基于抗?jié)B性試驗(yàn)的混凝土自修復(fù)材料研究

辛?xí)员?，李驍男，馬 挺，張茂亮，馬 炎

（河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，鄭州 450000）

作為一種非均質(zhì)多相材料，混凝土因其自身結(jié)構(gòu)特性，內(nèi)部存在大量孔隙和裂縫［1］，尤其是長(zhǎng)期服役條件下的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫更多.按照成因可將裂縫分為荷載裂縫、變形裂縫、施工裂縫和堿骨料反應(yīng)裂縫四類［2］.氣相、液相等有害物質(zhì)可通過(guò)裂縫侵入混凝土，會(huì)造成混凝土力學(xué)性能下降、滲漏等問(wèn)題，嚴(yán)重危害混凝土的力學(xué)性能和耐久性能［3-7］.如何實(shí)現(xiàn)混凝土裂縫的修復(fù)，延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的壽命，一直是研究人員研究的重點(diǎn).雖然混凝土自身有一定修復(fù)能力［8-9］，但是無(wú)法滿足應(yīng)用需求.滲透結(jié)晶型材料是以一種以適當(dāng)比例的活性化學(xué)物質(zhì)制成的一種修復(fù)材料［10］.采用這種材料摻入混凝土中時(shí)，當(dāng)混凝土處于干燥環(huán)境條件下，活性化學(xué)物質(zhì)處于內(nèi)部休眠狀態(tài)；一旦外部水通過(guò)裂縫侵入混凝土內(nèi)部，活性化學(xué)物質(zhì)會(huì)與水泥中其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成各種不溶性晶體物質(zhì)填充混凝土內(nèi)部孔隙，提高混凝土的性能尤其是抗?jié)B性能，從而實(shí)現(xiàn)了混凝土結(jié)構(gòu)的自修復(fù)，而且這種結(jié)晶反應(yīng)是可以多次重復(fù)進(jìn)行的［11-13］.目前該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外混凝土自修復(fù)、涉水混凝土工程以及道路橋梁工程的修補(bǔ)等領(lǐng)域［13-14］.

本文在已有研究基礎(chǔ)上以衣地酸二鈉、硅酸鈉、甲酸鈣等復(fù)配成混凝土裂縫自修復(fù)材料NNC，以修復(fù)前后混凝土抗?jié)B壓力恢復(fù)率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究混凝土裂縫自修復(fù)材料NNC對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，砂為標(biāo)準(zhǔn)砂，碎石粒徑5～25 mm，針片狀含量4%.所用衣地酸二鈉，體積分?jǐn)?shù)≥99%；硅酸鈉，模數(shù)3.0；甲酸鈣，體積分?jǐn)?shù)≥98%.

1.2 混凝土制備

混凝土按表1所示的配合比采用上口內(nèi)部直徑175 mm、下口內(nèi)部直徑185 mm、高度150 mm的圓臺(tái)體制備試樣，1 d后成型拆模，用鋼絲刷刷去兩端面水泥漿膜，將混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)至28 d，得到混凝土試樣.

表1 混凝土配合比Tab.1 Mixture ratio of concrete單位：kg·m-3

1.3 試驗(yàn)方法

抗?jié)B試驗(yàn)方法按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，采用逐級(jí)加壓法.在進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)時(shí)，第一次測(cè)試得到混凝土塊的抗?jié)B壓力值f28后，將試塊放在液壓機(jī)壓力臺(tái)，使其正面受壓，以1～2 kN/s的速率緩慢加載，當(dāng)液壓機(jī)指針停止，立即取出，保證試樣完好［15］.之后進(jìn)行第二次抗?jié)B試驗(yàn)，得到抗?jié)B壓力值fc，然后將試塊放置到干燥箱中，60℃條件下烘干至恒重.采用以下兩種方式利用NNC溶液處理試樣.

1）浸泡法：將混凝土試塊直接浸泡于0%，1%，2%，3%，4%的NNC溶液中（本文中NNC溶液濃度均指質(zhì)量分?jǐn)?shù)），完全淹沒，養(yǎng)護(hù)至7、14、28、60 d.

2）加壓法：采用逐級(jí)加壓法對(duì)混凝土進(jìn)行第三次加壓處理試驗(yàn).進(jìn)行試驗(yàn)前，先將制備好的0%，1%，2%，3%，4%NNC提前溶于用于測(cè)試抗?jié)B性的水中，溶解完全，加壓壓力值最大達(dá)到fc的80%，停止加壓，直至液體穩(wěn)定滲出.之后將試塊放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)至7、14、28、60 d.

