自修復(fù)混凝土的制備及其抗?jié)B性能和抗鹽凍性能

王 麗,白 英

(1. 內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 裝飾與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，呼和浩特 010070; 2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

自修復(fù)混凝土的制備及其抗?jié)B性能和抗鹽凍性能

王 麗1,白 英2

(1. 內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 裝飾與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，呼和浩特 010070; 2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

以氯化膽堿為促進(jìn)劑，超細(xì)二氧化硅為活化劑，沸石粉為反應(yīng)助劑，52.5號普通硅酸鹽水泥為粘結(jié)劑，石英砂為結(jié)構(gòu)增強(qiáng)劑，將上述原料攪拌混勻后，與水按照質(zhì)量比0.4∶1配置成混凝土用修復(fù)劑,涂覆于混凝土試件表面，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后得到自修復(fù)混凝土試件?？疾炝俗孕迯?fù)混凝土的抗?jié)B性能和抗鹽凍性。結(jié)果表明：自修復(fù)混凝土的抗?jié)B性和抗鹽凍性得到了明顯的改善，自修復(fù)混凝土的一次抗?jié)B壓力和二次抗?jié)B壓力均明顯高于基準(zhǔn)混凝土的，在NaCl溶液中，經(jīng)凍融循環(huán)200次后，自修復(fù)混凝土的質(zhì)量損失率較基準(zhǔn)混凝土的減少了45%，其相對動彈模量較基準(zhǔn)混凝土的下降趨勢更緩。

混凝土；凍融循環(huán)；抗?jié)B性；抗鹽凍性

混凝土是當(dāng)今使用最廣泛的建筑材料和結(jié)構(gòu)材料。由于其自身特點(diǎn)，內(nèi)部往往存在一些原始微裂紋，在承載期間，微裂紋會進(jìn)一步擴(kuò)大轉(zhuǎn)變?yōu)榱芽p，使混凝土表面發(fā)生開裂[1]。我國幅員遼闊，在我國西部鹽湖地區(qū)以及北方沿海地區(qū)，室外混凝土工程結(jié)構(gòu)同時(shí)還面臨著嚴(yán)寒及腐蝕鹽的侵蝕問題。因此，近年來，對混凝土裂縫的控制和修復(fù)成為了廣大科研工作者的研究重點(diǎn)。傳統(tǒng)的混凝土修復(fù)技術(shù)方法主要是對裂縫表面涂刷新配置的砂漿進(jìn)行修補(bǔ)，這往往造成修補(bǔ)成本大于混凝土的建造成本[2]。目前，修復(fù)混凝土裂縫的最新技術(shù)主要是基于仿生學(xué)原理開發(fā)的混凝土自修復(fù)技術(shù)[3-4]，具體為包括：微膠囊技術(shù)[5]和中空纖維技術(shù)[6]。這兩種技術(shù)均能在混凝土裂紋產(chǎn)生初期，在應(yīng)力作用下，釋放膠囊內(nèi)或中空纖維管內(nèi)的修復(fù)劑滲入到裂紋中，修復(fù)劑固化，從而抑制裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)混凝土裂紋的自修復(fù)。由于微膠囊、中空纖維管多為脆性材料，在混凝土的振搗過程中，微膠囊和中空纖維管的壁材往往會過早破裂，造成修復(fù)劑流失，最終導(dǎo)致混凝土的自修復(fù)性能降低。

因此，在自修復(fù)混凝土的制備過程中，必須同時(shí)兼顧其自修復(fù)性能和工藝的可重現(xiàn)性，對于我國西部鹽湖地區(qū)以及北方沿海地區(qū)，還需同時(shí)考察其抗鹽凍性。超細(xì)二氧化硅具有高滲透力，能夠激活混凝土中未水化反應(yīng)的水泥顆粒，并生成不溶于水的絡(luò)合結(jié)晶體[7]；沸石粉具有較強(qiáng)的堿吸附性，可與混凝土中未水化的水泥生成不溶性的晶體物質(zhì)，使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密[8]。本工作自制了具有自修復(fù)性能的混凝土試件，考察了不同養(yǎng)護(hù)齡期的自修復(fù)混凝土試件的抗?jié)B性，并采用混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)和動彈儀研究了試件在Na2SO4、Mg2SO4和NaCl溶液中的抗鹽凍性。

1 試驗(yàn)

