渗透结晶材料修复水工混凝土裂缝的作用机理研究

齐士强

(盘锦市水利事务服务中心,辽宁 盘锦 124000)

混凝土内部含有大量裂缝和孔隙,这些微观的缺陷既会影响早期强度发展,还会成为后其的渗水通道,导致剥落劣化。混凝土内部孔隙分布、大小、数量、连通性、微损伤等特性在一定程度上影响着混凝土力学和抗离子侵蚀性能,不利荷载下裂缝贯通扩散还会降低混凝土耐久性。另外,由于粗、细集料的天然缺陷是形成裂缝和孔隙的内在因素,所以一般很难克服[1]。

渗透结晶是一种防水性能优异的新型材料,由于能够改善水泥基体的渗透性越来越引起广大学者的关注[2-4]。唐孟雄等认为将渗透结晶涂在混凝土表面具有很好的防水效果,通过改善渗透性能可增强基体的抗侵蚀能力和耐久性,在实际工程中的应用前景非常广阔;陈晓雨等对比分析了渗透结晶、矿物掺合料复掺和单掺条件下的混凝土抗侵蚀性能变化规律,结果显示复掺条件下的耐久性更优;王可良等通过抗渗压力与抗压强度试验,探究了渗透结晶对裂缝自修复能力的影响,结果表明渗透结晶的水化产物能够填充基体内部宏观孔隙及毛细孔,通过裂缝修复增强混凝土的强度和整体抗渗性;Ferrara等试验分析了渗透结晶、外加剂对纤维增强混凝土自愈能力和力学性能的影响,结果显示掺结晶混凝土的裂缝愈合及强度发展速度较快,有利于提高结构实体质量[5-8]。通过载体渗透结晶中的活性物质逐渐迁移至基体内部形成结晶,堵塞内部宏观空隙,改善其防水性和致密性,现已被广泛应用于大坝、随带、地铁等工程领域,其社会及经济效益显著[9]。虽然实际工程中的应用较多,但对渗透结晶能够修复的裂缝宽度尚不统一。据此,文章利用SEM扫描电镜探讨了渗透结晶的裂缝修复机理,通过降低内部微结构受不利因素作用,有效改善混凝土内部缺陷和耐久性能,为裂缝修复技术研究提供一定参考。

1 试验方法

1.1 制备渗透结晶材料

1)制备原理。混凝土中通常含有约25%的活性物质,这些物质在特定情况下能够继续反应形成结晶。如果对这些物质采取一定的反应机制生成能够填充裂缝与孔隙的晶体则可以实现自修复。因此,考虑制备一种水溶性化合物,在混凝土内部裂缝与孔隙中该化合物可以随水迁移渗透,遇到活性物质可以转化成硅酸钙结晶体,对裂缝和孔隙起到堵塞作用,从而达到自修复效果。在反应转换后,该活性化合物能够恢复至原态参与下一次反应。

2)制备过程。将25%的柠檬酸钠与20%的胆碱加水溶解配置成溶液,然后把35%的可溶性有机小分子物质和三异丙醇胺缓慢滴加到溶液中,均匀混合后静置密封备用。

1.2 材料与配合比

水泥:盘锦金润水泥有限责任公司生产的P·O42.5硅酸盐水泥,初、终凝时间150min和280min,比表面积390m2/kg,其化学成分为65.28%的CaO、22.31%的SiO2、3.45%的SiO2、5.32%的Al2O3、1.12%的MgO,其矿物组成为52.17%的C3S、24.55%的C2S、10.32%的C4AF、8.50的C3A;粗、细集料:大连建材厂提供的粒径5～31.5mm碎石和Ⅱ区中砂,经检测碎石针片状含量5%,有机质含量和坚固性符合规范要求,砂的孔隙率38%,吸水率0.5%,堆积密度1610kg/m3,细度模数2.7;渗透结晶:按上述具体思路和过程自制材料,细度0.06mm,受检砂浆的28d收缩率比100%,拌和水用当地自来水。配合比设计见表1。

表1 试验配合比

1.3 制备抗渗试件

在抗渗试件成型过程中,从上到下沿圆台中心预先贯穿安放厚度分别为1.0mm和0.5mm,宽40mm的铁片,接近终凝前拔出铁片人工制造一条裂缝,将掺渗透结晶的水泥浆沿裂缝缓慢灌入,静置24d后拆模移入标养室养护,其中水泥浆的配制比例为水∶水泥∶渗透结晶=4∶10∶0.25。

