基于抗渗性试验的混凝土自修复材料研究

辛晓斌，李骁男，马 挺，张茂亮，马 炎

（河南建筑材料研究设计院有限责任公司，郑州 450000）

作为一种非均质多相材料，混凝土因其自身结构特性，内部存在大量孔隙和裂缝［1］，尤其是长期服役条件下的混凝土结构裂缝更多.按照成因可将裂缝分为荷载裂缝、变形裂缝、施工裂缝和碱骨料反应裂缝四类［2］.气相、液相等有害物质可通过裂缝侵入混凝土，会造成混凝土力学性能下降、渗漏等问题，严重危害混凝土的力学性能和耐久性能［3-7］.如何实现混凝土裂缝的修复，延长混凝土结构的寿命，一直是研究人员研究的重点.虽然混凝土自身有一定修复能力［8-9］，但是无法满足应用需求.渗透结晶型材料是以一种以适当比例的活性化学物质制成的一种修复材料［10］.采用这种材料掺入混凝土中时，当混凝土处于干燥环境条件下，活性化学物质处于内部休眠状态；一旦外部水通过裂缝侵入混凝土内部，活性化学物质会与水泥中其他物质发生反应，生成各种不溶性晶体物质填充混凝土内部孔隙，提高混凝土的性能尤其是抗渗性能，从而实现了混凝土结构的自修复，而且这种结晶反应是可以多次重复进行的［11-13］.目前该技术已经广泛应用于国内外混凝土自修复、涉水混凝土工程以及道路桥梁工程的修补等领域［13-14］.

本文在已有研究基础上以衣地酸二钠、硅酸钠、甲酸钙等复配成混凝土裂缝自修复材料NNC，以修复前后混凝土抗渗压力恢复率作为评价指标，研究混凝土裂缝自修复材料NNC对混凝土抗渗性能的影响.

1 实验概况

1.1 实验原料

实验所用水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，砂为标准砂，碎石粒径5～25 mm，针片状含量4%.所用衣地酸二钠，体积分数≥99%；硅酸钠，模数3.0；甲酸钙，体积分数≥98%.

1.2 混凝土制备

混凝土按表1所示的配合比采用上口内部直径175 mm、下口内部直径185 mm、高度150 mm的圆台体制备试样，1 d后成型拆模，用钢丝刷刷去两端面水泥浆膜，将混凝土在标准养护箱养护至28 d，得到混凝土试样.

表1 混凝土配合比Tab.1 Mixture ratio of concrete单位：kg·m-3

1.3 试验方法

抗渗试验方法按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）的相关规定执行，采用逐级加压法.在进行抗渗试验时，第一次测试得到混凝土块的抗渗压力值f28后，将试块放在液压机压力台，使其正面受压，以1～2 kN/s的速率缓慢加载，当液压机指针停止，立即取出，保证试样完好［15］.之后进行第二次抗渗试验，得到抗渗压力值fc，然后将试块放置到干燥箱中，60℃条件下烘干至恒重.采用以下两种方式利用NNC溶液处理试样.

1）浸泡法：将混凝土试块直接浸泡于0%，1%，2%，3%，4%的NNC溶液中（本文中NNC溶液浓度均指质量分数），完全淹没，养护至7、14、28、60 d.

2）加压法：采用逐级加压法对混凝土进行第三次加压处理试验.进行试验前，先将制备好的0%，1%，2%，3%，4%NNC提前溶于用于测试抗渗性的水中，溶解完全，加压压力值最大达到fc的80%，停止加压，直至液体稳定渗出.之后将试块放在标准养护箱养护至7、14、28、60 d.

再次对上述两种方法中养护至相应龄期的混凝土试块进行抗渗压力测试，得到抗渗压力值fn.混凝土在不同浓度的NNC溶液环境下的自修复效果通过抗渗压力恢复率来表征，其计算公式为：

式中：σ为抗渗压力恢复率；f28为标准养护28 d时混凝土的抗渗压力；fc为预制裂缝后混凝土的抗渗压力；fn为在不同浓度NNC溶液中浸泡不同龄期的混凝土的抗渗压力，n为养护龄期.

2 结果与讨论

2.1 NNC不同处理方式对混凝土抗渗性能的影响

分别采用浸泡法和加压法两种方式处理加入0%、1%、2%、3%、4%NNC溶液的混凝土，其抗渗压力恢复率如图1所示.

从图1中可以看出，采用浸泡法和加压法两种方式处理不加入NNC的混凝土时，其抗渗压力恢复率相对一致，均为随着养护时间的延长，恢复率逐渐增加.其中采用浸泡法的混凝土其7 d抗渗恢复率接近采用加压法的混凝土，之后其恢复速率略高于采用加压法的混凝土；在60 d时，经两种方式处理的混凝土抗渗恢复率达到最大值，分别为83.6%和85.3%.