1.1 自修復(fù)混凝土的制備

以氯化膽堿(含量≧99%，濟(jì)南金輝化工有限公司)為促進(jìn)劑，超細(xì)二氧化硅(濰坊寶特化工有限公司)為活化劑，沸石粉(吸附率≧98%，鄭州雨藍(lán)環(huán)保科技有限公司)為反應(yīng)助劑，52.5號普通硅酸鹽水泥(內(nèi)蒙古蒙西水泥有限公司)為粘結(jié)劑，石英砂(莫氏硬度為7，內(nèi)蒙古昌繁石英砂有限公司)為結(jié)構(gòu)增強(qiáng)劑，按照w氯化膽堿∶w超細(xì)二氧化硅∶w沸石粉∶w52.5號普通硅酸鹽水泥∶w石英砂為1∶1∶2∶1∶30制成混合物，采用強(qiáng)力機(jī)械攪拌混勻后，將混合物與水按照1∶0.4(質(zhì)量比)混合后即得到本試驗(yàn)所要求的混凝土修復(fù)劑。

參照C40普通混凝土配比設(shè)計(jì)混凝土試件，具體成分如下：436 kg/m3水泥(內(nèi)蒙古蒙西42.5級普通硅酸鹽水泥)，605 kg/m3砂(普通河沙，細(xì)度模數(shù)2.33，表觀密度2 600 kg/m3)，1 228 kg/m3碎石(最大粒徑20 mm的碎石，5～20 mm連續(xù)級配，表觀密度2 650 kg/m3)，185 kg/m3水，水灰比為0.4。

分別澆筑4組試件，其中，A組和C組試件尺寸均為上口直徑175 mm，下口直徑185 mm，高150 mm，個(gè)數(shù)均為6個(gè)；B組和D組試件尺寸均為100 mm×100 mm×400 mm，個(gè)數(shù)均為3個(gè)。將制備的混凝土修復(fù)劑按1～1.2 kg/m2用量均勻涂覆于上述A組、B組試件表面， 4組試件澆筑24 h后脫模，然后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d。

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土抗?jié)B試驗(yàn)參照J(rèn)C 474-2008《砂漿、混凝土、防水劑》規(guī)定執(zhí)行，將養(yǎng)護(hù)后的A組試件和C組試件用蠟密封后進(jìn)行一次抗?jié)B試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)，水壓從0.2 MPa開始，水壓增長速率為0.1 MPa/h，當(dāng)3個(gè)試件端面出現(xiàn)滲水，即停止試驗(yàn)，記錄此時(shí)的抗?jié)B壓力。A組試件和C組試件被水擊穿后，繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后取出,進(jìn)行二次抗?jié)B試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟與一次抗?jié)B試驗(yàn)時(shí)的相同，同時(shí)記錄二次抗?jié)B試驗(yàn)抗?jié)B壓力。

混凝土抗鹽凍試驗(yàn)參照J(rèn)TG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，將養(yǎng)護(hù)28 d后的B組試件和D組試件裝入110 mm×110 mm×500 mm橡膠盒內(nèi)，在盒內(nèi)分別倒入4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)Na2SO4溶液、4% Mg2SO4溶液和4% NaCl溶液，將橡膠盒置于凍融箱中，采用快凍法，每25次凍融循環(huán)進(jìn)行一次動彈模量測試和質(zhì)量損失率測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗?jié)B性

由表1可見，A組試件的一次抗?jié)B壓力和二次抗?jié)B壓力均高于C組試件的，特別是A組試件的二次抗?jié)B壓力是C組試件的8倍，這表明一次抗?jié)B擊穿后，表面涂覆修復(fù)劑能明顯的提高混凝土內(nèi)部裂紋和孔洞的修復(fù)能力，從而有效改善混凝土的抗?jié)B性能。

表1 A組試件和C組試件的抗?jié)B性能Tab. 1 Anti-penetrability of sample A and sample C

2.2 抗鹽凍性

2.2.1 質(zhì)量損失率

由圖1可見，兩組試件在三種溶液中質(zhì)量損失度變化呈現(xiàn)出相似的規(guī)律：在NaCl溶液中,試件的質(zhì)量損失率最大，在Mg2SO4溶液中的次之，在Na2SO4溶液中的最小。這表明氯鹽在凍融環(huán)境中對混凝土破壞最大，主要是因?yàn)樵趦鋈诃h(huán)境中，相較于Na2SO4、Mg2SO4，氯鹽能顯著提高混凝土內(nèi)部的毛細(xì)管平衡飽水度[9]，從而增加混凝土可凍水的含量，造成混凝土內(nèi)部的結(jié)冰膨脹率和結(jié)冰壓大大增加。由圖1還可見，在同種鹽溶液的凍融試驗(yàn)中，自修復(fù)混凝土試件(B組試件)的質(zhì)量損失率要低于基準(zhǔn)試件(D組試件)的，這可能是由于自制混凝土修復(fù)劑中含有高活性的二氧化硅和沸石粉，它們均能有效滲入混凝土內(nèi)部，與混凝土中未水化的水泥顆粒發(fā)生反應(yīng)生成不溶的結(jié)晶體沉淀物，從而堵塞和封閉混凝土中的毛細(xì)孔通道和細(xì)微孔隙，使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，在凍融試驗(yàn)中，能夠有效減少混凝土的質(zhì)量損失率。

