4∶10∶0.25。

1.4 測(cè)試方法

參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的方法測(cè)定試件的抗?jié)B性能,具體流程如下:首先將砂、石骨料倒入強(qiáng)制攪拌機(jī)干拌60→加入滲透結(jié)晶、水泥干拌60s→加水濕拌180s→拌合均勻后裝模,移到振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)30s→養(yǎng)護(hù)室標(biāo)養(yǎng)24h拆模成型;然后取出標(biāo)養(yǎng)至規(guī)定齡期的試件,待表面風(fēng)干后用石蠟密封,每組6個(gè)試件;試驗(yàn)設(shè)定初始測(cè)試水壓為0.1MPa,逐級(jí)加壓0.1MPa,每次加壓后維持1h,若未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象則繼續(xù)增大壓力,直到有兩個(gè)試件出現(xiàn)滲水,該條件對(duì)應(yīng)的數(shù)值就是抗?jié)B壓力。所有試件均出現(xiàn)滲水現(xiàn)象后,在原環(huán)境中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)該組試件至相同天數(shù),按照以上流程測(cè)定二次抗?jié)B性能。通過(guò)以上測(cè)試,可以評(píng)定滲透結(jié)晶的修復(fù)效果以及在重新養(yǎng)護(hù)條件下被擊穿試件的抗?jié)B防水能力恢復(fù)程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗?jié)B性能試驗(yàn)

試驗(yàn)測(cè)定標(biāo)養(yǎng)28d時(shí)各組試件的抗?jié)B性能,測(cè)試結(jié)果如表2。

表2 不同裂縫混凝土的抗?jié)B壓力

由表2可知,將摻滲透結(jié)晶的水泥漿灌入人為制造≤1.0mm的裂縫中,無(wú)裂縫與0.5mm、1.0mm裂縫的第一次、第二抗?jié)B壓力保持一致;對(duì)于1.5mm和2.0mm的大裂縫,其第一次抗?jié)B壓力明顯減少分別為0.3MPa和0.2MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)<無(wú)裂縫情況。所以,寬度≤1.0mm時(shí)的修復(fù)效果較好。

研究認(rèn)為,滲透結(jié)晶可以均勻分散到混凝土的表面和內(nèi)部,養(yǎng)護(hù)過(guò)程中表面的結(jié)晶能夠形成沉淀,從而起到一定的防水效果;同時(shí),經(jīng)過(guò)內(nèi)部的微裂縫、毛細(xì)孔等,環(huán)境水不斷向內(nèi)部滲透,而未完全水化的水泥會(huì)與滲透結(jié)晶中的活性物質(zhì)反應(yīng)生成穩(wěn)定的結(jié)晶體,對(duì)內(nèi)部毛細(xì)孔道起到填充作用,從而抑制外界水體的滲透。因此,滲透結(jié)晶的摻入可以改善抗?jié)B性能,均勻分布在試件內(nèi)部和表面的沉淀晶體阻礙了環(huán)境水向內(nèi)部的滲透,這在一定程度上也會(huì)改善其抗凍性能。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

界面與水泥漿修補(bǔ)后的結(jié)合程度直接決定了帶裂縫混凝土的抗?jié)B性能,為更加客觀真實(shí)地反映混凝土裂縫修補(bǔ)后的抗?jié)B性能,有必要利用SEM掃描電鏡測(cè)試分析微觀形貌。將摻滲透結(jié)晶的水泥漿灌入預(yù)制的不同寬度混凝土裂縫中,標(biāo)養(yǎng)28d時(shí)觀察界面處的微觀形貌。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),寬度為1.0mm和0.5mm的預(yù)制裂縫混凝土與水泥漿間具有較高的界面結(jié)合程度,其致密程度和無(wú)裂縫時(shí)相差不大。對(duì)于寬1.5mm的預(yù)制裂縫,28d齡期時(shí)混凝土與水泥漿之間的結(jié)合程度較差,許多不規(guī)則空隙分布在界面結(jié)合處,使得基體的貫通性明顯增大,其抗?jié)B性能低于1.0mm和0.5mm預(yù)制裂縫組。深入分析可知,裂縫較h小時(shí)水化產(chǎn)物Ca(OH)2會(huì)與滲透結(jié)晶反應(yīng),Ca(OH)2被消耗轉(zhuǎn)化成硅酸鈣,這種具有膠凝性的物質(zhì)可以填充界面間的空隙,從而改善界面結(jié)構(gòu)[10-12]。

裂縫較大>1.5mm時(shí),一定齡期內(nèi)水化產(chǎn)物的Ca(OH)2不能與滲透結(jié)晶反應(yīng),界面間的空隙也就無(wú)法被填充,混凝土與水泥漿之間存在薄弱界面,這使得基體抗?jié)B能力下降。但隨著滲透結(jié)晶摻量的增加和齡期的延長(zhǎng),混凝土中的Ca(OH)2與滲透結(jié)晶中的活性物質(zhì)會(huì)生成更多的填充物,從而減少界面處空隙,改善界面結(jié)構(gòu)和整體的抗?jié)B性能。

3 結(jié) 論

1)在配合比一定的情況下,滲透結(jié)晶可以較好地修復(fù)特定寬度的水工混凝土裂縫,特別是寬度不超過(guò)1.0mm時(shí)試驗(yàn)配制的滲透結(jié)晶修復(fù)效良好,界面結(jié)合程度較高。裂縫較大時(shí),一定齡期內(nèi)Ca(OH)2不能與滲透結(jié)晶反應(yīng),界面間的空隙也就無(wú)法被完全填充,混凝土與水泥漿之間存在薄弱界面,使得基體抗?jié)B能力下降[13]。

2)通過(guò)增大滲透結(jié)晶摻量和延長(zhǎng)齡期可能會(huì)修復(fù)更寬的混凝土裂縫,這是因?yàn)閮?nèi)部的Ca(OH)2可能會(huì)與滲透結(jié)晶生成更多的填充物,從而減少界面處空隙,改善界面結(jié)構(gòu)和抗?jié)B性能。