摘 要:針對(duì)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(guò)試驗(yàn)研究了滲透結(jié)晶材料的摻量對(duì)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(yàn)和第2 次抗?jié)B試驗(yàn),根據(jù)滲透結(jié)晶材料的作用機(jī)理對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。試驗(yàn)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(hào):TU502 + . 6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672 - 7029(2008) 01 - 0006 - 05
隨著人類社會(huì)的高度發(fā)展,現(xiàn)代建筑對(duì)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(guó)內(nèi)外先后開(kāi)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(jià)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(chǎng)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(cè)水泥基復(fù)合材料和溫度自測(cè)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(dòng)適應(yīng)環(huán)境,在受到損傷后自行愈合,以及對(duì)自修復(fù)混凝土的機(jī)理研究,目前只有美國(guó)、日本等少數(shù)國(guó)家處于實(shí)驗(yàn)室探索階段[2 - 3 ] ,尚未取得具有實(shí)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(shù)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(kāi)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(duì)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(jì)了一種內(nèi)置膠囊自修復(fù)混凝土,利用ANSYS 對(duì)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(guò)試驗(yàn)驗(yàn)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(kāi)裂時(shí),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(wèn)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(duì)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(dòng)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(wú)機(jī)滲透結(jié)晶材料,通過(guò)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(wú)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(guò)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(shí),該活性化學(xué)物質(zhì)處于休眠狀態(tài);一旦混凝土基體開(kāi)裂,有水或潮氣浸入時(shí),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(duì)裂縫進(jìn)行自動(dòng)填充、密封,實(shí)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(wú)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(wú)毒性,施工工藝簡(jiǎn)便。滲透結(jié)晶混凝土材料自1942 年由德國(guó)化學(xué)家勞倫斯·杰遜(Lauritz Jensen) 發(fā)明以來(lái),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(diǎn),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(shí)驗(yàn)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(yàn)
2. 1 試驗(yàn)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(shí)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(gè)使用過(guò)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(dòng)愈合,修復(fù)裂縫”的能力,這里進(jìn)行壓縮、劈裂和滲透3 項(xiàng)試驗(yàn),分別測(cè)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(yàn)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(yàn)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(duì)濕度大于90 %) 下養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期,在MTS 剛性試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),如圖1 所示。試驗(yàn)時(shí)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(shí),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(yàn)加力達(dá)到最大值時(shí),繼續(xù)加載,直到試件表面上出現(xiàn)第一條可見(jiàn)裂縫,即刻停止。然后,將開(kāi)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(yàn)。記錄第1 次及第2 次試驗(yàn)時(shí)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(dòng)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(yàn)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(shí)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(shí),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(shí),其修復(fù)能力為98 %;即摻量較大(適當(dāng)范圍) 時(shí),其修復(fù)能力較強(qiáng)。
2. 3 劈拉試驗(yàn)及抗拉強(qiáng)度的回復(fù)率
混凝土抗拉強(qiáng)度通過(guò)劈拉試驗(yàn)來(lái)測(cè)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(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn),如圖2 所示。試驗(yàn)時(shí)劈裂面應(yīng)與試件成型面垂直,將試件放在試驗(yàn)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(shí)的頂面垂直。試驗(yàn)初始階段加載速率為200 N/ s ,當(dāng)載荷達(dá)到50 kN 時(shí),采用等位移