(a) B組試件

(b) D組試件圖1 B組試件和D組試件在不同溶液中質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)的變化曲線Fig. 1 Mass loss rate vs. freezing and thawing cycle curves of sample B(a) and sample D(b) in different solutions

2.2.2 相對動彈模量

由圖2可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，在不同鹽溶液中，兩組試件的相對動彈模量均呈下降趨勢，在同一種鹽溶液中，兩組試件相對動彈性模量的下降趨勢不同。

在NaCl溶液中，B組試件的相對動彈模量下降趨勢較D組試件的更緩，凍融循環(huán)次數(shù)為200次時(shí)，B組試件的相對動彈模量為76.1%，D組試件的為62.3%，幾近于破壞，這表明在NaCl溶液中，隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了更多的微裂紋和水分通道，加劇了凍融破壞，由于修復(fù)劑能在一定程度上與混凝土內(nèi)部的未水化水泥反應(yīng)，最終使得混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，從而能夠適當(dāng)延緩混凝土的凍融破壞。

(a) B組試件

(b) D組試件圖2 B組試件和D組試件在不同溶液中相對動彈模量隨凍融次數(shù)的變化曲線Fig. 2 The relative dynamic elastic modulus vs. freezing and thawing cycles curve of sample B (a) and sample D (b) in different solutions

在Mg2SO4溶液中，B組試件的相對動彈模量下降趨勢與D組試件的相近，這表明在Mg2SO4溶液中，隨著凍融次數(shù)的增加，凍融破壞對兩組混凝土試件產(chǎn)生的結(jié)果相似，這可能是由于Mg2SO4溶液中，有大量Mg2-，與混凝土內(nèi)部的Ca2+反應(yīng)生成不溶性的鈣鎂結(jié)晶體，堵塞了混凝土凍融破壞產(chǎn)生的水分通道，延緩了混凝土進(jìn)一步凍融破壞的趨勢。

在Na2SO4溶液中，當(dāng)凍融次數(shù)不超過150次，B組試件的相對動彈模量下降趨勢較D組試件的更緩，這表明在凍融初期，自修復(fù)混凝土中的修復(fù)劑對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到了更好的保護(hù)作用。

2.3 修復(fù)機(jī)理

由圖3可見，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，基準(zhǔn)混凝土內(nèi)部存在大量孔洞，而在自修復(fù)混凝土中，由于表面涂覆的修復(fù)劑中的活性二氧化硅、沸石粉滲入到混凝土內(nèi)部，與混凝土內(nèi)未水化的水泥反應(yīng)生成了大量枝蔓狀結(jié)晶體，穿插在其混凝土內(nèi)部空隙中，對內(nèi)部飽和水行經(jīng)的毛細(xì)通道形成了有效封閉，使得整個(gè)混凝土試件成為一個(gè)完整的整體，有效堵塞了水及各類化學(xué)物質(zhì)的侵襲。

(a) 基準(zhǔn)混凝土

(b) 自修復(fù)混凝土圖3 基準(zhǔn)混凝土和自修復(fù)混凝土經(jīng)28 d養(yǎng)護(hù)后的SEM形貌Fig. 3 SEM morphology of reference concrete (a) and self repairing concrete (b) after 28 d curing

在抗?jié)B試驗(yàn)中，混凝土試件受到水壓作用，由于修復(fù)劑對其內(nèi)部毛細(xì)通道的封閉作用，自修復(fù)混凝土表現(xiàn)出更高的抗?jié)B壓力，說明涂覆的修復(fù)劑對混凝土受外壓造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞有很好的修復(fù)作用。