图1 不同处理方式对混凝土抗渗压力恢复率的影响Fig.1 Effect of different treatment methods on the recovery ratio of impermeable pressure of concrete

采用浸泡法和加压法两种方式处理加入1%NNC溶液的混凝土时，随着养护龄期的延长，混凝土抗渗恢复率逐渐增加.其中，在NNC溶液中浸泡的混凝土其7 d、14 d抗渗恢复率低于直接加压注入NNC溶液的混凝土，其28 d抗渗恢复率接近，60 d其抗渗恢复率略高于采取直接加压注入的混凝土，其最大值分别为132.8%和121%.

采用浸泡法和加压法两种方式处理加入2%NNC溶液的混凝土时，采用浸泡法的混凝土抗渗压力恢复率低于采用加压法的混凝土.随着养护龄期的延长，采用加压法处理的混凝土抗渗压力恢复率逐渐增加，在28 d时抗渗压力恢复率达到135.8%，但在28 d之后，抗渗压力恢复率增长缓慢，到60 d时抗渗压力恢复率为137.4%.采用浸泡法处理的混凝土抗渗压力恢复率在养护龄期为7～28 d逐渐增加，在28 d达到最大值127.8%，之后随着养护龄期的延长，抗渗压力恢复率出现下降，60 d时为108.7%.

采用浸泡法和加压法两种方式处理加入3%NNC溶液的混凝土时，在NNC溶液中浸泡的混凝土其7 d、14 d抗渗压力恢复率低于直接加压注入NNC溶液的混凝土，其28 d抗渗压力恢复率达到129.4%，高于直接加压注入NNC溶液的混凝土，但60 d其抗渗压力恢复率低于采取直接加压注入的混凝土.

采用浸泡法和加压法两种方式处理加入4%NNC溶液的混凝土时，两种方式处理的混凝土均在14 d时抗渗恢复率达到最大值.在NNC溶液中浸泡的混凝土其7 d、14 d抗渗压力恢复率低于直接加压注入NNC溶液的混凝土.在养护龄期达到28 d时，采用加压法处理的混凝土其28 d抗渗恢复率出现下降，之后其恢复率呈现出逐渐稳定的趋势.采用浸泡法处理的混凝土其28 d抗渗恢复率同样出现下降，之后其恢复率随着时间的延长，出现缓慢降低的趋势，其60 d抗渗恢复率低于采取直接加压注入的混凝土.

同时，在图1中也可以看出，相同浓度的NNC溶液条件下，采用加压法处理的混凝土其7 d和14 d抗渗压力恢复率普遍高于采用浸泡法的混凝土，这说明加压法有利于混凝土前期抗渗性能的恢复.这主要是因为加压法是将NNC溶液直接均匀渗透到裂缝内部，而浸泡法则是由外而内进行渗透，更容易在外部先形成结晶，影响NNC渗入到内部，所以前期抗渗压力恢复率低于采用加压法处理的混凝土.但是，随着养护龄期的延长，采用不同处理方法的相同浓度的NNC溶液条件下混凝土的抗渗恢复率表现出较为明显的差异性，在NNC浓度为0%和1%时，浸泡法处理的混凝土抗渗压力恢复率逐渐高于加压法，在2%、3%和4%时，浸泡法处理的混凝土抗渗压力恢复率普遍低于加压法.这主要是因为当NNC浓度较低（不大于1%）时，随着养护龄期的延长，NNC溶液的渗透深度和渗透量逐渐增加，对内部进行了修复，但是加压法无法提供更多的水和NNC，因此修复能力降低；但是当NNC浓度较高（不低于2%）时，加压法注入混凝土裂缝内部的修复材料已经能够满足混凝土的修复需求，但是随着养护龄期的延长，浸泡法会促使更多的修复材料渗入到混凝土内部，造成内部修复材料过多，从而产生应力膨胀，甚至进一步加剧了裂缝的产生，反而对混凝土裂缝修复起到不利的影响.

2.2 NNC不同浓度对混凝土抗渗性能的影响

图2所示为NNC不同浓度条件下，经浸泡法处理试样后，对不同龄期混凝土的抗渗压力恢复率的影响.从图2中可以看出，当NNC浓度为0和1%时，混凝土的抗渗恢复率随着龄期的延长而增大；当NNC溶液浓度为2%和3%时，混凝土的抗渗恢复率随着养护龄期的延长先增大后降低，在28 d时，抗渗恢复率达到最大值，在28 d之后随着NNC溶液浓度的增加，恢复率出现降低，且浓度越大，恢复率降低越快.当NNC溶液浓度达到4%时，混凝土抗渗恢复率在14 d已达到最大值，之后随着养护时间的延长出现下降.

