摘 要:針對混凝土結構的滲漏以及防水材料的老化,提出了一種滲透結晶自修復混凝土的方法。介紹了滲透結晶材料的性能及滲透結晶自修復混凝土的制備方法;通過試驗研究了滲透結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;分別進行了混凝土抗壓、抗拉強度回復率試驗和第2 次抗?jié)B試驗,根據(jù)滲透結晶材料的作用機理對試驗結果進行了分析。試驗結果表明,滲透結晶混凝土具有較強的自修復能力。
關鍵詞:智能混凝土;滲透結晶;自修復;修復能力
中圖分類號:TU502 + . 6 文獻標識碼: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,還應具有聲、光、電、磁、熱等功能,以適應多功能和智能建筑的需要。自20 世紀90 年代中期,國內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 ] 。 如相繼出現(xiàn)的水泥基導電復合材料,水泥基磁性復合材料,能夠屏蔽磁場和電磁波的水泥基復合材料,材料應力、應變和損傷自檢測水泥基復合材料和溫度自測水泥基復合材料等。但是,如何使混凝土及其結構能夠自動適應環(huán)境,在受到損傷后自行愈合,以及對自修復混凝土的機理研究,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)不同修復劑在開裂修復后,混凝土材料的強度回復率;沼尾達彌和福尺公夫對自修復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后產生的影響進行了研究[5 ] ;D. Carolyn 在空心玻璃纖維內注入縮醛高分子溶液作為修復膠粘劑,埋入混凝土中,使混凝土產生自修復效果。歐進萍和匡亞川根據(jù)生物骨骼組織損傷愈合的原理,設計了一種內置膠囊自修復混凝土,利用ANSYS 對修復膠囊進行了有限元分析,確定了其合理的壁厚,通過試驗驗證了其自修復能力[6 ] 。
但是,這些修復方法都是將內含高分子修復劑的修復容器預埋在混凝土中,當混凝土開裂時,修復容器隨之破裂,修復劑流出,填充、修復裂縫。從混凝土自修復的發(fā)展和應用看,尚有許多問題需要解決和完善。例如,高分子修復劑屬于有機材料,不耐久、容易老化;修復容器的制備復雜,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構的滲漏以及防水材料的老化,探索一種主動激發(fā)自修復技術:滲透結晶自修復,在混凝土傳統(tǒng)組分中復合無機滲透結晶材料,通過其含有的特殊活性組分在混凝土內部滲透和反應,生成一種不溶于水的硅酸鹽晶體填充、修復裂縫。
1 滲透結晶自修復混凝土的制備
1. 1 制備原理
滲透結晶自修復混凝土是在混凝土傳統(tǒng)組分中復合無機滲透結晶材料或在外部涂敷一層含滲透結晶材料的涂層,在潮濕條件或水中養(yǎng)護條件下,以水為載體,通過滲透作用,使?jié)B透結晶材料中的特殊活性化學物質在混凝土微孔及毛細孔中傳輸,填充并形成不溶性的枝蔓狀結晶體;混凝土干燥時,該活性化學物質處于休眠狀態(tài);一旦混凝土基體開裂,有水或潮氣浸入時,該活性化學物質再次激活,催化、加速混凝土中未完全水化的水泥顆粒繼續(xù)水化,生成新的結晶物,對裂縫進行自動填充、密封,實現(xiàn)自修復。
1. 2 滲透結晶材料的性能及其選擇
滲透結晶混凝土材料是一種由波特蘭水泥、極細的硅砂和多種特殊的活性化學物質組成的灰色粉末狀無機材料,其壽命與混凝土的基本一致,抗老化能力較強,并且無毒性,施工工藝簡便。滲透結晶混凝土材料自1942 年由德國化學家勞倫斯·杰遜(Lauritz Jensen) 發(fā)明以來,由于其抗?jié)B性能與自愈性能好,粘結力強,防鋼筋銹蝕等特點,廣泛應用于地下工程、水利工程蓄水池、污水處理等結構,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晶材料,采用加拿大XYPEX化學公司的專有技術由北京城榮防水材料有限公司生產。
2 混凝土的滲透結晶自修復試驗
2. 1 試驗方案
水泥基滲透結晶型材料其作用機理是“滲透結晶”、“堵塞內部孔隙”、“封閉毛細孔道”,生成的結晶體與混凝土結為一體,從而增加混凝土的密實度,提高其強度和抗?jié)B能力。而這種物理化學反應在整個使用過程中是持續(xù)進行的,一旦混凝土表面與內部出現(xiàn)微細裂紋與裂縫,材料中所含的活性化學物質被水再次激活發(fā)生作用,修復裂縫。為了直觀表征滲透結晶混凝土的“自動愈合,修復裂縫”的能力,這里進行壓縮、劈裂和滲透3 項試驗,分別測試其抗壓、抗拉強度的回復率和二次抗?jié)B壓力。
2. 2 壓縮試驗及抗壓強度的回復率
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,試件澆注后在標準養(yǎng)護條件(溫度為(20 ±1) ℃,相對濕度大于90 %) 下養(yǎng)護至28 d 齡期,在MTS 剛性試驗機進行試驗,如圖1 所示。試驗時由計算機自動控制設定的加載速率,初始階段加載速率為3 kN/ s ,當載荷達到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)護室養(yǎng)護28 d ,使其恢復,進行第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能力。
從表1 可以看出,滲透結晶材料調動了水泥的積極性,顯著地提高了混凝土的性能,其中,XYPEX摻合劑的摻量為2 %的混凝土試件的強度較高,平均抗壓強度比基準混凝土試件提高13 %;第1 次壓縮試驗破壞后,重新置入養(yǎng)護室中養(yǎng)護28 d ,由于其“滲透結晶”,混凝土裂縫得到了修復,同時其強度也有一定的恢復,約為基準混凝土28 d 的抗壓強度的103 %。與第1 次壓縮荷載相比較,摻量為2 %時,其修復能力為91 %;摻量為4 %其修復能力為94 %;摻量為6 %時,其修復能力為98 %;即摻量較大(適當范圍) 時,其修復能力較強。
2. 3 劈拉試驗及抗拉強度的回復率
