摘 要:針對混凝土結(jié)構(gòu)的滲漏以及防水材料的老化,提出了一種滲透結(jié)晶自修復(fù)混凝土的方法。介紹了滲透結(jié)晶材料的性能及滲透結(jié)晶自修復(fù)混凝土的制備方法;通過試驗研究了滲透結(jié)晶材料的摻量對混凝土性能的影響,得到了其摻量合理的使用范圍;分別進(jìn)行了混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度回復(fù)率試驗和第2 次抗?jié)B試驗,根據(jù)滲透結(jié)晶材料的作用機(jī)理對試驗結(jié)果進(jìn)行了分析。試驗結(jié)果表明,滲透結(jié)晶混凝土具有較強(qiáng)的自修復(fù)能力。
關(guān)鍵詞:智能混凝土;滲透結(jié)晶;自修復(fù);修復(fù)能力
中圖分類號:TU502 + . 6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672 - 7029(2008) 01 - 0006 - 05
隨著人類社會的高度發(fā)展,現(xiàn)代建筑對混凝土材料提出了新的挑戰(zhàn),要求混凝土材料不僅要承重,還應(yīng)具有聲、光、電、磁、熱等功能,以適應(yīng)多功能和智能建筑的需要。自20 世紀(jì)90 年代中期,國內(nèi)外先后開展了功能型和智能型水泥基材料的研究,并取得了一些有價值的成果[1 ] ?！∪缦嗬^出現(xiàn)的水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料,水泥基磁性復(fù)合材料,能夠屏蔽磁場和電磁波的水泥基復(fù)合材料,材料應(yīng)力、應(yīng)變和損傷自檢測水泥基復(fù)合材料和溫度自測水泥基復(fù)合材料等。但是,如何使混凝土及其結(jié)構(gòu)能夠自動適應(yīng)環(huán)境,在受到損傷后自行愈合,以及對自修復(fù)混凝土的機(jī)理研究,目前只有美國、日本等少數(shù)國家處于實驗室探索階段[2 - 3 ] ,尚未取得具有實用意義的研究成果。三橋博三[4 ]以水玻璃、稀釋水玻璃和環(huán)氧樹脂等材料作為修復(fù)劑,將其注入空心玻璃纖維中并摻入混凝土材料中,研究了經(jīng)不同修復(fù)劑在開裂修復(fù)后,混凝土材料的強(qiáng)度回復(fù)率;沼尾達(dá)彌和福尺公夫?qū)ψ孕迯?fù)混凝土中不同的纖維摻量和不同的水灰比等性能對混凝土修復(fù)后產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究[5 ] ;D. Carolyn 在空心玻璃纖維內(nèi)注入縮醛高分子溶液作為修復(fù)膠粘劑,埋入混凝土中,使混凝土產(chǎn)生自修復(fù)效果。歐進(jìn)萍和匡亞川根據(jù)生物骨骼組織損傷愈合的原理,設(shè)計了一種內(nèi)置膠囊自修復(fù)混凝土,利用ANSYS 對修復(fù)膠囊進(jìn)行了有限元分析,確定了其合理的壁厚,通過試驗驗證了其自修復(fù)能力[6 ] 。
但是,這些修復(fù)方法都是將內(nèi)含高分子修復(fù)劑的修復(fù)容器預(yù)埋在混凝土中,當(dāng)混凝土開裂時,修復(fù)容器隨之破裂,修復(fù)劑流出,填充、修復(fù)裂縫。從混凝土自修復(fù)的發(fā)展和應(yīng)用看,尚有許多問題需要解決和完善。例如,高分子修復(fù)劑屬于有機(jī)材料,不耐久、容易老化;修復(fù)容器的制備復(fù)雜,與混凝土材料共同攪拌、振搗而破碎等。為此,本文作者針對混凝土結(jié)構(gòu)的滲漏以及防水材料的老化,探索一種主動激發(fā)自修復(fù)技術(shù):滲透結(jié)晶自修復(fù),在混凝土傳統(tǒng)組分中復(fù)合無機(jī)滲透結(jié)晶材料,通過其含有的特殊活性組分在混凝土內(nèi)部滲透和反應(yīng),生成一種不溶于水的硅酸鹽晶體填充、修復(fù)裂縫。
1 滲透結(jié)晶自修復(fù)混凝土的制備
1. 1 制備原理
滲透結(jié)晶自修復(fù)混凝土是在混凝土傳統(tǒng)組分中復(fù)合無機(jī)滲透結(jié)晶材料或在外部涂敷一層含滲透結(jié)晶材料的涂層,在潮濕條件或水中養(yǎng)護(hù)條件下,以水為載體,通過滲透作用,使?jié)B透結(jié)晶材料中的特殊活性化學(xué)物質(zhì)在混凝土微孔及毛細(xì)孔中傳輸,填充并形成不溶性的枝蔓狀結(jié)晶體;混凝土干燥時,該活性化學(xué)物質(zhì)處于休眠狀態(tài);一旦混凝土基體開裂,有水或潮氣浸入時,該活性化學(xué)物質(zhì)再次激活,催化、加速混凝土中未完全水化的水泥顆粒繼續(xù)水化,生成新的結(jié)晶物,對裂縫進(jìn)行自動填充、密封,實現(xiàn)自修復(fù)。
