络合型自修复剂对水泥砂浆性能影响

2021-04-20程书凯胡毅邓翀屠柳青骆晚玥

新型建筑材料 2021年3期

程书凯，胡毅，邓翀，屠柳青，骆晚玥

（1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉 430040；3.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，湖北武汉 430040；4.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430040）

0 引言

混凝土结构在长期服役期间会遭受外部荷载、离子侵蚀、冻融和温度等作用，内部不可避免会产生微裂纹和表面裂纹等损伤，这些损伤将进一步加速混凝土化学侵蚀和钢筋锈蚀的发生，对混凝土结构的耐久性产生不利影响，严重影响了土木工程结构的安全性和耐久性，且在后期维修过程中会产生高昂的费用。为解决混凝土建筑工程病害人工修复难度大、费用高的问题，提高混凝土损伤修复能力，延长材料的服役寿命，混凝土自修复技术的研究已受到国内外研究学者的高度重视[1-3]。

针对混凝土的耐久性问题，近年来发展了混凝土微胶囊自修复技术，以其智能感知、实时修复、修复功能可设计的优点逐渐成为土木工程领域的研究热点[4-6]。微胶囊自修复技术是指在混凝土搅拌时加入内含液态修复剂的微胶囊，在混凝土受力出现裂缝时，微胶囊就被撕裂外壳而破坏，微胶囊内的修复剂随之流出，在毛细作用下渗入裂缝，对混凝土裂缝进行自我修复[7-8]。这种方法可以提高混凝土的抗拉性能，降低因混凝土开裂造成的结构损伤，提高结构的耐久性。目前，微胶囊的自修复混凝土研究刚刚起步，相关研究成果较少，一些关键技术尚待解决，如修复剂含量与裂纹参数的匹配差异较大，当修复剂掺量较少时，混凝土裂缝修复效果不佳，而当修复剂掺量过高时，生成的修复产物会过度膨胀，从而在裂缝中产生新的损伤。本文研究了络合型自修复剂对水泥砂浆力学性能、氯离子渗透性及抗裂性能影响，并分析了其对水泥基材料及表面裂缝自修复能力和孔结构调控机理。

1 试验

1.1 原材料

水泥：湖北华新水泥有限公司生产的P·O42.5 水泥，表观密度3.08 g/cm3，比表面积380 m2/kg，主要化学成分见表1；细骨料：厦门艾斯尔生产的标准砂；络合型自修复功能外加剂（以下简称络合型自修复剂）：嘉兴胜克防水材料有限公司生产，粉体型，主要成分为顺丁烯二酸钠，分子式C4H2O4Na2，相对分子量160.04；水：自来水。

表1 水泥的主要化学成分 %

1.2 配合比设计

水泥砂浆的配合比见表2。

表2 水泥砂浆的配合比g

按照表2 配合比，将络合型自修复剂分别以2%、3%、5%和8%等质量取代水泥掺入砂浆中。在制备砂浆的过程中，取部分试验水，将络合型自修复剂溶于水，将余下水与络合型自修复剂水溶液陆续加入行星搅拌锅中搅拌240 s，随后将砂浆分层浇筑在40 mm×40 mm×160 mm 钢模中，然后将装满的砂浆试模置于振动台上振动30 s。用塑料薄膜覆盖试件表面，24 h后脱模，随后将试件放置于温度（20±2）℃、相对湿度95%的标准养护室中养护。成型的砂浆试件分为2 组，一组为未预压处理，即参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行抗压及抗折强度测试，研究络合型自修复剂对水泥砂浆的力学性能影响；另一组进行预压处理，评价络合型自修复剂对砂浆损伤的自愈合能力。

1.3 测试方法

1.3.1 流动度及力学性能测试

流动度根据GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行测试，抗压和抗折强度根据GB/T 17671—1999 进行测试。

1.3.2 自愈合能力测试

采用预压的方式使试块产生微裂纹，具体方式为：先将试块进行7 d 标养，再对龄期为7 d 的试块预压最大压力值的80%（此为对试块的抗压预压，对试块的抗折不进行预压），最后将预压后的砂浆试块继续进行标准养护，测试其预压后养护7、14、21、28、56 d 的强度，对比相同龄期未预压试块与预压试块的抗压强度以说明修复剂对所制水泥砂浆试块的修复性能。基准混凝土和自修复混凝土预压损伤抗压强度恢复率按式（1）计算：