再次對(duì)上述兩種方法中養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期的混凝土試塊進(jìn)行抗?jié)B壓力測(cè)試，得到抗?jié)B壓力值fn.混凝土在不同濃度的NNC溶液環(huán)境下的自修復(fù)效果通過(guò)抗?jié)B壓力恢復(fù)率來(lái)表征，其計(jì)算公式為：

式中：σ為抗?jié)B壓力恢復(fù)率；f28為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)混凝土的抗?jié)B壓力；fc為預(yù)制裂縫后混凝土的抗?jié)B壓力；fn為在不同濃度NNC溶液中浸泡不同齡期的混凝土的抗?jié)B壓力，n為養(yǎng)護(hù)齡期.

2 結(jié)果與討論

2.1 NNC不同處理方式對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響

分別采用浸泡法和加壓法兩種方式處理加入0%、1%、2%、3%、4%NNC溶液的混凝土，其抗?jié)B壓力恢復(fù)率如圖1所示.

從圖1中可以看出，采用浸泡法和加壓法兩種方式處理不加入NNC的混凝土?xí)r，其抗?jié)B壓力恢復(fù)率相對(duì)一致，均為隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，恢復(fù)率逐漸增加.其中采用浸泡法的混凝土其7 d抗?jié)B恢復(fù)率接近采用加壓法的混凝土，之后其恢復(fù)速率略高于采用加壓法的混凝土；在60 d時(shí)，經(jīng)兩種方式處理的混凝土抗?jié)B恢復(fù)率達(dá)到最大值，分別為83.6%和85.3%.

圖1 不同處理方式對(duì)混凝土抗?jié)B壓力恢復(fù)率的影響Fig.1 Effect of different treatment methods on the recovery ratio of impermeable pressure of concrete

采用浸泡法和加壓法兩種方式處理加入1%NNC溶液的混凝土?xí)r，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，混凝土抗?jié)B恢復(fù)率逐漸增加.其中，在NNC溶液中浸泡的混凝土其7 d、14 d抗?jié)B恢復(fù)率低于直接加壓注入NNC溶液的混凝土，其28 d抗?jié)B恢復(fù)率接近，60 d其抗?jié)B恢復(fù)率略高于采取直接加壓注入的混凝土，其最大值分別為132.8%和121%.

采用浸泡法和加壓法兩種方式處理加入2%NNC溶液的混凝土?xí)r，采用浸泡法的混凝土抗?jié)B壓力恢復(fù)率低于采用加壓法的混凝土.隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，采用加壓法處理的混凝土抗?jié)B壓力恢復(fù)率逐漸增加，在28 d時(shí)抗?jié)B壓力恢復(fù)率達(dá)到135.8%，但在28 d之后，抗?jié)B壓力恢復(fù)率增長(zhǎng)緩慢，到60 d時(shí)抗?jié)B壓力恢復(fù)率為137.4%.采用浸泡法處理的混凝土抗?jié)B壓力恢復(fù)率在養(yǎng)護(hù)齡期為7～28 d逐漸增加，在28 d達(dá)到最大值127.8%，之后隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，抗?jié)B壓力恢復(fù)率出現(xiàn)下降，60 d時(shí)為108.7%.

采用浸泡法和加壓法兩種方式處理加入3%NNC溶液的混凝土?xí)r，在NNC溶液中浸泡的混凝土其7 d、14 d抗?jié)B壓力恢復(fù)率低于直接加壓注入NNC溶液的混凝土，其28 d抗?jié)B壓力恢復(fù)率達(dá)到129.4%，高于直接加壓注入NNC溶液的混凝土，但60 d其抗?jié)B壓力恢復(fù)率低于采取直接加壓注入的混凝土.

采用浸泡法和加壓法兩種方式處理加入4%NNC溶液的混凝土?xí)r，兩種方式處理的混凝土均在14 d時(shí)抗?jié)B恢復(fù)率達(dá)到最大值.在NNC溶液中浸泡的混凝土其7 d、14 d抗?jié)B壓力恢復(fù)率低于直接加壓注入NNC溶液的混凝土.在養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d時(shí)，采用加壓法處理的混凝土其28 d抗?jié)B恢復(fù)率出現(xiàn)下降，之后其恢復(fù)率呈現(xiàn)出逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì).采用浸泡法處理的混凝土其28 d抗?jié)B恢復(fù)率同樣出現(xiàn)下降，之后其恢復(fù)率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，出現(xiàn)緩慢降低的趨勢(shì)，其60 d抗?jié)B恢復(fù)率低于采取直接加壓注入的混凝土.