1. 2 滲透結(jié)晶材料的性能及其選擇
滲透結(jié)晶混凝土材料是一種由波特蘭水泥、極細(xì)的硅砂和多種特殊的活性化學(xué)物質(zhì)組成的灰色粉末狀無機(jī)材料,其壽命與混凝土的基本一致,抗老化能力較強(qiáng),并且無毒性,施工工藝簡便。滲透結(jié)晶混凝土材料自1942 年由德國化學(xué)家勞倫斯·杰遜(Lauritz Jensen) 發(fā)明以來,由于其抗?jié)B性能與自愈性能好,粘結(jié)力強(qiáng),防鋼筋銹蝕等特點,廣泛應(yīng)用于地下工程、水利工程蓄水池、污水處理等結(jié)構(gòu),獲得了良好的效果。本實驗所用的XYPEX(賽柏斯) 摻合劑是一種水泥基滲透結(jié)晶材料,采用加拿大XYPEX化學(xué)公司的專有技術(shù)由北京城榮防水材料有限公司生產(chǎn)。
2 混凝土的滲透結(jié)晶自修復(fù)試驗
2. 1 試驗方案
水泥基滲透結(jié)晶型材料其作用機(jī)理是“滲透結(jié)晶”、“堵塞內(nèi)部孔隙”、“封閉毛細(xì)孔道”,生成的結(jié)晶體與混凝土結(jié)為一體,從而增加混凝土的密實度,提高其強(qiáng)度和抗?jié)B能力。而這種物理化學(xué)反應(yīng)在整個使用過程中是持續(xù)進(jìn)行的,一旦混凝土表面與內(nèi)部出現(xiàn)微細(xì)裂紋與裂縫,材料中所含的活性化學(xué)物質(zhì)被水再次激活發(fā)生作用,修復(fù)裂縫。為了直觀表征滲透結(jié)晶混凝土的“自動愈合,修復(fù)裂縫”的能力,這里進(jìn)行壓縮、劈裂和滲透3 項試驗,分別測試其抗壓、抗拉強(qiáng)度的回復(fù)率和二次抗?jié)B壓力。
2. 2 壓縮試驗及抗壓強(qiáng)度的回復(fù)率
在混凝土材料中分別摻入水泥用量2 % ,4 %和6 %的XYPEX(賽柏斯) 摻合劑,與混凝土材料一起攪拌、振搗成型。壓縮試驗采用100 mm ×100mm×100 mm 立方體試件,試件澆注后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件(溫度為(20 ±1) ℃,相對濕度大于90 %) 下養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期,在MTS 剛性試驗機(jī)進(jìn)行試驗,如圖1 所示。試驗時由計算機(jī)自動控制設(shè)定的加載速率,初始階段加載速率為3 kN/ s ,當(dāng)載荷達(dá)到400kN時,采用等位移速度加載,其加載速率為0. 1mm/min。根據(jù)工程一般早期裂縫情況,試驗加力達(dá)到最大值時,繼續(xù)加載,直到試件表面上出現(xiàn)第一條可見裂縫,即刻停止。然后,將開裂后的試件重新置入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d ,使其恢復(fù),進(jìn)行第2 次壓縮試驗。記錄第1 次及第2 次試驗時的最大荷載,如表1 所示。第2 次壓縮荷載與第1 次壓縮荷載之比稱為修復(fù)能力。
從表1 可以看出,滲透結(jié)晶材料調(diào)動了水泥的積極性,顯著地提高了混凝土的性能,其中,XYPEX摻合劑的摻量為2 %的混凝土試件的強(qiáng)度較高,平均抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土試件提高13 %;第1 次壓縮試驗破壞后,重新置入養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d ,由于其“滲透結(jié)晶”,混凝土裂縫得到了修復(fù),同時其強(qiáng)度也有一定的恢復(fù),約為基準(zhǔn)混凝土28 d 的抗壓強(qiáng)度的103 %。與第1 次壓縮荷載相比較,摻量為2 %時,其修復(fù)能力為91 %;摻量為4 %其修復(fù)能力為94 %;摻量為6 %時,其修復(fù)能力為98 %;即摻量較大(適當(dāng)范圍) 時,其修復(fù)能力較強(qiáng)。
2. 3 劈拉試驗及抗拉強(qiáng)度的回復(fù)率
