CCCW改善低强度混凝土性能的试验研究

2018-05-09尚晓华敬登虎

水利与建筑工程学报 2018年2期

尚晓华，敬登虎

(1.山东鲁能亘富开发有限公司，山东济南 250000； 2.东南大学土木工程学院，江苏南京 210096)

据中国混凝土网不完全统计数据显示，我国商品混凝土总产量2014年—2016年依次为：23.71亿m3、22.23亿m3、22.29亿m3，均比2011年(11.24亿m3)增长一倍，且2016年作为“十三五规划”的开局之年，随着投资建设加快、经济迅猛发展，其混凝土用量必将猛增。然而混凝土结构缺陷也是显而易见的，据统计调查资料显示，我国海港码头混凝土损伤率高达70%，同时建筑工程中渗漏问题更是随处可见[1-4]。这些问题的存在推动了混凝土加固技术的快速发展，例如体外预应力加固法、粘贴纤维增强复合材料加固法、增设支点加固法等[4]。实践证明，这些加固技术均能通过各自机理对建筑结构起到一定程度的加固修复作用，但所起效果均有各自的适用范围，同时优缺点也是显而易见的。但是，在实际混凝土加固工程中，由于环境限制、业主方面要求以及耐久方面等限制条件的存在，对混凝土加固技术提出了更高的要求。因此寻求一种快捷高效的加固方法显得尤为重要。

水泥基渗透结晶型防水材料(CCCW)做为一种高效的防水材料，其防水作用机理为：其中的活性化学物质能够以水为载体渗透到混凝土内部反应生成不溶性结晶体填充在裂缝当中，从而改善混凝土的性能[5-7]。近年来，CCCW在地下室、地铁等混凝土结构防水工程中逐渐得到应用，并取得了一定的经济与社会效益[8-9]。本文基于水泥基渗透结晶型防水材料的特点，拟探讨其改善低强度混凝土性能的可行性。

1 试验概况

1.1 试件设计

结合建筑工程环境，本试验将混凝土试件置于自然条件下养护28 d后拆模，同时考虑到混凝土强度与时间的关系，在拆模后继续在原环境下静置60 d后运至试验室进行模拟试验，其中试验变量包括[4]：

(1) 混凝土强度等级：C15、C25。

(2) 是否涂刷水泥基渗透结晶型防水材料(CCCW)，本试验选用XYPEX浓缩剂。

(3) 养护龄期：涂刷XYPEX浓缩剂后分别养护15 d、30 d、45 d、60 d。

本试验分为力学性能试验与扫描电镜试验两部分，共50个混凝土圆柱体试件，其尺寸为直径150 mm、高度300 mm。其中用于力学性能试验的试件为48个，用于扫描电镜试验(SEM试验)的试件2个，试件编号分别见表1、表2。其中测试日期、取样日期均为从涂刷XYPEX浓缩剂当天开始计算，每个试件编号包含3个圆柱体试件。

表1 力学性能试验试件编号

表2 SEM试验试件编号

1.2 试验方案

力学性能试验主要参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》[10]来测试混凝土的抗压强度。混凝土圆柱体的预估极限荷载分别为：265 kN、442 kN。因此选用东南大学结构试验室200T全能试验机。

SEM试验选用东南大学材料试验中心的“XL-30环境扫描电子显微镜”。

2 试验结果及分析

2.1 力学性能试验

2.1.1 试验结果

将养护至规定龄期的试件拿出进行抗压试验，并做相应记录，其测试结果见表3。其中强度增长率指本龄期相比于前一龄期强度的增长程度；强度相差百分率指涂刷与未涂刷XYPEX浓缩剂的试件强度的相差程度[4]。

