无机修复剂对混凝土裂缝自愈性的影响研究

朱梦龙, 王心茹, 田周蕊, 田思腾, 朱 枫, 任书霞

(石家庄铁道大学材料科学与工程学院,河北 石家庄 050043)

混凝土材料具有优异的力学性能和耐久性能且经济性良好，是现代建筑的基础材料，但受干缩、温度、荷载等因素作用，混凝土在水化硬化过程中易开裂，严重影响混凝土结构的安全性及使用寿命，后期维护和修补费用巨大。因此，开发能实现混凝土基体裂缝自诊断、自修复的材料已成为混凝土工程界和学术界的研究热点。目前，有关混凝土裂缝自修复技术主要涉及微生物、微胶囊、纤维、记忆合金以及电化学沉积等方面。采用钙盐和细菌诱导碳酸钙[1-3]的生成、活性二氧化硅[4]等结晶掺合料促进碳酸钙转化等均可实现混凝土裂缝自修复，利用具有延展性的预浸膨胀珍珠岩可以控制混凝土内部的裂缝发展[5]，通过造粒技术制备粉煤灰、硅灰、偏高岭土、石灰石粉、碳酸钠粉等人工功能骨料提高了砂浆裂缝的自修复能力[6]。虽然上述研究在混凝土裂缝自修复方面的进展显著，但仍有许多问题亟待解决：空心纤维或胶囊制备难、成型难，形状记忆合金价格昂贵且加热加快愈合过程导致不确定性，微生物法需满足许多先决条件，造粒技术复杂，以上技术并未成熟。因此，本文采用机械混合的方法，以海泡石矿物为基体吸附、包覆氧化钙、氧化镁类复合膨胀剂、硅酸钠等修复组分，制备了一种新型无机的混凝土裂缝自修复剂。该修复剂成本低廉，不仅可以直接内掺混凝土中，操作方便、施工简便，快速修复混凝土基体的微裂缝，并能改善混凝土基体的抗裂性，能从根本上解决混凝土结构易开裂、难修复、施工困难等技术难题。

1 试验设计与实施

1.1 原材料介绍

水泥采用石家庄鼎鑫水泥厂生产的P.O 42.5水泥，其化学组成如表1所示；砂为新乐产河砂，其表观密度为2 580 kg/m3，含泥量2.1%，细度模数为2.7；拌合水为自来水；海泡石由河北宏利海泡石绒有限公司生产；氧化钙类膨胀剂与氧化镁类膨胀剂均为FS-4A，由河北青华建材有限公司生产；分析纯硅酸钠，由天津市永大化学试剂有限公司生产；纤维由大城县亦博化工有限公司生产，当量直径为18～48 μm，抗拉强度≥500 MPa。

表1 水泥的化学组成

1.2 修复剂的制备

海泡石、氧化钙复合膨胀剂、氧化镁膨胀剂、硅酸钠按0.5∶1∶1∶1的比例称取。将氧化钙复合膨胀剂、氧化镁膨胀剂和硅酸钠放入滚式球磨机中均匀混合2 h，得到修复组分。之后将海泡石与修复组分再用滚式球磨机混合2 h，制得海泡石基无机裂缝自修复剂。

1.3 胶砂试件的制备

按表2所示的配合比制备尺寸为40 mm×40 mm×160 mm胶砂(模拟混凝土)试件。成型后24 h拆模，标养至相应龄期。

表2 胶砂配合比设计

1.4 测试方法

依据《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》(GB/T 17671-1999)对砂浆试件的抗压强度进行测试。

抗压强度恢复率[7]是预制裂缝后养护n天的抗压强度值与预制裂缝前养护n天的抗压强度值的比值。其中，裂缝预制方法参考文献[7]。裂缝宽度测试依据《混凝土裂缝宽度及深度测量仪校准规范》(JJF 1334-2012)，采用全金属专业200万数码体视显微镜对裂缝宽度进行观测。

依据《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》(GB/T50082-2009)对砂浆混凝土试块进行早期抗裂性能测试。