混凝土抗拉強(qiáng)度通過劈拉試驗來測定,采用150mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期,在MTS 剛性試驗機(jī)進(jìn)行壓縮試驗,如圖2 所示。試驗時劈裂面應(yīng)與試件成型面垂直,將試件放在試驗機(jī)下壓板的中心位置,在上、下壓板與試件之間墊以圓弧形墊條及墊層各1條,墊條應(yīng)與成型時的頂面垂直。試驗初始階段加載速率為200 N/ s ,當(dāng)載荷達(dá)到50 kN 時,采用等位移
速度加載,其加載速率為0. 05 mm/ min。試驗加力達(dá)到最大時,繼續(xù)加載,直到試件表面上出現(xiàn)第1 條可見裂縫,即刻停止。記錄試驗時的最大荷載,根據(jù)劈裂抗拉強(qiáng)度公式計算其抗拉強(qiáng)度(見表2) ,其計算公式為:
式中: f ts 為混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度; P 為破壞荷載; A為試件劈裂面面積。
將出現(xiàn)裂縫的試件重新置入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)(裂縫面水平放置,利用試件部分自重, 使裂縫面貼在一起) 至28 d 使其修復(fù),在試驗機(jī)上進(jìn)行第2 次試驗,記錄第2 次荷載并計算其相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度(如表2所示) 。試驗中試件第1 次劈裂稱為一次劈裂;修復(fù)后重新劈裂稱為二次劈裂;二次劈裂荷載與一次劈裂荷載之比為修復(fù)能力。
從表2 可以看出,滲透結(jié)晶材料的摻入,使混凝土的抗拉強(qiáng)度得到顯著提高,其中,XYPEX 摻合劑摻量為2 % 的混凝土試件的平均抗拉強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土試件提高11 %;但摻量過多時,其強(qiáng)度略微有所下降。第1 次劈裂試驗產(chǎn)生裂縫以后,繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d ,混凝土強(qiáng)度得到一定的恢復(fù),約為基準(zhǔn)混凝土養(yǎng)護(hù)28 d 時抗拉強(qiáng)度的59 %～ 67 %;與第1次劈裂荷載相比較,摻量為2 % 時,其修復(fù)能力為60 %;摻量為4 % 其修復(fù)能力為62 %; 摻量為6 %時,其修復(fù)能力為67 %。隨著XYPEX摻量的適當(dāng)增加,其修復(fù)能力隨之增大。
2. 4 滲透試驗及二次抗?jié)B壓力
試驗使用頂面直徑為175 mm,底面直徑為185mm,高度為150 mm的圓臺體試件,每組6個試件。將試件置入養(yǎng)護(hù)室,養(yǎng)護(hù)至齡期,在天津市建筑儀器設(shè)備廠生產(chǎn)的HP - 40 自動加壓混凝土滲透儀上進(jìn)行試驗。用逐級加壓法測定混凝土的抗?jié)B標(biāo)號。試驗時,水壓從0. 1MPa 開始,以后每隔8 h增加水壓0. 1MPa ,并記錄試件端面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象時的水壓(如表3 所示) 。
混凝土的抗?jié)B標(biāo)號以每組6 個試件中4 個試件未出現(xiàn)滲水時的最大水壓力計算,其計算公式為S = 10 H - 1。(2)式中: S 為抗?jié)B標(biāo)號; H為6 個試件中3 個滲水時的水壓力(MPa)將第1 次抗?jié)B試件進(jìn)行到全部滲水,脫模后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)到28 d ,再進(jìn)行第2 次抗?jié)B試驗,到第3 個試件端面出現(xiàn)透水現(xiàn)象時為止,記錄此時的壓力減去0. 1 MPa 后即為二次抗?jié)B壓力(如表3 所示) 。
從表3 可以看出,水泥基滲透結(jié)晶材料顯著地提高了混凝土的抗?jié)B能力,基準(zhǔn)混凝土養(yǎng)護(hù)28 d的抗?jié)B壓力為1. 3 MPa ,而XYPEX 摻量為2 %的混凝土試件,其抗?jié)B力高達(dá)1. 7 MPa ,摻量為4 %的試件其抗?jié)B壓力為1. 4 MPa ;隨著摻量的增加,其抗?jié)B壓力略有所降低。第1 次抗?jié)B試驗破壞后,繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d ,由于其“滲透結(jié)晶”,使第1 次抗?jié)B試驗產(chǎn)生的裂縫自動修復(fù),所以,第2 次抗?jié)B試驗時,仍能承受較高的抗?jié)B壓力,相當(dāng)于其28 d 抗?jié)B壓力的88 %～92 %;其中,摻量為2 %的試件其第2 次抗?jié)B壓力為1. 5 MPa ,大約為基準(zhǔn)混凝土28 d 的抗?jié)B壓力的1. 2 倍。