2.1.2 CCCW对C15混凝土力学性能的影响

由表3数据分析CCCW对C15混凝土试件的影响[4]，结果为：

(1) 无论何种工况，混凝土试件强度与养护龄期均呈正相关关系，但相同龄期内未涂刷的要高于涂刷的试件强度，结合表3可知涂刷的碳化深度低于未涂刷的。究其原因：未涂刷试件的强度与试件表层碳化有关，而混凝土碳化难易程度与混凝土密实性有关，由于C15混凝土密实性差，在碳化作用影响下导致未涂刷试件强度提高。同时碳化的影响使得XYPEX浓缩剂的渗透速度变缓，在短时间内未能渗透进入混凝土内部发生结晶作用，同时由于在涂层内的结晶导致表层混凝土密实，一定程度上抑制了混凝土内外的温湿交换，对混凝土内部水化反应造成一定影响，同时对混凝土碳化造成一定的抑制作用。但在试验时间内未涂刷试件的碳化以及混凝土内部水化反应导致的混凝土提高程度要高于涂刷试件仅靠涂层内的结晶反应引起的强度提高程度。

(2) 涂刷与未涂刷XYPEX浓缩剂的试件强度之间的相差程度随着养护龄期逐渐变小，到养护龄期60 d时，仅相差0.19%。主要是因为随着养护龄期的增加，XYPEX浓缩剂通过渗透进入混凝土内部发生结晶反应，从而提高混凝土强度。

表3 混凝土强度测试结果

(3) 未涂刷试件的强度变化率与养护龄期的关系不大，变化趋势较为平缓；而涂刷的试件强度增长率与养护龄期的关系相对较大，各龄期下强度增长率均超过2.00%，且45 d时高达13.33%。分析原因：试件强度受三方面影响：一是试件表层碳化；二是混凝土内部水化反应；三是XYPEX浓缩剂的渗透结晶反应。其中未涂刷试件强度仅受前两方面原因影响。涂刷与未涂刷试件的强度增长率区别主要在第三方面原因，由此可见XYPEX浓缩剂能够在试验时间内通过渗透结晶反应，密实混凝土，引起混凝土强度的快速提高，而前期与后期强度增长率相对较低的原因略有不同，前期强度增长率相对较低主要是因为浓缩剂未能渗透进入混凝土内部发挥作用，仅靠涂层内部结晶反应；后期强度增长率相对较低的原因是随着渗透结晶反应的进行，部分活性化学物质逐渐进入“休眠”状态以及未水化水泥等物质量限制影响。

2.1.3 CCCW对C25混凝土力学性能的影响

由表3数据分析CCCW对C25混凝土试件的影响[4]，结果为：

(1) 无论何种工况，混凝土试件强度与养护龄期均呈正相关关系，且同一工况下未涂刷的要低于涂刷的试件强度，同时未涂刷的要深于涂刷的碳化深度。原因分析：混凝土碳化难易程度与混凝土密实性有关，由于C25混凝土相对密实，从而导致混凝土强度受碳化影响相对较小。同时由于碳化深度较浅，XYPEX浓缩剂能够在较短时间内渗透通过碳化层进入混凝土内部发生结晶反应，影响混凝土强度。而涂刷试件的碳化深度要小于未涂的试件，是由涂层内结晶反应密实混凝土表层导致的。

(2) 各工况下强度相差程度随龄期的增长呈现以下趋势：先剧增后逐渐平缓。原因分析：前期涂刷试件的强度快速增长是由于XYPEX浓缩剂渗透进入混凝土内部发生结晶反应密实混凝土所致。而随着结晶反应的不断进行，混凝土内部渗透范围内未水化水泥的逐渐减少以及表层混凝土的密实抑制混凝土内外温湿交换导致部分XYPEX浓缩剂进入“休眠”状态，从而导致后期涂刷试件的强度增长缓慢，差值变化趋势变缓。

(3) 未涂刷试件的强度变化率与养护龄期的关系不大，变化趋势较为平缓；而涂刷的试件强度增长率与养护龄期的关系相对较大，各龄期下强度增长率均超过3.00%，且30 d时接近8.00%。分析原因：试件强度受三方面影响：一是试件表层碳化；二是混凝土内部水化反应；三是XYPEX浓缩剂的渗透结晶反应。其中未涂刷试件强度仅受前两方面原因影响。涂刷与未涂刷试件的强度增长率区别主要在第三方面原因，由此可见XYPEX浓缩剂能够在试验时间内通过渗透结晶反应，密实混凝土，引起混凝土强度的快速提高，而后期强度增长率相对较低的原因是随着渗透结晶反应的进行，部分活性化学物质逐渐进入“休眠”状态以及未水化水泥等物质量逐渐减少所致。

