水泥基滲透結(jié)晶型防水材料和納米二氧化硅改性混凝土自修復(fù)性能的研究

姚嘉誠，延永東，徐鵬飛，劉榮桂，謝桂華，郭彥領(lǐng)

(1.江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2.中交四公局第三工程有限公司，北京 100176)

0 引 言

混凝土作為一種多孔脆性材料，在建筑施工及服役過程中由于周圍環(huán)境的影響不可避免會產(chǎn)生裂縫。裂縫的存在不僅影響混凝土的力學(xué)性能，而且為侵蝕介質(zhì)進入混凝土內(nèi)部提供了通道，加速混凝土內(nèi)部材料的劣化及鋼筋的銹蝕，從而降低了混凝土的耐久性，縮短了其使用壽命。隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，混凝土裂縫自修復(fù)技術(shù)越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視[1]。目前，研究較多的自修復(fù)技術(shù)有微膠囊技術(shù)、中空纖維技術(shù)、滲透結(jié)晶法和微生物誘導(dǎo)礦化法等[2-5]。與其它自修復(fù)技術(shù)相比，滲透結(jié)晶法因為具有較強的修復(fù)能力、良好的抗?jié)B性能、操作方便以及環(huán)保無污染等優(yōu)點，受到相關(guān)研究人員和工程界的關(guān)注[6-7]。

當(dāng)下，國內(nèi)外學(xué)者對水泥基滲透結(jié)晶型防水材料(Cementitious Capillary Crystalline Waterproofing,CCCW)展開了大量的研究。楊敏毅等[7]采用裂縫深度觀測、強度恢復(fù)測試和抗?jié)B恢復(fù)測試研究CCCW對混凝土的影響，發(fā)現(xiàn)CCCW可以顯著改善混凝土的裂縫自愈合效果，降低開裂混凝土裂縫深度，提高混凝土自愈合性能；李冰等[8]通過對不同水灰比的內(nèi)摻CCCW的混凝土進行抗壓強度回復(fù)率、劈裂抗拉強度回復(fù)率和二次抗?jié)B壓力的測定，發(fā)現(xiàn)水灰比為0.5時，內(nèi)摻CCCW的混凝土具有較高的自愈合性能；Park等[9]通過預(yù)裂摻加CCCW和高吸水性聚合物(SAPs)的試件開展試驗，發(fā)現(xiàn)CCCW提高了水泥基材料的自愈能力，復(fù)摻SAPs和CCCW的試件裂縫愈合效果更佳，愈合速度最快；黃濤等[10]通過試驗研究了CCCW對不同齡期混凝土裂縫修復(fù)性能的影響，發(fā)現(xiàn)潮濕及水分充足的養(yǎng)護條件有利于提高CCCW對混凝土裂縫的修復(fù)效果。

已有研究大多是關(guān)于摻加CCCW混凝土的自愈合性能，但關(guān)于復(fù)摻CCCW和納米二氧化硅(Nano-Silica,NS)混凝土的自愈合研究并不多見。NS具有極強的火山灰活性、晶核作用和微集料填充效應(yīng)，將其摻加在混凝土中能夠有效填充混凝土內(nèi)部孔隙，提高混凝土的密實性，從而增強混凝土的力學(xué)性能及耐久性能[11-13]。另外，考慮到實際混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中均承受一定的荷載，研究預(yù)加荷載后混凝土的自修復(fù)性能更切合實際。因此，本文在已有研究基礎(chǔ)上，進一步開展不同養(yǎng)護齡期、不同荷載水平下?lián)郊覥CCW與NS混凝土的自修復(fù)性能研究。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥采用鎮(zhèn)江本地產(chǎn)鶴林牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；細骨料采用細度模數(shù)為2.7的中砂；粗骨料采用粒徑為5～25 mm的連續(xù)級配碎石；CCCW采用北京城榮公司生產(chǎn)的XYPEX(賽柏斯)摻合劑；拌合水為實驗室自來水；NS采用鎮(zhèn)江德為化學(xué)品有限公司的親水性氣相納米二氧化硅；減水劑采用上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑。