同時(shí)，在圖1中也可以看出，相同濃度的NNC溶液條件下，采用加壓法處理的混凝土其7 d和14 d抗?jié)B壓力恢復(fù)率普遍高于采用浸泡法的混凝土，這說(shuō)明加壓法有利于混凝土前期抗?jié)B性能的恢復(fù).這主要是因?yàn)榧訅悍ㄊ菍NC溶液直接均勻滲透到裂縫內(nèi)部，而浸泡法則是由外而內(nèi)進(jìn)行滲透，更容易在外部先形成結(jié)晶，影響NNC滲入到內(nèi)部，所以前期抗?jié)B壓力恢復(fù)率低于采用加壓法處理的混凝土.但是，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，采用不同處理方法的相同濃度的NNC溶液條件下混凝土的抗?jié)B恢復(fù)率表現(xiàn)出較為明顯的差異性，在NNC濃度為0%和1%時(shí)，浸泡法處理的混凝土抗?jié)B壓力恢復(fù)率逐漸高于加壓法，在2%、3%和4%時(shí)，浸泡法處理的混凝土抗?jié)B壓力恢復(fù)率普遍低于加壓法.這主要是因?yàn)楫?dāng)NNC濃度較低（不大于1%）時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，NNC溶液的滲透深度和滲透量逐漸增加，對(duì)內(nèi)部進(jìn)行了修復(fù)，但是加壓法無(wú)法提供更多的水和NNC，因此修復(fù)能力降低；但是當(dāng)NNC濃度較高（不低于2%）時(shí)，加壓法注入混凝土裂縫內(nèi)部的修復(fù)材料已經(jīng)能夠滿足混凝土的修復(fù)需求，但是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，浸泡法會(huì)促使更多的修復(fù)材料滲入到混凝土內(nèi)部，造成內(nèi)部修復(fù)材料過(guò)多，從而產(chǎn)生應(yīng)力膨脹，甚至進(jìn)一步加劇了裂縫的產(chǎn)生，反而對(duì)混凝土裂縫修復(fù)起到不利的影響.

2.2 NNC不同濃度對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響

圖2所示為NNC不同濃度條件下，經(jīng)浸泡法處理試樣后，對(duì)不同齡期混凝土的抗?jié)B壓力恢復(fù)率的影響.從圖2中可以看出，當(dāng)NNC濃度為0和1%時(shí)，混凝土的抗?jié)B恢復(fù)率隨著齡期的延長(zhǎng)而增大；當(dāng)NNC溶液濃度為2%和3%時(shí)，混凝土的抗?jié)B恢復(fù)率隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)先增大后降低，在28 d時(shí)，抗?jié)B恢復(fù)率達(dá)到最大值，在28 d之后隨著NNC溶液濃度的增加，恢復(fù)率出現(xiàn)降低，且濃度越大，恢復(fù)率降低越快.當(dāng)NNC溶液濃度達(dá)到4%時(shí)，混凝土抗?jié)B恢復(fù)率在14 d已達(dá)到最大值，之后隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)下降.

圖2 不同濃度NNC溶液浸泡的混凝土抗?jié)B壓力恢復(fù)率Fig.2 Recovery rate of impermeable pressure of concrete soaked with different concentrations of NNC solution

圖3為NNC不同濃度條件下，經(jīng)加壓注入處理試樣后，對(duì)不同齡期混凝土的抗?jié)B恢復(fù)率的影響.從圖3中可以看出，當(dāng)NNC濃度為0%、1%和2%時(shí)，混凝土的抗?jié)B恢復(fù)率隨著齡期的延長(zhǎng)而增大；當(dāng)NNC溶液濃度為3%時(shí)，混凝土的抗?jié)B恢復(fù)率隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)先增大后降低，在28 d時(shí)抗?jié)B恢復(fù)率達(dá)到最大值，在28 d之后，隨著NNC溶液濃度的增加，恢復(fù)率出現(xiàn)降低，且濃度越大，恢復(fù)率降低越快.當(dāng)NNC溶液濃度達(dá)到4%時(shí)，混凝土抗?jié)B恢復(fù)率在14 d已達(dá)到最大值，之后隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)下降.

