摘 要:针对混凝土结构的渗漏以及防水材料的老化,提出了一种渗透结晶自修复混凝土的方法。介绍了渗透结晶材料的性能及渗透结晶自修复混凝土的制备方法;通过试验研究了渗透结晶材料的掺量对混凝土性能的影响,得到了其掺量合理的使用范围;分别进行了混凝土抗压、抗拉强度回复率试验和第2 次抗渗试验,根据渗透结晶材料的作用机理对试验结果进行了分析。试验结果表明,渗透结晶混凝土具有较强的自修复能力。
关键词:智能混凝土;渗透结晶;自修复;修复能力
中图分类号:TU502 + . 6 文献标识码:A 文章编号:1672 - 7029(2008) 01 - 0006 - 05
随着人类社会的高度发展,现代建筑对混凝土材料提出了新的挑战,要求混凝土材料不仅要承重,还应具有声、光、电、磁、热等功能,以适应多功能和智能建筑的需要。自20 世纪90 年代中期,国内外先后开展了功能型和智能型水泥基材料的研究,并取得了一些有价值的成果[1 ] 。 如相继出现的水泥基导电复合材料,水泥基磁性复合材料,能够屏蔽磁场和电磁波的水泥基复合材料,材料应力、应变和损伤自检测水泥基复合材料和温度自测水泥基复合材料等。但是,如何使混凝土及其结构能够自动适应环境,在受到损伤后自行愈合,以及对自修复混凝土的机理研究,目前只有美国、日本等少数国家处于实验室探索阶段[2 - 3 ] ,尚未取得具有实用意义的研究成果。三桥博三[4 ]以水玻璃、稀释水玻璃和环氧树脂等材料作为修复剂,将其注入空心玻璃纤维中并掺入混凝土材料中,研究了经不同修复剂在开裂修复后,混凝土材料的强度回复率;沼尾达弥和福尺公夫对自修复混凝土中不同的纤维掺量和不同的水灰比等性能对混凝土修复后产生的影响进行了研究[5 ] ;D. Carolyn 在空心玻璃纤维内注入缩醛高分子溶液作为修复胶粘剂,埋入混凝土中,使混凝土产生自修复效果。欧进萍和匡亚川根据生物骨骼组织损伤愈合的原理,设计了一种内置胶囊自修复混凝土,利用ANSYS 对修复胶囊进行了有限元分析,确定了其合理的壁厚,通过试验验证了其自修复能力[6 ] 。
但是,这些修复方法都是将内含高分子修复剂的修复容器预埋在混凝土中,当混凝土开裂时,修复容器随之破裂,修复剂流出,填充、修复裂缝。从混凝土自修复的发展和应用看,尚有许多问题需要解决和完善。例如,高分子修复剂属于有机材料,不耐久、容易老化;修复容器的制备复杂,与混凝土材料共同搅拌、振捣而破碎等。为此,本文作者针对混凝土结构的渗漏以及防水材料的老化,探索一种主动激发自修复技术:渗透结晶自修复,在混凝土传统组分中复合无机渗透结晶材料,通过其含有的特殊活性组分在混凝土内部渗透和反应,生成一种不溶于水的硅酸盐晶体填充、修复裂缝。
1 渗透结晶自修复混凝土的制备
1. 1 制备原理
渗透结晶自修复混凝土是在混凝土传统组分中复合无机渗透结晶材料或在外部涂敷一层含渗透结晶材料的涂层,在潮湿条件或水中养护条件下,以水为载体,通过渗透作用,使渗透结晶材料中的特殊活性化学物质在混凝土微孔及毛细孔中传输,填充并形成不溶性的枝蔓状结晶体;混凝土干燥时,该活性化学物质处于休眠状态;一旦混凝土基体开裂,有水或潮气浸入时,该活性化学物质再次激活,催化、加速混凝土中未完全水化的水泥颗粒继续水化,生成新的结晶物,对裂缝进行自动填充、密封,实现自修复。
1. 2 渗透结晶材料的性能及其选择
渗透结晶混凝土材料是一种由波特兰水泥、极细的硅砂和多种特殊的活性化学物质组成的灰色粉末状无机材料,其寿命与混凝土的基本一致,抗老化能力较强,并且无毒性,施工工艺简便。渗透结晶混凝土材料自1942 年由德国化学家劳伦斯·杰逊(Lauritz Jensen) 发明以来,由于其抗渗性能与自愈性能好,粘结力强,防钢筋锈蚀等特点,广泛应用于地下工程、水利工程蓄水池、污水处理等结构,获得了良好的效果。本实验所用的XYPEX(赛柏斯) 掺合剂是一种水泥基渗透结晶材料,采用加拿大XYPEX化学公司的专有技术由北京城荣防水材料有限公司生产。
2 混凝土的渗透结晶自修复试验
2. 1 试验方案
水泥基渗透结晶型材料其作用机理是“渗透结晶”、“堵塞内部孔隙”、“封闭毛细孔道”,生成的结晶体与混凝土结为一体,从而增加混凝土的密实度,提高其强度和抗渗能力。而这种物理化学反应在整个使用过程中是持续进行的,一旦混凝土表面与内部出现微细裂纹与裂缝,材料中所含的活性化学物质被水再次激活发生作用,修复裂缝。为了直观表征渗透结晶混凝土的“自动愈合,修复裂缝”的能力,这里进行压缩、劈裂和渗透3 项试验,分别测试其抗压、抗拉强度的回复率和二次抗渗压力。