速度加載,其加載速率為0. 05 mm/ min。試驗(yàn)加力達(dá)到最大時(shí),繼續(xù)加載,直到試件表面上出現(xiàn)第1 條可見(jiàn)裂縫,即刻停止。記錄試驗(yàn)時(shí)的最大荷載,根據(jù)劈裂抗拉強(qiáng)度公式計(jì)算其抗拉強(qiáng)度(見(jiàn)表2) ,其計(jì)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(yàn)機(jī)上進(jìn)行第2 次試驗(yàn),記錄第2 次荷載并計(jì)算其相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度(如表2所示) 。試驗(yàn)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(guò)多時(shí),其強(qiáng)度略微有所下降。第1 次劈裂試驗(yàn)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(shí)抗拉強(qiáng)度的59 %～ 67 %;與第1次劈裂荷載相比較,摻量為2 % 時(shí),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(shí),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(yàn)及二次抗?jié)B壓力
試驗(yàn)使用頂面直徑為175 mm,底面直徑為185mm,高度為150 mm的圓臺(tái)體試件,每組6個(gè)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(dòng)加壓混凝土滲透儀上進(jìn)行試驗(yàn)。用逐級(jí)加壓法測(cè)定混凝土的抗?jié)B標(biāo)號(hào)。試驗(yàn)時(shí),水壓從0. 1MPa 開(kāi)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(shí)的水壓(如表3 所示) 。
混凝土的抗?jié)B標(biāo)號(hào)以每組6 個(gè)試件中4 個(gè)試件未出現(xiàn)滲水時(shí)的最大水壓力計(jì)算,其計(jì)算公式為S = 10 H - 1。(2)式中: S 為抗?jié)B標(biāo)號(hào); H為6 個(gè)試件中3 個(gè)滲水時(shí)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(yàn),到第3 個(gè)試件端面出現(xiàn)透水現(xiàn)象時(shí)為止,記錄此時(shí)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(yàn)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(yàn)產(chǎn)生的裂縫自動(dòng)修復(fù),所以,第2 次抗?jié)B試驗(yàn)時(shí),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(yàn)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(wú)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(yáng)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(jí)) ,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(shí)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(jiàn)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(kāi)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(lái)越困難,水化作用也越來(lái)越慢[7 ] 。
F.M. Lea 的研究表明,水泥粒子9 個(gè)月的水化深度為5～9μm ,即使長(zhǎng)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(guò)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(shí)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(kāi)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。
參考文獻(xiàn):
[1 ] 吳人潔,馮春祥,杜善義,等. 復(fù)合材料[M] . 天津:天津大學(xué)出版社,2000 : 214 - 221.
WU Ren2jie , FENG Chun2xiang , DU Shan2yi , et al. Com2posite materials[M] . Tianjin : Tianjin University Press , 2000 :214 - 221.
[2 ] Carolyn D. Adhesive liquid core optical fibers for crack detec2tion and repairs in polymer and concrete matrices. Proceedingof SPIE [J ] . 1995 , 244 : 410 - 413.
[3 ] Carolyn D. Three - part methylmethacrylate adhesive systemas an internal delivery system for smart responsive concrete[J ] . Smart Materials and Structures ,1996 , 5(3) : 297 - 300.
[4 ] 三橋博三. 強(qiáng)度の自己修復(fù)機(jī)能を有すゐ. ¦ り¥. ¨ . り- ¨ の開(kāi)發(fā)關(guān)すゐ基礎(chǔ)的, . Ó り- ¨工學(xué)年次論文報(bào)告集[R] . 2000 ,11(2) :683 - 684.
[5 ] 沼尾達(dá)彌,福尺公夫. 補(bǔ)修劑對(duì)入による自己修復(fù)機(jī)能付加に關(guān)する基礎(chǔ)的研究[C] ∥. Ó り- ¨工學(xué)年次論文報(bào)告集. 1999 ,21(1) :145 - 150.
[6 ] 歐進(jìn)萍,匡亞川. 內(nèi)置膠囊混凝土的裂縫自愈合行為分析和試驗(yàn)[J ] . 固體力學(xué)學(xué)報(bào),2005 ,25(3) :320 - 324.OU Jin2ping , KUANG Ya2chuan. Experiments and analysis ofconcrete material with crack self - repairing performance usingembedded capsules filled with adhesive [J ] . Acta MechanicaSolida Sinica , 2005 ,25(3) :320 - 324.
[7 ] Lea F M. The chemistry cement and concrete [M] . 3rd ed.Beijing :Chemical Publishing Co ,1997 : 124 - 126.
[8 ] 申愛(ài)琴. 水泥與水泥混凝土[M] . 北京:人民交通出版社,2000 ,87 - 88.SHEN Ai2qin. Cement and cement based materials[M] . Bei2jing : China Communications Press ,2000 :87 - 88.