采用德国布鲁克生产D8ADVANCE型号X射线衍射仪对裂缝处愈合产物进行分析。

2 试验数据分析与讨论

2.1 力学性能

图1给出了修复剂掺量分别为0%、6%、8%、10%和15%胶砂试件在不同龄期的抗压强度值。由图1可见，对于掺入修复剂的试验组试件，尽管其早期(3 d龄期)抗压强度值较未掺修复剂的空白组试件均有所降低；当修复剂掺量为6%和8%时，降低幅度较小，且随着养护龄期的延长(龄期>3 d)，其抗压强度值明显高于空白组试件；当修复剂掺量过大(>10%)时，其力学性能降低幅度较大。

图1 修复剂掺量对混凝土抗压强度的影响

2.2 抗压强度恢复率

图2给出了修复剂掺量分别为0%、6%、8%、10%和15%胶砂试件在不同龄期的强度恢复率。由图2可见，所有掺入修复剂的试验组胶砂试件，其不同龄期的抗压恢复率均高于未掺修复剂的空白组试件。对于早期(3 d、7 d)预制的裂缝，其强度恢复率随着修复组分掺量的增加呈现先增大后减小的趋势。当修复剂掺量为6%和8%时，试件3 d +28 d和7 d +28 d时强度恢复率较大，尤其是后者分别达到了213.5%和163.9%。对于后期(28 d)预制裂缝，其强度恢复率随着修复剂掺量的增加而增加，当修复剂掺量为15%时，28 d +28 d抗压强度恢复率最大(114.2%)，但由于修复掺量过大，导致力学性能发生显著劣化。因此，本试验条件下，修复剂的最佳掺量为6%和8%。

图2 不同修复剂掺量下胶砂试件的强度恢复率

2.3 裂缝宽度

对修复剂掺量分别为0、6%、8%的胶砂试件，标养3 d和7 d后分别预制裂缝，裂缝的初始宽度以及二次水中养护(45 d)裂缝宽度的变化见图3、图4。

图3 不同剂量修复剂3 d预压裂缝和3 d+45 d修复情况

图4 不同剂量修复剂7 d预压裂缝和7 d+45 d修复情况

由图3、图4可见，对于3 d预制的裂缝，空白组试件的裂缝宽度从最初的0.18 mm，经45 d的二次养护后，降低至0.07 mm，其裂缝修复率为66.1%。

修复剂掺量6%和8%时，初始宽度0.2 mm左右的预制裂缝，经45 d二次养护后完全修复，裂缝修复率均达到100%。对于7 d预制的裂缝，空白组的裂缝修复率在45 d后为35.7%；当修复剂掺量为6%和8%时，45 d后的裂缝修复率仍可达到100%。上述结果说明掺入6%和8%的海泡石基修复剂，可大幅度提升胶砂试件裂缝的自愈合能力。

2.4 抗裂性

混凝土大板试验的测试结果见图5。由图5可见，空白组的裂缝数为5条，单位面积上的总开裂面积为789.36 mm2/m2。而掺入6%和8%的修复剂之后，产生裂缝的条数降为2条，单位面积上的总开裂面积也分别降低为662 mm2/m2和564 mm2/m2。测试结果表明海泡石基修复剂的掺入大幅度提高了混凝土试件的抗裂性。

图5 混凝土大板开裂情况

2.5 微观分析

为进一步探讨裂缝修复的机理，将7 d预制裂缝的修复剂掺量6%的试验组胶砂试件二次养护45 d后，刮出裂缝处的生成产物，进行XRD检测。裂缝表面生成物和裂缝深处生成的测试结果分别见图6和图7。

图6 表面裂缝处愈合产物的XRD图谱

图7 深层裂缝处愈合产物的XRD图谱

3 结论

通过机械混合方法制备了一种新型的无机混凝土裂缝自修复剂。当其掺量为6%和8%时，所制备胶砂试件的力学性能较优，对裂缝自修复效果最佳，能完全修复宽度0.2 mm左右的裂缝。混凝土大板抗裂试验结果显示裂缝条数从空白对照组5条显著减小至2条，总开裂面积由789.36 mm2/m2下降到662 mm2/m2和564 mm2/m2，抗裂性得到显著优化。在表层裂缝主要愈合产物为CaCO3、AFT晶体和Al(OH)、Al(OH)3凝胶，在深层裂缝主要产物为莫来石、Al(OH)3和AFT。各产物在单方面作用填充孔隙的同时又与其他产物相互交织形成网络结构实现裂缝的自修复。