在抗鹽凍試驗(yàn)中，鹽溶液進(jìn)入混凝土的孔隙中，并開始在大孔中凝結(jié)，而在不同的孔隙中，鹽溶液的受凍情況表現(xiàn)不同，導(dǎo)致不同孔隙中鹽溶液的含量不同，根據(jù)滲透壓理論，在不同孔隙之間會形成一定的滲透壓作用；同時(shí)，由于溫度低，鹽溶解度降低，使得大量鹽類開始結(jié)晶。滲透壓與鹽類的結(jié)晶壓共同作用于混凝土，對混凝土產(chǎn)生極大破壞，圖4為凍融過程中混凝土表面及其裂縫中產(chǎn)生的鹽類結(jié)晶。由圖4可見，大量鹽類開始在混凝土表面聚集。

圖4 凍融循環(huán)過程中混凝土表面鹽類結(jié)晶Fig. 4 The salt crystallization on concrete surface during the freezing and thawing cycles

不同的鹽溶液對混凝土影響作用表現(xiàn)不同。在NaCl溶液，氯鹽會增加混凝土表面的飽水程度，同時(shí)試件中Ca(OH)2在NaCl溶液中的溶解度大，這造成鈣流失，使細(xì)集料從表面剝離，故鹽蝕最為嚴(yán)重；Na2SO4溶液中，Na2SO4凍融產(chǎn)生較大結(jié)晶壓力和由化學(xué)膨脹造成的混凝土損傷，原因在于SO42-會與Ca2+反應(yīng)生成石膏CaSO4，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生各種大小的裂縫，增加了可結(jié)冰飽和水的行經(jīng)通道，在凍融作用下，更易受到破壞，表現(xiàn)為混凝土基體的相對動彈模量下降趨勢更快，質(zhì)量損失率較大；在MgSO4溶液種，除了SO42-與Ca2+化學(xué)反應(yīng)造成膨脹性破壞之外，由于Mg2+會置換水化硅酸鈣中Ca2+，形成無膠結(jié)能力的水化鈣鎂晶體，從而導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)一定的脫鈣反應(yīng)，造成C-S-H凝膠分解，表現(xiàn)為混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)潰散，膠結(jié)能力降低。

自修復(fù)混凝土由于其表面成分可以滲入混凝土內(nèi)部與未水化水泥反應(yīng)生成枝蔓結(jié)晶體，對由鹽溶液作用引起的裂縫孔道表現(xiàn)出一定的修復(fù)作用，鹽凍試驗(yàn)結(jié)果表明,較基準(zhǔn)混凝土，自修復(fù)混凝土的質(zhì)量損失率及動彈模量都得到了極大改善。

3 結(jié)論

(1) 自修復(fù)混凝土的抗?jié)B壓力比基準(zhǔn)混凝土的高，特別是其二次抗?jié)B壓力是基準(zhǔn)混凝土的8倍，即表面涂覆混凝土修復(fù)劑對混凝土內(nèi)部裂紋和孔洞有優(yōu)異的修復(fù)能力；

(2) 自修復(fù)混凝土試件在抗鹽凍試驗(yàn)中的質(zhì)量損失率要低于基準(zhǔn)試件的；

(3) 在凍融循試驗(yàn)中，與基準(zhǔn)混凝土相比,自修復(fù)混凝土在NaCl、Mg2SO4、Na2SO4三種鹽溶液中的相對動彈模量均較低。

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Preparation and Anti Permeability and Anti Salt Freezing-thawing on the Concrete of Self-repairing Concrete

WANG Li1, BAI Yin2

(1. Department of Decorative Art and Design, Inner Mongolia Technical College of Construction, Huhhot 010070, China;2. College of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China)

The self-repairing concrete was prepared using choline chloride as accelerant, ultrafine silicon dioxide as activating agent, zeolite powder as reaction assistant, 52.5#ordinary portland cement as binder and quartz sand as structural enhancer to form a mixture, after stirring evenly, adding water in accordance with the proportion of 0.4 water∶1 mixture to corrfect a concrete repair agent, and then ia was coated on the concrete surface to get self-repairing concrete. The anti permeability and anti salt freeze-thawing performance of the self-reparing concret were investigated. The results show that the anti permeability and anti salt performance of the self-repairing concrete were significantly improved, the anti seepage pressure and secondary impermeability pressure were both significantly higher than the benchmark concrete′s. In NaCl solution, after 200 times of freezing and thawing cycle, the self repairing concrete quality loss rate reduced 45% than the benchmark concrete′s, the relative dynamic elastic modulus declined more slowly than the benchmark concrete′s.

concrete; freeze-thaw cycle； anti-permeability； frost-salt resistance

10.11973/fsyfh-201703007

2015-09-18

王 麗(1982-),講師,碩士從事建筑材料、施工、結(jié)構(gòu)研究的工作,17096526342,minganw@163.com

U416.217

A

1005-748X(2017)03-0189-04