1.2 自修復(fù)混凝土試件的制備

為研究CCCW及NS對混凝土自修復(fù)性能的影響，制備單摻3%CCCW的混凝土(Z0)、復(fù)摻3%CCCW和1%NS的混凝土(Z1)、復(fù)摻3%CCCW和2%NS的混凝土(Z2)、復(fù)摻3%CCCW和3%NS的混凝土(Z3)及未摻加CCCW和NS的基準(zhǔn)混凝土(JZ)，進行對比分析(摻量百分比表示此物質(zhì)等質(zhì)量替代水泥)。每種配合比的混凝土澆筑9組(第一組測極限抗壓強度，第二至五組測預(yù)壓80%的極限抗壓強度，剩余四組測預(yù)壓60%的極限抗壓強度[14])，每組3個立方體試件。配合比設(shè)計如表1所示。

按表1所示混凝土配合比制備混凝土試件，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。由于NS極易團聚，因此，本實驗中采用超聲分散技術(shù)對其處理，具體操作步驟如下所示[15-16]：先將減水劑、50%的水混合放入燒杯中，置于超聲波振動儀中振動5 min，然后將NS放入燒杯中混合并攪拌，最后將燒杯放入超聲波振動儀中振動10～15 min，得到分散均勻的NS分散液。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete /(kg/m3)

1.3 測試與表征

試驗對養(yǎng)護28 d的混凝土立方體試件進行抗壓強度試驗，測得混凝土的極限抗壓強度(100%P)后，先取四組加載至80%P，剩余四組加載至60%P。然后，將其置于平均溫度為20 ℃的室內(nèi)水池中浸泡不同齡期(7 d、14 d、28 d、56 d)，取出后通過超聲波探傷儀和抗壓強度試驗測其波速及抗壓強度。同時在混凝土試件裂縫處取樣，結(jié)合SEM試驗方法，分析混凝土試件裂縫處自愈合產(chǎn)物的微觀形貌?；炷恋淖孕迯?fù)效果還可以通過混凝土強度恢復(fù)率進行表征，計算公式為[7]：

(1)

式中，IR為混凝土在各個齡期自修復(fù)后抗壓強度，IO為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d時混凝土抗壓強度，KI為強度恢復(fù)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

圖1 混凝土抗壓強度與荷載水平和NS摻量的變化關(guān)系Fig.1 Relationship between concrete compressive strength and stress level, NS amount

圖1為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d后，Z0、Z1、Z2、Z3及JZ的抗壓強度與荷載水平和NS摻量變化關(guān)系。由圖1可知，單摻CCCW混凝土和復(fù)摻CCCW與NS混凝土抗壓強度高于基準(zhǔn)混凝土，且復(fù)摻CCCW與NS混凝土的抗壓強度高于單摻CCCW混凝土，這表明復(fù)摻NS對摻加CCCW混凝土有一定增強效果。其中復(fù)摻3%CCCW與1%NS混凝土的提升最高，為11.1%。

圖2、圖3為不同NS摻量下混凝土修復(fù)后抗壓強度、波速與齡期的變化曲線。隨著NS摻量的增加及齡期的延長，混凝土的抗壓強度與波速變化規(guī)律表現(xiàn)出良好的一致性。并且單摻CCCW混凝土和復(fù)摻CCCW與NS混凝土的自修復(fù)效果明顯優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土。隨著養(yǎng)護齡期的延長，混凝土的抗壓強度和波速均表現(xiàn)上升趨勢。這表明基準(zhǔn)混凝土、單摻CCCW混凝土以及復(fù)摻CCCW與NS混凝土的自修復(fù)效果均隨著齡期的延長而提高。對于預(yù)壓80%P的混凝土而言，單摻CCCW混凝土和復(fù)摻CCCW與NS混凝土修復(fù)后的抗壓強度和波速均高于基準(zhǔn)混凝土。并且隨著齡期的延長，其增長趨勢明顯優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土。其中，復(fù)摻3%CCCW與1%NS混凝土的自修復(fù)效果最佳。在不同養(yǎng)護齡期下，復(fù)摻3%CCCW與1%NS混凝土修復(fù)后的抗壓強度和波速均高于其余混凝土。預(yù)壓60%P的混凝土自修復(fù)效果變化規(guī)律與預(yù)壓80%P的混凝土基本一致，但其自修復(fù)效果弱于預(yù)壓80%P的混凝土，如圖2、圖3所示。這可能是由于預(yù)壓80%P的混凝土表面裂縫較多，而預(yù)壓60%P的混凝土表面僅有一條裂縫或無裂縫。當(dāng)混凝土表面裂縫較少時，隨著水分滲入裂縫與CCCW、未水化水泥顆粒反應(yīng)后，迅速形成結(jié)晶體沉淀，從而修補裂縫。這在一定程度上減少水分進入混凝土內(nèi)部的途徑，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部裂縫無法得到修復(fù)。