2. 2 压缩试验及抗压强度的回复率
在混凝土材料中分别掺入水泥用量2 % ,4 %和6 %的XYPEX(赛柏斯) 掺合剂,与混凝土材料一起搅拌、振捣成型。压缩试验采用100 mm ×100mm×100 mm 立方体试件,试件浇注后在标准养护条件(温度为(20 ±1) ℃,相对湿度大于90 %) 下养护至28 d 龄期,在MTS 刚性试验机进行试验,如图1 所示。试验时由计算机自动控制设定的加载速率,初始阶段加载速率为3 kN/ s ,当载荷达到400kN时,采用等位移速度加载,其加载速率为0. 1mm/min。根据工程一般早期裂缝情况,试验加力达到最大值时,继续加载,直到试件表面上出现第一条可见裂缝,即刻停止。然后,将开裂后的试件重新置入养护室养护28 d ,使其恢复,进行第2 次压缩试验。记录第1 次及第2 次试验时的最大荷载,如表1 所示。第2 次压缩荷载与第1 次压缩荷载之比称为修复能力。
从表1 可以看出,渗透结晶材料调动了水泥的积极性,显著地提高了混凝土的性能,其中,XYPEX掺合剂的掺量为2 %的混凝土试件的强度较高,平均抗压强度比基准混凝土试件提高13 %;第1 次压缩试验破坏后,重新置入养护室中养护28 d ,由于其“渗透结晶”,混凝土裂缝得到了修复,同时其强度也有一定的恢复,约为基准混凝土28 d 的抗压强度的103 %。与第1 次压缩荷载相比较,掺量为2 %时,其修复能力为91 %;掺量为4 %其修复能力为94 %;掺量为6 %时,其修复能力为98 %;即掺量较大(适当范围) 时,其修复能力较强。
2. 3 劈拉试验及抗拉强度的回复率
混凝土抗拉强度通过劈拉试验来测定,采用150mm×150 mm×150 mm标准立方体试件,在标准养护条件下养护至28 d 龄期,在MTS 刚性试验机进行压缩试验,如图2 所示。试验时劈裂面应与试件成型面垂直,将试件放在试验机下压板的中心位置,在上、下压板与试件之间垫以圆弧形垫条及垫层各1条,垫条应与成型时的顶面垂直。试验初始阶段加载速率为200 N/ s ,当载荷达到50 kN 时,采用等位移
速度加载,其加载速率为0. 05 mm/ min。试验加力达到最大时,继续加载,直到试件表面上出现第1 条可见裂缝,即刻停止。记录试验时的最大荷载,根据劈裂抗拉强度公式计算其抗拉强度(见表2) ,其计算公式为:
式中: f ts 为混凝土劈裂抗拉强度; P 为破坏荷载; A为试件劈裂面面积。
将出现裂缝的试件重新置入养护室养护(裂缝面水平放置,利用试件部分自重, 使裂缝面贴在一起) 至28 d 使其修复,在试验机上进行第2 次试验,记录第2 次荷载并计算其相应的抗拉强度(如表2所示) 。试验中试件第1 次劈裂称为一次劈裂;修复后重新劈裂称为二次劈裂;二次劈裂荷载与一次劈裂荷载之比为修复能力。
从表2 可以看出,渗透结晶材料的掺入,使混凝土的抗拉强度得到显著提高,其中,XYPEX 掺合剂掺量为2 % 的混凝土试件的平均抗拉强度比基准混凝土试件提高11 %;但掺量过多时,其强度略微有所下降。第1 次劈裂试验产生裂缝以后,继续养护28 d ,混凝土强度得到一定的恢复,约为基准混凝土养护28 d 时抗拉强度的59 %～ 67 %;与第1次劈裂荷载相比较,掺量为2 % 时,其修复能力为60 %;掺量为4 % 其修复能力为62 %; 掺量为6 %时,其修复能力为67 %。随着XYPEX掺量的适当增加,其修复能力随之增大。
2. 4 渗透试验及二次抗渗压力
试验使用顶面直径为175 mm,底面直径为185mm,高度为150 mm的圆台体试件,每组6个试件。将试件置入养护室,养护至龄期,在天津市建筑仪器设备厂生产的HP - 40 自动加压混凝土渗透仪上进行试验。用逐级加压法测定混凝土的抗渗标号。试验时,水压从0. 1MPa 开始,以后每隔8 h增加水压0. 1MPa ,并记录试件端面出现渗水现象时的水压(如表3 所示) 。