混凝土抗拉強度通過劈拉試驗來測定,采用150mm×150 mm×150 mm標準立方體試件,在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至28 d 齡期,在MTS 剛性試驗機進行壓縮試驗,如圖2 所示。試驗時劈裂面應與試件成型面垂直,將試件放在試驗機下壓板的中心位置,在上、下壓板與試件之間墊以圓弧形墊條及墊層各1條,墊條應與成型時的頂面垂直。試驗初始階段加載速率為200 N/ s ,當載荷達到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)劈裂抗拉強度公式計算其抗拉強度(見表2) ,其計算公式為:
式中: f ts 為混凝土劈裂抗拉強度; 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)護室養(yǎng)護(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,在試驗機上進行第2 次試驗,記錄第2 次荷載并計算其相應的抗拉強度(如表2所示) 。試驗中試件第1 次劈裂稱為一次劈裂;修復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能力。
從表2 可以看出,滲透結晶材料的摻入,使混凝土的抗拉強度得到顯著提高,其中,XYPEX 摻合劑摻量為2 % 的混凝土試件的平均抗拉強度比基準混凝土試件提高11 %;但摻量過多時,其強度略微有所下降。第1 次劈裂試驗產生裂縫以后,繼續(xù)養(yǎng)護28 d ,混凝土強度得到一定的恢復,約為基準混凝土養(yǎng)護28 d 時抗拉強度的59 %～ 67 %;與第1次劈裂荷載相比較,摻量為2 % 時,其修復能力為60 %;摻量為4 % 其修復能力為62 %; 摻量為6 %時,其修復能力為67 %。隨著XYPEX摻量的適當增加,其修復能力隨之增大。
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)護室,養(yǎng)護至齡期,在天津市建筑儀器設備廠生產的HP - 40 自動加壓混凝土滲透儀上進行試驗。用逐級加壓法測定混凝土的抗?jié)B標號。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試件進行到全部滲水,脫模后繼續(xù)養(yǎng)護到28 d ,再進行第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,水泥基滲透結晶材料顯著地提高了混凝土的抗?jié)B能力,基準混凝土養(yǎng)護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28 d ,由于其“滲透結晶”,使第1 次抗?jié)B試驗產生的裂縫自動修復,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 ,大約為基準混凝土28 d 的抗?jié)B壓力的1. 2 倍。
3 試驗結果機理分析
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復合材料。摻有水泥基滲透結晶材料的混凝土中存在如圖3 所示的反應循環(huán)。水泥基滲透結晶材料是一種含有特殊的活性物質的無機材料,其中的活性物質是一種催化劑,它是一種鈣的絡合物(Ca= CAT - L) ,絡合物中的陽離子(Ca2 + ) 與混凝土中的陰離子(SiO32 - ) 結合生成不溶于水的CaSiO3(nH2O) 結晶體,存在與混凝土的孔隙中。由于Ca= CAT - L 顆粒非常細小(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 - 結合極易發(fā)生。絡合物在分解出Ca2 + 后, 剩下的陰離子(CAT - L) 2 - 擴散到由于Ca (OH) 2等因素形成的高濃度Ca2 + 區(qū),再次發(fā)生反應形成鈣的絡合物(Ca = CAT - L) ,如此循環(huán)反應、增生的CaSiO3 (nH2O) 結晶體,充滿混凝土的微孔及毛細管道,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,結構更加致密,能見到網(wǎng)狀結構。
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構體,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量的50 % ,大于50 μm 的約占10 % ,最大粒徑可達100μm。水化反應由顆粒表面逐漸深入到內部,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,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,水泥基滲透結晶材料的活性物質再度激活,催化并加快未水化水泥顆粒繼續(xù)水化,水化產物則逐漸填滿裂縫面,修復裂縫,使混凝土強度和抗?jié)B能力逐漸得以恢復。
4 結 論
(1) 在混凝土中摻入水泥基滲透結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度提高13 % ,抗拉強度提高11 % ,抗?jié)B壓力提高31 %;隨著摻量的增加,其強度和抗?jié)B性能有所降低。
(2) 滲透結晶混凝土開裂后,在一定養(yǎng)護條件下,其性能能夠得到較好的恢復。XYPEX 摻合劑摻量為2 %的試件,其抗壓強度的回復率為91 % ,約為基準混凝土28 d 的抗壓強度的103 %;抗拉強度回復率為60 % ,約為基準混凝土28 d 的抗拉強度的56. 7 %;第2 次滲透壓力為第1 次抗?jié)B壓力的88 % ,大約為基準混凝土28 d 的抗?jié)B壓力的1. 2倍。在一定范圍內,隨著摻量適當增加,其修復能力隨之增大。
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