2.2 扫描电子显微镜(SEM)试验

综合考虑混凝土保护层厚度(一般20 mm)与扫描电镜两方面原因，本试验所观察的微观结构形貌取点依次为：距涂层表面0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm局部点。同时考虑到不同介质交界面粘结性差，因此对水泥浆与粗骨料交界面微观结构形貌进行观察[4，11-12]。

2.2.1 扫描结果

微观结构形貌扫描结果见图3(a)、图3(b)。

2.2.2 扫描结果分析

通过观察与对比微观结构形貌图，可以发现以下几个规律[4]：

(1) 各工况下均有白色结晶产生，且物质的量与深浅有关：随深度的增加，白色结晶物质的量逐渐减少，其中0 mm处与20 mm处结晶物质形态对比尤为明显：0 mm处结晶物质相对集结，20 mm处相对散落。由此分析可知：XYPEX浓缩剂能够通过渗透结晶作用在混凝土内部生成结晶体，且离涂层越远，生成的结晶的量越少。

(2) 据界面过渡层学说[4，13]，界面过渡区有以下几个特点：一是水灰比高、密实性差；二是粘结性差；三是此处晶体的Z轴正向沿法线取向外。因此界面处极易产生裂缝。由图3中水泥浆与骨料界面的微观结构形貌图可见，此界面处粘结较为密实，粘结性好。由此推断，由于XYPEX浓缩剂的渗透结晶作用在此界面处产生不溶性结晶体，提高了界面的粘结密实性。

2.2.3 能谱测试结果及分析

能谱分析以Na元素为特征元素。由于能谱仪与扫描电镜是配合使用的，因此能谱仪的测试区域也为距涂层0 mm、5 mm、10 mm、15 mm及20 mm局部点。扫描结果见表4。

表4 不同深度处Na元素含量扫描结果

分析表4数据可知[4]：

(1) 无论何种工况下，Na元素的含量与涂层深度呈负相关关系：即随深度的增加Na元素含量逐渐降低，而0 mm处为其他深度Na元素含量2倍左右。由此可推断涂层处XYPEX浓缩剂含量最高，能够持续不断的为后续损伤提供活性化学物质。

图3微观结构形貌图

(2) 由不同深度处Na元素含量稳定变化趋势来推断XYPEX浓缩剂的渗透深度。其中C15试件，Na元素含量并未随深度呈现出稳定趋势，由此可推断渗透深度超过20 mm；而C25试件Na元素含量在15 mm与20 mm处呈现稳定趋势，由此可推断渗透深度在15 mm～20 mm。

3 将CCCW注入混凝土内部的应用探讨

综上所述，表面涂覆CCCW后，随着涂覆时间的增长，CCCW通过渗透进入混凝土内部，发挥结晶作用密实混凝土，从而改善混凝土的性能。同时考虑到工程实际施工中，低强度混凝土内部密实性差，因此如果能够将CCCW注入混凝土内部，将更好的发挥CCCW密实混凝土及修补表面裂缝的作用。

参照压力灌胶法[14-16]将CCCW注入混凝土内部，其基本思路为：将裂缝表面封闭，预留注入口、排气口，使裂缝形成密闭空腔，通过压力机将CCCW注入混凝土内部，在压力的作用下CCCW渗入缝中将空气置换出来。从而发挥CCCW结晶作用，密实混凝土，达到加固补强的目的。理论上来讲，将密实混凝土整个截面，以C25为例，通过上述渗透深度及强度提高程度，假设线性规律推算出渗透深入至整截面时的强度提高程度，即渗透深入在75 mm时的强度提高程度为32%。由于时间限制，具体试验方法及数据分析将在后续试验中进行补充。