图2 不同浓度NNC溶液浸泡的混凝土抗渗压力恢复率Fig.2 Recovery rate of impermeable pressure of concrete soaked with different concentrations of NNC solution

图3为NNC不同浓度条件下，经加压注入处理试样后，对不同龄期混凝土的抗渗恢复率的影响.从图3中可以看出，当NNC浓度为0%、1%和2%时，混凝土的抗渗恢复率随着龄期的延长而增大；当NNC溶液浓度为3%时，混凝土的抗渗恢复率随着养护龄期的延长先增大后降低，在28 d时抗渗恢复率达到最大值，在28 d之后，随着NNC溶液浓度的增加，恢复率出现降低，且浓度越大，恢复率降低越快.当NNC溶液浓度达到4%时，混凝土抗渗恢复率在14 d已达到最大值，之后随着养护时间的延长出现下降.

图3 不同浓度NNC溶液加压注入的混凝土抗渗压力恢复率Fig.3 Recovery rate of impermeable pressure of concrete injected with different concentrations of NNC solution under pressure

2.3 NNC对混凝土自修复机理分析

NNC能够促进混凝土裂缝自修复，提高混凝土抗渗性能可以从两方面进行考虑，一方面是混凝土试样本身内部存在大量未水化的水泥颗粒，当预制裂缝后，在加压注入水或者浸泡在水中，这些未水化的水泥颗粒遇到水会发生水化反应生成新的水化产物，从而填充、堵塞了裂缝［16-19］，提高了混凝土的抗渗压力；另一方面是制备的NNC溶液能够通过裂缝渗入到混凝土内部，NNC可以和混凝土中的碱性物质发生二次反应，且加快反应的进行，促进反应物的生产，从而形成新的水化产物填充裂缝，使得混凝土裂缝愈合.但是，对比不同浓度NNC条件下自修复混凝土的抗渗压力恢复率可以看出，当NNC浓度过高时反应加快，所以会在较短时间内填充裂缝，提高其抗渗压力恢复率，所以当浓度达到3%以上时，混凝土抗渗压力恢复率在14 d就达到了最大值.但是，由于NNC浓度过高，随着养护时间的延长，裂缝中的反应物增多，体积进一步膨胀，造成混凝土体积非均质膨胀而产生结晶压力.当压力超过混凝土自身抗拉强度时，愈合的裂缝会发生二次开裂，从而造成混凝土抗渗性能下降.在上述分析中可以看出，当NNC浓度达到3%、4%时，无论采取哪种方式修复混凝土裂缝，其抗渗压力恢复率在28 d之后均出现了下降，这就是自修复材料含量过高造成了混凝土裂缝的二次开裂.尤其是在高浓度NNC条件下采用浸泡法时，后期依然有大量NNC能够渗入到混凝土裂缝中，加剧了混凝土裂缝的二次开裂，因此其60 d恢复率明显低于加压法.但是当NNC浓度较低为1%时，裂缝中水化产物生成速率慢、生成量少，因此不会开裂，且随着养护时间的延长，裂缝中水化产物逐渐增多，抗渗压力恢复率逐渐增大.

另外，从上述两种不同处理方式中可以得出结论，在掺入1%NNC溶液时，浸泡60 d的抗渗压力恢复率优于直接压力注入的方式；在掺入2%NNC溶液时，浸泡60 d的抗渗压力恢复率低于直接压力注入的方式.这说明当压力注入1%NNC时，不足以实现抗渗压力值的完全恢复，但是当浸泡60 d时，NNC的含量已经超过了裂缝恢复所需的量，因此在实际生产中，应充分考虑混凝土裂缝修复时可使用的处理方式、处理时间，以采取相应的处理手段.

3 结论

以抗渗压力恢复率为评价指标研究衣地酸二钠、甲酸钙和硅酸钠等活性反应物质复合而成的混凝土自修复材料NNC对混凝土裂缝修复后抗渗性能的影响.结果表明，混凝土掺入NNC溶液后，明显提高了抗渗压力的恢复率；相同处理条件下，抗渗压力恢复时间随着浓度的增加明显缩短；当NNC含量过高时，体积膨胀过大，产生结晶压力，造成混凝土裂缝愈合后二次开裂.

采用浸泡法掺入NNC溶液时，最佳处理方式为：①掺入1%NNC时，处理时间为60 d；②掺入2%NNC时，处理时间为28 d.当采用加压注入裂缝的方式时，掺入2%NNC最佳.因此，使用NNC实现混凝土自修复时，需充分考虑修复时的处理方式、处理时间，采取相应的处理手段.