式中：ηc——预压损伤抗压强度恢复率，%；

fc——预压损伤试件养护后的抗压强度，MPa；

f0——对比试件的抗压强度，MPa。

采用PTS-E40 型裂缝综合测宽仪测试水泥砂浆表面裂缝，依据裂缝修复率评价络合型自修复剂改性砂浆裂缝自修复性能，其计算公式如下：

式中：Rsh——砂浆裂缝修复率，%；

A0——砂浆试件养护前初始裂缝宽度，mm；

An——砂浆试件标准养护n 天后裂缝宽度，mm。

1.3.3 氯离子渗透性能测试

本文通过RCM 试验来验证络合型自修复剂的修复性能，具体方式为：制备Φ100 mm×50 mm 的水泥砂浆试样，将所制试样进行标准养护，养护至7 d 时，将试块进行预压，预压至试块最大强度的80%，将经过预压后的试块继续标养至28 d 进行RCM 试验。参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中氯离子扩散系数测试方法进行。

1.3.4 孔结构测试

采用Micrometries 公司生产的AutoPore IV 9510 型压汞仪（压汞仪最高压力可达到360 MPa，孔径测量尺度为3 nm～360 μm）测试络合型自修复剂对砂浆孔结构的影响，将砂浆试件用切割机切割质量约为2 g 左右碎块，用丙酮终止水化，在测试之前，将砂浆碎块置于40 ℃的干燥箱中烘6 h，然后进行孔结构测试。

2 结果与讨论

2.1 络合型自修复剂对砂浆流动度的影响（见表3）

表3 络合型自修复剂掺量对砂浆流动度的影响

从表3 可以看出，随着络合型自修复剂掺量的增加，水泥砂浆的流动度逐渐增大，络合型自修复剂掺量分别为2%、3%、5%和8%时，砂浆的流动度较未掺络合型自修复剂的对照组分别增大了2.8%、4.4%、4.7%和6.9%。这主要是由于络合型自修复剂的掺入减少了水泥用量，起到稀释作用；另一方面，络合型自修复剂中羟基和羧基对早期水泥水化过程中钙离子的络合作用，降低了吸附在水泥颗粒表面物浓度，延缓水泥水化，从而增大了砂浆的流动性。

2.2 络合型自修复剂对砂浆力学性能的影响

络合型自修复剂掺量对砂浆抗折和抗压强度的影响分别见图1、图2。

由图1 可知，掺加5%和8%络合型自修复剂的砂浆在养护3 d 和7 d 时的抗折强度均高于对照组，然后随着养护龄期延长，其抗折强度逐渐低于对照组；而随着养护龄期的延长，掺加2%和3%络合型自修复剂的砂浆抗折强度始终低于对照组。

由图2 可知，掺加2%和3%络合型自修复剂砂浆试块各龄期抗压强度均高于对照组，其中，掺3%络合型自修复剂砂浆试块的56 d 抗压强度达到50.2 MPa。对比掺2%和3%络合型自修复剂砂浆试块28 d 与56 d 抗压强度可知，掺络合型自修复剂的砂浆试块在28 d 后强度增长幅度明显大于对照组，这主要是因为络合型自修复剂的掺入对砂浆后期内部结构的密实度具有较好的改善作用，从而促进后期强度大幅提高。而当络合型自修复剂掺量超过3%时，砂浆试块的56 d 抗压强度均低于对照组，掺8%络合型自修复剂的砂浆试块56 d 抗压强度仅为41.4 MPa。这主要是由于络合型自修复剂取代水泥，减少水泥用量，从而使得砂浆后期强度低于对照组。综合考虑抗折和抗压强度，络合型自修复剂的掺量不应过大，适宜掺量为2%～3%。