混凝土的抗渗标号以每组6 个试件中4 个试件未出现渗水时的最大水压力计算,其计算公式为S = 10 H - 1。(2)式中: S 为抗渗标号; H为6 个试件中3 个渗水时的水压力(MPa)将第1 次抗渗试件进行到全部渗水,脱模后继续养护到28 d ,再进行第2 次抗渗试验,到第3 个试件端面出现透水现象时为止,记录此时的压力减去0. 1 MPa 后即为二次抗渗压力(如表3 所示) 。
从表3 可以看出,水泥基渗透结晶材料显著地提高了混凝土的抗渗能力,基准混凝土养护28 d的抗渗压力为1. 3 MPa ,而XYPEX 掺量为2 %的混凝土试件,其抗渗力高达1. 7 MPa ,掺量为4 %的试件其抗渗压力为1. 4 MPa ;随着掺量的增加,其抗渗压力略有所降低。第1 次抗渗试验破坏后,继续养护28 d ,由于其“渗透结晶”,使第1 次抗渗试验产生的裂缝自动修复,所以,第2 次抗渗试验时,仍能承受较高的抗渗压力,相当于其28 d 抗渗压力的88 %～92 %;其中,掺量为2 %的试件其第2 次抗渗压力为1. 5 MPa ,大约为基准混凝土28 d 的抗渗压力的1. 2 倍。
3 试验结果机理分析
混凝土是一种由水泥、砂、石和水等按一定比例拌合,并在一定条件下硬化而成的多孔性非均质复合材料。掺有水泥基渗透结晶材料的混凝土中存在如图3 所示的反应循环。水泥基渗透结晶材料是一种含有特殊的活性物质的无机材料,其中的活性物质是一种催化剂,它是一种钙的络合物(Ca= CAT - L) ,络合物中的阳离子(Ca2 + ) 与混凝土中的阴离子(SiO32 - ) 结合生成不溶于水的CaSiO3(nH2O) 结晶体,存在与混凝土的孔隙中。由于Ca= CAT - L 颗粒非常细小(10 - 10 m 级) ,它在较低浓度下(0. 01 ×10 - 6) 即可起作用,使Ca2 + 与混凝土中的SiO32 - 结合极易发生。络合物在分解出Ca2 + 后, 剩下的阴离子(CAT - L) 2 - 扩散到由于Ca (OH) 2等因素形成的高浓度Ca2 + 区,再次发生反应形成钙的络合物(Ca = CAT - L) ,如此循环反应、增生的CaSiO3 (nH2O) 结晶体,充满混凝土的微孔及毛细管道,有效地增加混凝土密实度,从整体上提高混凝土的抗渗、耐久性能,增加混凝土强度。
图4 所示为试件的扫描电镜照片,从图4 (a) 所示普通混凝土试件中可以看到大量的立方板状Ca(OH) 2 晶体,而在图(b) 所示为掺有XYPEX 掺合剂的试件中,结构更加致密,能见到网状结构。
硬化后的混凝土,由晶体、胶体、未完全水化的水泥颗粒、游离水分及气孔组成的结构体,水泥和水拌合后开始水化。水泥颗粒具有一定的粒度组成,粒径大于10μm 的水泥粒子约占水泥质量的50 % ,大于50 μm 的约占10 % ,最大粒径可达100μm。水化反应由颗粒表面逐渐深入到内部,小颗粒很快完全水化,大颗粒由于水化硅酸钙的包裹作用,水分进入越来越困难,水化作用也越来越慢[7 ] 。
F.M. Lea 的研究表明,水泥粒子9 个月的水化深度为5～9μm ,即使长期养护,混凝土中也存在着较大比例的未水化水泥颗粒[8 ] 。因此,一旦裂缝出现,裂缝面上必然暴露未水化的水泥颗粒,水分通过裂缝和周围孔隙渗入,水泥基渗透结晶材料的活性物质再度激活,催化并加快未水化水泥颗粒继续水化,水化产物则逐渐填满裂缝面,修复裂缝,使混凝土强度和抗渗能力逐渐得以恢复。
4 结 论
(1) 在混凝土中掺入水泥基渗透结晶材料能够增加混凝土的密实度,提高了混凝土的性能。其中XYPEX掺合剂掺量为2 %的混凝土试件的平均抗压强度提高13 % ,抗拉强度提高11 % ,抗渗压力提高31 %;随着掺量的增加,其强度和抗渗性能有所降低。
(2) 渗透结晶混凝土开裂后,在一定养护条件下,其性能能够得到较好的恢复。XYPEX 掺合剂掺量为2 %的试件,其抗压强度的回复率为91 % ,约为基准混凝土28 d 的抗压强度的103 %;抗拉强度回复率为60 % ,约为基准混凝土28 d 的抗拉强度的56. 7 %;第2 次渗透压力为第1 次抗渗压力的88 % ,大约为基准混凝土28 d 的抗渗压力的1. 2倍。在一定范围内,随着掺量适当增加,其修复能力随之增大。
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