3 試驗結(jié)果機(jī)理分析
混凝土是一種由水泥、砂、石和水等按一定比例拌合,并在一定條件下硬化而成的多孔性非均質(zhì)復(fù)合材料。摻有水泥基滲透結(jié)晶材料的混凝土中存在如圖3 所示的反應(yīng)循環(huán)。水泥基滲透結(jié)晶材料是一種含有特殊的活性物質(zhì)的無機(jī)材料,其中的活性物質(zhì)是一種催化劑,它是一種鈣的絡(luò)合物(Ca= CAT - L) ,絡(luò)合物中的陽離子(Ca2 + ) 與混凝土中的陰離子(SiO32 - ) 結(jié)合生成不溶于水的CaSiO3(nH2O) 結(jié)晶體,存在與混凝土的孔隙中。由于Ca= CAT - L 顆粒非常細(xì)小(10 - 10 m 級) ,它在較低濃度下(0. 01 ×10 - 6) 即可起作用,使Ca2 + 與混凝土中的SiO32 - 結(jié)合極易發(fā)生。絡(luò)合物在分解出Ca2 + 后, 剩下的陰離子(CAT - L) 2 - 擴(kuò)散到由于Ca (OH) 2等因素形成的高濃度Ca2 + 區(qū),再次發(fā)生反應(yīng)形成鈣的絡(luò)合物(Ca = CAT - L) ,如此循環(huán)反應(yīng)、增生的CaSiO3 (nH2O) 結(jié)晶體,充滿混凝土的微孔及毛細(xì)管道,有效地增加混凝土密實度,從整體上提高混凝土的抗?jié)B、耐久性能,增加混凝土強(qiáng)度。
圖4 所示為試件的掃描電鏡照片,從圖4 (a) 所示普通混凝土試件中可以看到大量的立方板狀Ca(OH) 2 晶體,而在圖(b) 所示為摻有XYPEX 摻合劑的試件中,結(jié)構(gòu)更加致密,能見到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
硬化后的混凝土,由晶體、膠體、未完全水化的水泥顆粒、游離水分及氣孔組成的結(jié)構(gòu)體,水泥和水拌合后開始水化。水泥顆粒具有一定的粒度組成,粒徑大于10μm 的水泥粒子約占水泥質(zhì)量的50 % ,大于50 μm 的約占10 % ,最大粒徑可達(dá)100μm。水化反應(yīng)由顆粒表面逐漸深入到內(nèi)部,小顆粒很快完全水化,大顆粒由于水化硅酸鈣的包裹作用,水分進(jìn)入越來越困難,水化作用也越來越慢[7 ] 。
F.M. Lea 的研究表明,水泥粒子9 個月的水化深度為5～9μm ,即使長期養(yǎng)護(hù),混凝土中也存在著較大比例的未水化水泥顆粒[8 ] 。因此,一旦裂縫出現(xiàn),裂縫面上必然暴露未水化的水泥顆粒,水分通過裂縫和周圍孔隙滲入,水泥基滲透結(jié)晶材料的活性物質(zhì)再度激活,催化并加快未水化水泥顆粒繼續(xù)水化,水化產(chǎn)物則逐漸填滿裂縫面,修復(fù)裂縫,使混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B能力逐漸得以恢復(fù)。
4 結(jié) 論
(1) 在混凝土中摻入水泥基滲透結(jié)晶材料能夠增加混凝土的密實度,提高了混凝土的性能。其中XYPEX摻合劑摻量為2 %的混凝土試件的平均抗壓強(qiáng)度提高13 % ,抗拉強(qiáng)度提高11 % ,抗?jié)B壓力提高31 %;隨著摻量的增加,其強(qiáng)度和抗?jié)B性能有所降低。
(2) 滲透結(jié)晶混凝土開裂后,在一定養(yǎng)護(hù)條件下,其性能能夠得到較好的恢復(fù)。XYPEX 摻合劑摻量為2 %的試件,其抗壓強(qiáng)度的回復(fù)率為91 % ,約為基準(zhǔn)混凝土28 d 的抗壓強(qiáng)度的103 %;抗拉強(qiáng)度回復(fù)率為60 % ,約為基準(zhǔn)混凝土28 d 的抗拉強(qiáng)度的56. 7 %;第2 次滲透壓力為第1 次抗?jié)B壓力的88 % ,大約為基準(zhǔn)混凝土28 d 的抗?jié)B壓力的1. 2倍。在一定范圍內(nèi),隨著摻量適當(dāng)增加,其修復(fù)能力隨之增大。
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