圖3 不同濃度NNC溶液加壓注入的混凝土抗?jié)B壓力恢復(fù)率Fig.3 Recovery rate of impermeable pressure of concrete injected with different concentrations of NNC solution under pressure

2.3 NNC對(duì)混凝土自修復(fù)機(jī)理分析

NNC能夠促進(jìn)混凝土裂縫自修復(fù)，提高混凝土抗?jié)B性能可以從兩方面進(jìn)行考慮，一方面是混凝土試樣本身內(nèi)部存在大量未水化的水泥顆粒，當(dāng)預(yù)制裂縫后，在加壓注入水或者浸泡在水中，這些未水化的水泥顆粒遇到水會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)生成新的水化產(chǎn)物，從而填充、堵塞了裂縫［16-19］，提高了混凝土的抗?jié)B壓力；另一方面是制備的NNC溶液能夠通過(guò)裂縫滲入到混凝土內(nèi)部，NNC可以和混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生二次反應(yīng)，且加快反應(yīng)的進(jìn)行，促進(jìn)反應(yīng)物的生產(chǎn)，從而形成新的水化產(chǎn)物填充裂縫，使得混凝土裂縫愈合.但是，對(duì)比不同濃度NNC條件下自修復(fù)混凝土的抗?jié)B壓力恢復(fù)率可以看出，當(dāng)NNC濃度過(guò)高時(shí)反應(yīng)加快，所以會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)填充裂縫，提高其抗?jié)B壓力恢復(fù)率，所以當(dāng)濃度達(dá)到3%以上時(shí)，混凝土抗?jié)B壓力恢復(fù)率在14 d就達(dá)到了最大值.但是，由于NNC濃度過(guò)高，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，裂縫中的反應(yīng)物增多，體積進(jìn)一步膨脹，造成混凝土體積非均質(zhì)膨脹而產(chǎn)生結(jié)晶壓力.當(dāng)壓力超過(guò)混凝土自身抗拉強(qiáng)度時(shí)，愈合的裂縫會(huì)發(fā)生二次開裂，從而造成混凝土抗?jié)B性能下降.在上述分析中可以看出，當(dāng)NNC濃度達(dá)到3%、4%時(shí)，無(wú)論采取哪種方式修復(fù)混凝土裂縫，其抗?jié)B壓力恢復(fù)率在28 d之后均出現(xiàn)了下降，這就是自修復(fù)材料含量過(guò)高造成了混凝土裂縫的二次開裂.尤其是在高濃度NNC條件下采用浸泡法時(shí)，后期依然有大量NNC能夠滲入到混凝土裂縫中，加劇了混凝土裂縫的二次開裂，因此其60 d恢復(fù)率明顯低于加壓法.但是當(dāng)NNC濃度較低為1%時(shí)，裂縫中水化產(chǎn)物生成速率慢、生成量少，因此不會(huì)開裂，且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，裂縫中水化產(chǎn)物逐漸增多，抗?jié)B壓力恢復(fù)率逐漸增大.

另外，從上述兩種不同處理方式中可以得出結(jié)論，在摻入1%NNC溶液時(shí)，浸泡60 d的抗?jié)B壓力恢復(fù)率優(yōu)于直接壓力注入的方式；在摻入2%NNC溶液時(shí)，浸泡60 d的抗?jié)B壓力恢復(fù)率低于直接壓力注入的方式.這說(shuō)明當(dāng)壓力注入1%NNC時(shí)，不足以實(shí)現(xiàn)抗?jié)B壓力值的完全恢復(fù)，但是當(dāng)浸泡60 d時(shí)，NNC的含量已經(jīng)超過(guò)了裂縫恢復(fù)所需的量，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)充分考慮混凝土裂縫修復(fù)時(shí)可使用的處理方式、處理時(shí)間，以采取相應(yīng)的處理手段.

3 結(jié)論

以抗?jié)B壓力恢復(fù)率為評(píng)價(jià)指標(biāo)研究衣地酸二鈉、甲酸鈣和硅酸鈉等活性反應(yīng)物質(zhì)復(fù)合而成的混凝土自修復(fù)材料NNC對(duì)混凝土裂縫修復(fù)后抗?jié)B性能的影響.結(jié)果表明，混凝土摻入NNC溶液后，明顯提高了抗?jié)B壓力的恢復(fù)率；相同處理?xiàng)l件下，抗?jié)B壓力恢復(fù)時(shí)間隨著濃度的增加明顯縮短；當(dāng)NNC含量過(guò)高時(shí)，體積膨脹過(guò)大，產(chǎn)生結(jié)晶壓力，造成混凝土裂縫愈合后二次開裂.

采用浸泡法摻入NNC溶液時(shí)，最佳處理方式為：①摻入1%NNC時(shí)，處理時(shí)間為60 d；②摻入2%NNC時(shí)，處理時(shí)間為28 d.當(dāng)采用加壓注入裂縫的方式時(shí)，摻入2%NNC最佳.因此，使用NNC實(shí)現(xiàn)混凝土自修復(fù)時(shí)，需充分考慮修復(fù)時(shí)的處理方式、處理時(shí)間，采取相應(yīng)的處理手段.