由公式(1)得出不同NS摻量下自修復(fù)混凝土的強度恢復(fù)率，從而得到強度恢復(fù)率與養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律，如圖4所示。從圖4中可知，強度恢復(fù)率的變化規(guī)律與抗壓強度和波速相一致。對于預(yù)壓80%P的混凝土而言，其強度恢復(fù)率均在養(yǎng)護齡期為56 d時達到最大，分別為99.42%、101.51%、112.59%、104.49%、103.14%。對于預(yù)壓60%P的混凝土而言，除Z3強度恢復(fù)率在28 d時達到最大，為97.51%，其余混凝土的強度恢復(fù)率均在56 d達到最大，分別為102.36%、101.57%、102.32%、100.56%。這可能是由于預(yù)壓荷載達到60%的極限荷載時，混凝土內(nèi)部骨料和水泥石之間的接觸面上產(chǎn)生了局部應(yīng)力集中，因拉應(yīng)力超過粘結(jié)強度而產(chǎn)生裂縫，但此時裂縫尺寸較小，且數(shù)量較少。裂縫附近的CCCW、未水化水泥顆粒與水反應(yīng)后生成的結(jié)晶沉淀物填充了裂縫，阻斷了裂縫處的水流通道，從而降低了混凝土內(nèi)部損傷修復(fù)速度。

圖2 不同NS摻量下混凝土抗壓強度與齡期和荷載水平的變化關(guān)系
Fig.2 Relationship between concrete compressive strength and curing age, stress level in different NS amount

圖3 不同NS摻量下混凝土波速與齡期和荷載水平的變化關(guān)系
Fig.3 Relationship between concrete ultrasonic velocity and curing age, stress level in different NS amount

圖4 不同NS摻量下混凝土強度恢復(fù)率與齡期和荷載水平的變化關(guān)系
Fig.4 Relationship between concrete strength restoration ratio and curing age, stress level in different NS amount

混凝土自修復(fù)的機制分為兩種[7,17],一種是未水化水泥顆粒的水化反應(yīng)?；炷林写嬖诖罅课此耆乃a(chǎn)物或未水化水泥顆粒。當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫，且有水滲入時，未水化的組分會與之反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物，從而修補裂縫；另一種是混凝土裂縫處Ca(OH)2溶于水后與水、空氣中的二氧化碳反應(yīng)，形成碳酸鈣沉淀，有助于閉合裂縫。因此，基準(zhǔn)混凝土具有一定的自修復(fù)性能，其抗壓強度表現(xiàn)出一定的修復(fù)現(xiàn)象。而CCCW中的活性化學(xué)物質(zhì)以水為介質(zhì)，借助滲透作用進入混凝土內(nèi)部的毛細管或裂縫。在這一過程中，活性化學(xué)物質(zhì)促進了水泥水化副產(chǎn)物、水化產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)，生成了一種不溶于水的結(jié)晶沉淀物。這種結(jié)晶沉淀物充滿了混凝土內(nèi)部的毛細管、裂縫及孔隙，從而形成一種整體性結(jié)構(gòu)，極大提升了混凝土的抗?jié)B性能和耐久性[6]。同時，NS具有極強的火山灰效應(yīng)、晶核作用和微集料填充效應(yīng)，其在混凝土中會與Ca(OH)2等物質(zhì)反應(yīng)，加速混凝土的水化反應(yīng)，從而降低混凝土內(nèi)部的孔隙率，有效提高混凝土的密實性及耐久性能[11]。因此，對于單摻CCCW混凝土和復(fù)摻CCCW與NS混凝土，其浸水修復(fù)后的抗壓強度和強度恢復(fù)率均高于基準(zhǔn)混凝土。

