滲透結晶材料修復水工混凝土裂縫的作用機理研究

齊士強

(盤錦市水利事務服務中心,遼寧 盤錦 124000)

混凝土內部含有大量裂縫和孔隙,這些微觀的缺陷既會影響早期強度發展,還會成為后其的滲水通道,導致剝落劣化。混凝土內部孔隙分布、大小、數量、連通性、微損傷等特性在一定程度上影響著混凝土力學和抗離子侵蝕性能,不利荷載下裂縫貫通擴散還會降低混凝土耐久性。另外,由于粗、細集料的天然缺陷是形成裂縫和孔隙的內在因素,所以一般很難克服[1]。

滲透結晶是一種防水性能優異的新型材料,由于能夠改善水泥基體的滲透性越來越引起廣大學者的關注[2-4]。唐孟雄等認為將滲透結晶涂在混凝土表面具有很好的防水效果,通過改善滲透性能可增強基體的抗侵蝕能力和耐久性,在實際工程中的應用前景非常廣闊;陳曉雨等對比分析了滲透結晶、礦物摻合料復摻和單摻條件下的混凝土抗侵蝕性能變化規律,結果顯示復摻條件下的耐久性更優;王可良等通過抗滲壓力與抗壓強度試驗,探究了滲透結晶對裂縫自修復能力的影響,結果表明滲透結晶的水化產物能夠填充基體內部宏觀孔隙及毛細孔,通過裂縫修復增強混凝土的強度和整體抗滲性;Ferrara等試驗分析了滲透結晶、外加劑對纖維增強混凝土自愈能力和力學性能的影響,結果顯示摻結晶混凝土的裂縫愈合及強度發展速度較快,有利于提高結構實體質量[5-8]。通過載體滲透結晶中的活性物質逐漸遷移至基體內部形成結晶,堵塞內部宏觀空隙,改善其防水性和致密性,現已被廣泛應用于大壩、隨帶、地鐵等工程領域,其社會及經濟效益顯著[9]。雖然實際工程中的應用較多,但對滲透結晶能夠修復的裂縫寬度尚不統一。據此,文章利用SEM掃描電鏡探討了滲透結晶的裂縫修復機理,通過降低內部微結構受不利因素作用,有效改善混凝土內部缺陷和耐久性能,為裂縫修復技術研究提供一定參考。

1 試驗方法

1.1 制備滲透結晶材料

1)制備原理。混凝土中通常含有約25%的活性物質,這些物質在特定情況下能夠繼續反應形成結晶。如果對這些物質采取一定的反應機制生成能夠填充裂縫與孔隙的晶體則可以實現自修復。因此,考慮制備一種水溶性化合物,在混凝土內部裂縫與孔隙中該化合物可以隨水遷移滲透,遇到活性物質可以轉化成硅酸鈣結晶體,對裂縫和孔隙起到堵塞作用,從而達到自修復效果。在反應轉換后,該活性化合物能夠恢復至原態參與下一次反應。

2)制備過程。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%的可溶性有機小分子物質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:盤錦金潤水泥有限責任公司生產的P·O42.5硅酸鹽水泥,初、終凝時間150min和280min,比表面積390m2/kg,其化學成分為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、細集料:大連建材廠提供的粒徑5～31.5mm碎石和Ⅱ區中砂,經檢測碎石針片狀含量5%,有機質含量和堅固性符合規范要求,砂的孔隙率38%,吸水率0.5%,堆積密度1610kg/m3,細度模數2.7;滲透結晶:按上述具體思路和過程自制材料,細度0.06mm,受檢砂漿的28d收縮率比100%,拌和水用當地自來水。配合比設計見表1。

表1 試驗配合比

1.3 制備抗滲試件

在抗滲試件成型過程中,從上到下沿圓臺中心預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,將摻滲透結晶的水泥漿沿裂縫緩慢灌入,靜置24d后拆模移入標養室養護,其中水泥漿的配制比例為水∶水泥∶滲透結晶=4∶10∶0.25。

1.4 測試方法

參照《水工混凝土試驗規程》中的方法測定試件的抗滲性能,具體流程如下:首先將砂、石骨料倒入強制攪拌機干拌60→加入滲透結晶、水泥干拌60s→加水濕拌180s→拌合均勻后裝模,移到振動臺振動30s→養護室標養24h拆模成型;然后取出標養至規定齡期的試件,待表面風干后用石蠟密封,每組6個試件;試驗設定初始測試水壓為0.1MPa,逐級加壓0.1MPa,每次加壓后維持1h,若未發現滲水現象則繼續增大壓力,直到有兩個試件出現滲水,該條件對應的數值就是抗滲壓力。所有試件均出現滲水現象后,在原環境中繼續養護該組試件至相同天數,按照以上流程測定二次抗滲性能。通過以上測試,可以評定滲透結晶的修復效果以及在重新養護條件下被擊穿試件的抗滲防水能力恢復程度。

2 結果與分析

2.1 抗滲性能試驗

試驗測定標養28d時各組試件的抗滲性能,測試結果如表2。

表2 不同裂縫混凝土的抗滲壓力

由表2可知,將摻滲透結晶的水泥漿灌入人為制造≤1.0mm的裂縫中,無裂縫與0.5mm、1.0mm裂縫的第一次、第二抗滲壓力保持一致;對于1.5mm和2.0mm的大裂縫,其第一次抗滲壓力明顯減少分別為0.3MPa和0.2MPa,遠遠<無裂縫情況。所以,寬度≤1.0mm時的修復效果較好。

研究認為,滲透結晶可以均勻分散到混凝土的表面和內部,養護過程中表面的結晶能夠形成沉淀,從而起到一定的防水效果;同時,經過內部的微裂縫、毛細孔等,環境水不斷向內部滲透,而未完全水化的水泥會與滲透結晶中的活性物質反應生成穩定的結晶體,對內部毛細孔道起到填充作用,從而抑制外界水體的滲透。因此,滲透結晶的摻入可以改善抗滲性能,均勻分布在試件內部和表面的沉淀晶體阻礙了環境水向內部的滲透,這在一定程度上也會改善其抗凍性能。

2.2 微觀結構試驗

界面與水泥漿修補后的結合程度直接決定了帶裂縫混凝土的抗滲性能,為更加客觀真實地反映混凝土裂縫修補后的抗滲性能,有必要利用SEM掃描電鏡測試分析微觀形貌。將摻滲透結晶的水泥漿灌入預制的不同寬度混凝土裂縫中,標養28d時觀察界面處的微觀形貌。

通過對比發現,寬度為1.0mm和0.5mm的預制裂縫混凝土與水泥漿間具有較高的界面結合程度,其致密程度和無裂縫時相差不大。對于寬1.5mm的預制裂縫,28d齡期時混凝土與水泥漿之間的結合程度較差,許多不規則空隙分布在界面結合處,使得基體的貫通性明顯增大,其抗滲性能低于1.0mm和0.5mm預制裂縫組。深入分析可知,裂縫較h小時水化產物Ca(OH)2會與滲透結晶反應,Ca(OH)2被消耗轉化成硅酸鈣,這種具有膠凝性的物質可以填充界面間的空隙,從而改善界面結構[10-12]。

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

3 結 論

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

2)通過增大滲透結晶摻量和延長齡期可能會修復更寬的混凝土裂縫,這是因為內部的Ca(OH)2可能會與滲透結晶生成更多的填充物,從而減少界面處空隙,改善界面結構和抗滲性能。