2.3 络合型自修复剂对砂浆损伤自愈合性能的影响

图3 为预压处理后络合型自修复剂掺量对砂浆不同龄期抗压强度的影响。

由图3 可知，经预压处理后，掺2%络合型自修复剂的砂浆56 d 抗压强度达到51.9 MPa，较对照组提高了4.4%；络合型自修复剂在其余掺量下砂浆各龄期的抗压强度均低于对照组，且试件的抗压强度随络合型自修复剂掺量的增加而降低。

图4 为预压处理后络合型自修复剂对砂浆抗压强度恢复率的影响。

由图4 可以看出，预压处理后，不同龄期未掺络合型自修复剂砂浆试块抗压强度均低于相同龄期的未预压试块，而掺络合型自修复剂的预压砂浆试块与相同龄期的未预压试块相比，除掺5%络合型自修复剂砂浆试块预压后7 d 抗压强度低于未预压试块外，其余不同龄期预压试块抗压强度均高于未预压试块，说明预压后产生裂缝的未掺络合型自修复剂砂浆试块具有一定自修复功能，掺2%络合型自修复剂砂浆试块56 d 抗压强度恢复率最高，达104.4%，这说明掺2%络合型自修复剂对砂浆具有较好的修复性能，可使裂缝达到良好的修复效果。

图5 为对照组砂浆和掺2%络合型自修复剂砂浆初始裂缝在养护7 d 后的变化情况。

由图5（a）、（b）可以看出，对照组MC0 砂浆表面形成2 条宽度分别为0.22、0.32 mm 的初始裂缝，标养7 d 后，裂缝宽度分别为0.12、0.22 mm，变化较小，裂缝修复率仅为45.4%、31.2%。对比图5（c）、（d）可知，掺2%络合型自修复剂的砂浆MC2 表面形成2 条宽度分别为0.20、0.18 mm 的初始裂缝，在养护7 d 后，裂缝已完全愈合，且裂缝中有晶体物生成，表现出良好的裂缝修复作用。这说明络合型自修复剂的掺入明显提高了砂浆裂缝修复率。这主要是因为络合型自修复剂与水泥砂浆体系中的Ca2+络合后迁移至裂缝中，在裂缝处生成碳酸钙沉淀，从而达到修复裂缝效果。

2.4 络合型自修复剂对砂浆抗氯离子渗透性能的影响

表4 为未预压及标养7 d 预压处理后络合型自修复剂对砂浆28 d 氯离子扩散系数的影响。

表4 砂浆试件的28 d 氯离子扩散系数

由表4 可知，除了掺8%络合型自修复剂的MC8 试样，其余各组砂浆经过标养7 d 预压处理后氯离子扩散系数均低于未预压组。其中经过预压处理后，掺2%络合型自修复剂的MC2试样的氯离子扩散系数最低，与未预压MC2 试样相比，其氯离子扩散系数从6.0×10-12m2/s 下降至4.9×10-12m2/s，降幅为18.33%。这说明，掺2%络合型自修复剂可明显提高砂浆的抗氯离子渗透性能。其主要原因是络合型自修复剂在养护后期填充砂浆中的裂缝，并密实了砂浆孔结构，减少了氯离子的渗透通道。

2.5 络合型自修复剂对砂浆孔结构的影响

水泥基材料的孔隙包括细毛细孔、气孔与粗毛细孔，总孔隙率能直观反映材料内部的密实情况。对照组砂浆和掺2%络合型自修复剂砂浆试件的孔结构变化见图6 和表5。

图6 络合型自修复剂砂浆的孔结构

表5 络合型自修复剂砂浆的孔径分布

由图6 和表5 可知，掺入2%络合型自修复剂明显降低了砂浆中最可几孔径和累计进汞量。掺入2%络合型自修复剂明显增大砂浆中小于20 nm 的孔隙含量，并降低20～100 nm、100～200 nm 和大于200 nm 的孔隙含量。说明络合型功能外加剂明显减少了砂浆中大于100 nm 的有害孔，增加了50 nm以下的无害或少害孔，对砂浆的孔结构有明显的改善作用，从而有利于提高水泥基材料的力学性能和抗氯离子渗透性能[9]。络合型自修复剂对砂浆孔结构影响规律与其对抗压强度和抗氯离子渗透性能的影响规律相一致。