2.2 SEM試驗結(jié)果

圖5為基準(zhǔn)混凝土、單摻CCCW混凝土和復(fù)摻CCCW與NS混凝土的開裂部位浸水修復(fù)后的SEM測試結(jié)果。基準(zhǔn)混凝土開裂處多為水化產(chǎn)物堆積，水化產(chǎn)物之間存在大量孔隙和裂縫(圖5(a))；Z0裂縫處有相當(dāng)數(shù)量的細小針柱狀結(jié)晶體生成(圖5(b))；Z1裂縫處有大量針柱狀結(jié)晶體生成，且分布更為密集，體積進一步增大(圖5(c))；Z2裂縫處出現(xiàn)塊狀、絮狀結(jié)晶體(圖5(d))；Z3裂縫處出現(xiàn)大量球狀水化產(chǎn)物(圖5(e))。

圖5 混凝土試樣在水養(yǎng)護環(huán)境下浸泡28 d后裂縫處自愈合產(chǎn)物的微觀形貌
Fig.5 Microscopic appearance of concrete crack self-healing products after curing 28 d in water curing environment

可見，上述混凝土裂縫處均有水化產(chǎn)物生成。但與基準(zhǔn)混凝土相比，單摻CCCW和復(fù)摻CCCW與NS混凝土裂縫修復(fù)后的微觀結(jié)構(gòu)在SEM觀察下更加密實。因此，單摻CCCW和復(fù)摻情況下混凝土修復(fù)后的抗壓強度、波速及強度恢復(fù)率均高于基準(zhǔn)混凝土。由圖5可知，與其他混凝土裂縫處微觀照片相比，Z1修復(fù)后裂縫處內(nèi)部枝蔓狀結(jié)晶體體積更大，數(shù)量進一步增加，大量針狀或棒狀晶體相互搭接，分布更為密集，形成了致密的晶體網(wǎng)絡(luò)，從而填充裂縫，提高了混凝土自修復(fù)性能。這可能是由于混凝土在外力作用下受到損傷，生成大小不一的裂縫，為水的滲入提供了便利，CCCW中的活性化學(xué)物質(zhì)、NS能夠與混凝土內(nèi)未水化水泥顆粒反應(yīng)，形成不溶于水的結(jié)晶體，從而修補裂縫，提高了混凝土密實性及自修復(fù)性能。因此，復(fù)摻3%CCCW與1%NS混凝土修復(fù)后的波速、抗壓強度及強度恢復(fù)率均高于其他混凝土。

3 結(jié) 論

(1)隨著齡期的延長和NS摻量的增加，混凝土的抗壓強度均呈現(xiàn)上升趨勢。單摻CCCW和復(fù)摻情況下混凝土的抗壓強度優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土，且復(fù)摻情況下混凝土的抗壓強度高于單摻CCCW混凝土。

(2)單摻CCCW和復(fù)摻CCCW與NS混凝土具有良好的自修復(fù)性能。復(fù)摻情況下混凝土的自修復(fù)性能明顯優(yōu)于單摻CCCW混凝土和基準(zhǔn)混凝土。且隨著養(yǎng)護齡期的延長，復(fù)摻CCCW與NS混凝土修復(fù)后抗壓強度的增長趨勢明顯優(yōu)于其他混凝土。

(3)預(yù)壓80%P混凝土的自修復(fù)效果優(yōu)于預(yù)壓60%P混凝土。其中，復(fù)摻3%CCCW與1%NS混凝土自修復(fù)效果明顯優(yōu)于其他類型混凝土。對于預(yù)壓80%P和60%P的復(fù)摻3%CCCW和1%NS混凝土，其各個齡期的抗壓強度和波速均強于其他混凝土，強度恢復(fù)率均在56 d時達到最高，分別為112.59%和102.32%。

(4)CCCW及NS的摻入促進了裂縫處未水化水泥顆粒的水化反應(yīng)，生成結(jié)晶體，從而形成致密的結(jié)晶體網(wǎng)絡(luò)，起到了提高混凝土自修復(fù)性能的作用。