1.4 测试方法

参照《水工混凝土试验规程》中的方法测定试件的抗渗性能,具体流程如下:首先将砂、石骨料倒入强制搅拌机干拌60→加入渗透结晶、水泥干拌60s→加水湿拌180s→拌合均匀后装模,移到振动台振动30s→养护室标养24h拆模成型;然后取出标养至规定龄期的试件,待表面风干后用石蜡密封,每组6个试件;试验设定初始测试水压为0.1MPa,逐级加压0.1MPa,每次加压后维持1h,若未发现渗水现象则继续增大压力,直到有两个试件出现渗水,该条件对应的数值就是抗渗压力。所有试件均出现渗水现象后,在原环境中继续养护该组试件至相同天数,按照以上流程测定二次抗渗性能。通过以上测试,可以评定渗透结晶的修复效果以及在重新养护条件下被击穿试件的抗渗防水能力恢复程度。

2 结果与分析

2.1 抗渗性能试验

试验测定标养28d时各组试件的抗渗性能,测试结果如表2。

表2 不同裂缝混凝土的抗渗压力

由表2可知,将掺渗透结晶的水泥浆灌入人为制造≤1.0mm的裂缝中,无裂缝与0.5mm、1.0mm裂缝的第一次、第二抗渗压力保持一致;对于1.5mm和2.0mm的大裂缝,其第一次抗渗压力明显减少分别为0.3MPa和0.2MPa,远远<无裂缝情况。所以,宽度≤1.0mm时的修复效果较好。

研究认为,渗透结晶可以均匀分散到混凝土的表面和内部,养护过程中表面的结晶能够形成沉淀,从而起到一定的防水效果;同时,经过内部的微裂缝、毛细孔等,环境水不断向内部渗透,而未完全水化的水泥会与渗透结晶中的活性物质反应生成稳定的结晶体,对内部毛细孔道起到填充作用,从而抑制外界水体的渗透。因此,渗透结晶的掺入可以改善抗渗性能,均匀分布在试件内部和表面的沉淀晶体阻碍了环境水向内部的渗透,这在一定程度上也会改善其抗冻性能。

2.2 微观结构试验

界面与水泥浆修补后的结合程度直接决定了带裂缝混凝土的抗渗性能,为更加客观真实地反映混凝土裂缝修补后的抗渗性能,有必要利用SEM扫描电镜测试分析微观形貌。将掺渗透结晶的水泥浆灌入预制的不同宽度混凝土裂缝中,标养28d时观察界面处的微观形貌。

通过对比发现,宽度为1.0mm和0.5mm的预制裂缝混凝土与水泥浆间具有较高的界面结合程度,其致密程度和无裂缝时相差不大。对于宽1.5mm的预制裂缝,28d龄期时混凝土与水泥浆之间的结合程度较差,许多不规则空隙分布在界面结合处,使得基体的贯通性明显增大,其抗渗性能低于1.0mm和0.5mm预制裂缝组。深入分析可知,裂缝较h小时水化产物Ca(OH)2会与渗透结晶反应,Ca(OH)2被消耗转化成硅酸钙,这种具有胶凝性的物质可以填充界面间的空隙,从而改善界面结构[10-12]。

裂缝较大>1.5mm时,一定龄期内水化产物的Ca(OH)2不能与渗透结晶反应,界面间的空隙也就无法被填充,混凝土与水泥浆之间存在薄弱界面,这使得基体抗渗能力下降。但随着渗透结晶掺量的增加和龄期的延长,混凝土中的Ca(OH)2与渗透结晶中的活性物质会生成更多的填充物,从而减少界面处空隙,改善界面结构和整体的抗渗性能。

3 结 论

1)在配合比一定的情况下,渗透结晶可以较好地修复特定宽度的水工混凝土裂缝,特别是宽度不超过1.0mm时试验配制的渗透结晶修复效良好,界面结合程度较高。裂缝较大时,一定龄期内Ca(OH)2不能与渗透结晶反应,界面间的空隙也就无法被完全填充,混凝土与水泥浆之间存在薄弱界面,使得基体抗渗能力下降[13]。

2)通过增大渗透结晶掺量和延长龄期可能会修复更宽的混凝土裂缝,这是因为内部的Ca(OH)2可能会与渗透结晶生成更多的填充物,从而减少界面处空隙,改善界面结构和抗渗性能。