基于不同湿度环境下高分子修复剂对混凝土裂缝自愈合性能的影响研究*

石宝存 陈景雅 朱润禹 孙 睿 王方伟

(河海大学土木与交通学院, 南京 210098)

0 引 言

随着科技的进步和发展,混凝土已被广泛地应用于各类工程领域中,对改善人民生活和建筑行业的发展起到了极大的促进作用[1-3],因此对于不断完善和优化混凝土优良特性的研究也逐渐成为土建行业发展的重点。

混凝土作为一种准脆性材料,服役期间的开裂现象加速了各种有害离子对混凝土结构的劣化作用,极大地降低了混凝土材料服役寿命[4-6]。而湿度环境贯穿了混凝土整个服役周期,若混凝土内湿度高于外界湿度时,会造成水分的扩散和流失,从而出现干缩现象。同时混凝土结构的应力状态也会随湿度的变化产生显著影响,导致对结构完整性和稳定性威胁较大的宏观裂缝不断出现[7]。因此对湿度环境下混凝土裂缝的扩展规律和自愈合机理的研究十分有意义[8]。Wang等研究了硫酸盐和干湿循环作用下混凝土孔隙结构的变化,发现在硫酸盐的作用下体积较小的微孔逐渐闭合[9]。欧阳威研究了四种不同风和湿度环境下裂缝宽度对混凝土碳化性能的影响,发现无风潮湿环境下碳化速率最大,湿度环境对开裂混凝土性能有较大影响[10]。Bary等进行了复合盐与干湿循环耦合作用下的混凝土性能变化试验,发现干湿循环加剧了有害离子对混凝土的侵蚀作用[11]。马强等设计了四种不同湿度环境,研究发现液态水有利于水化产物碳酸化产生结晶沉淀弥补裂缝孔隙,提高裂缝愈合率,而相对湿度95%和自然空气环境下的裂缝修复效果较差[12]。Liu等研究发现浸泡在海水的水泥浆体裂缝修复率高于标准养护环境,同时干湿循环可以提高水泥基材料密实度[13]。陈海涛等对温、湿度梯度引起的构件应力问题进行数值模拟,发现早龄期裂缝主要以横向裂缝为主,且集中出现在水化热反应最剧烈的阶段[14]。目前关于不同湿度环境对混凝土裂缝的影响机理和劣化过程的探究较少,并且相应环境下通过添加环境响应型高分子修复剂来促进混凝土裂缝自修复特性的研究较为匮乏。

因此,模拟6种不同湿度环境(自然空气,相对湿度30%、60%、90%,干湿循环,浸水),通过混凝土裂缝愈合前后的表观形貌特征变化、水分传输性测试、气体渗透性检测和抗压强度来展现混凝土裂缝的劣化演变规律和自修复特性,并且利用SEM、能谱分析和X射线衍射等多种微观技术来进一步揭示在不同湿度环境下环境响应型高分子修复剂对损伤混凝土自愈合的促进机理。

1 试验材料与方法

1.1 试验原材料

试验采用P·O 42.5中联牌硅酸盐水泥,其化学成分见表1;粗骨料采用级配良好的普通碎石;细骨料采用细度模数为2.3的石英砂;减水剂采用浓度17%的聚羧酸减水剂;修复剂是以丙烯酰胺和丙烯酸为单体,亚甲基双丙烯酰胺为多官能团交联剂,在50 ℃氮气保护下,双方与水进行聚合反应而产生的环境响应型高分子共聚物;养护用水为去离子纯净水;实验用水为南京当地自来水。

表1 水泥化学成分Table 1 Chemical composition of cement %

1.2 试件制备及养护

试件采用尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方体,具体配合比如表2所示。为保证试件和裂缝预制的质量,将逐层振捣法和三点加荷法相结合,在距模具底50 mm和100 mm处分别插入2根和1根细钢丝,钢丝的直径为2 mm,长度为150 mm,将试件在标准养护环境下养护28 d,利用万能试验机以0.03～0.04 MPa/s的加载速度施加循环荷载预制裂缝,加载至裂缝出现为止,可在试件中央得到一条不规则裂缝,选取裂缝宽度约为0.3～0.6 mm的试件放入不同湿度环境下培养,检测养护龄期设置为0,7,14,28 d。初始裂缝混凝土试件制作流程如图1所示。

表2 混凝土试件配合比Table 2 Mix proportions of concrete specimens g

1.3 环境的模拟

1.3.1湿度环境

采用可调节湿度和温度的恒温恒湿培养箱在设定混凝土标准养护温度的条件下来模拟相对湿度30%、60%和90%的试验环境,控湿范围为20%～90%,其中自然空气为南京市夏季室内环境。

1.3.2干湿循环制度

采用电热鼓风干燥箱和标准养护温度下浸泡来模拟干湿循环,水中浸泡16 h,60 ℃下烘干6 h,冷却2 h,24 h为一个周期,试验共持续60次循环。每次采用6组试件进行试验,则干湿循环制度如表3所示。

表3 干湿循环制度Table 3 Dry-wet cycle system

图1 初始裂缝混凝土试件制作流程Fig.1 Flow chart of fabrication of initial cracked concrete specimen

1.4 裂缝自修复的检测与表征方法

检测和评价混凝土裂缝自修复的方法一共可以分为两类:一类为宏观检测,其中包括表观形貌特征变化、水分传输性、气体渗透性和抗压强度;另一类为微观检测,其中包括扫描电子显微镜、能谱分析和XRD定性分析。

1.4.1水分传输性

混凝土材料由于结构密实导致水分在结构内部传输速率较低,而开裂的混凝土试件随裂缝宽度的增加吸水量增大,吸水速率提高。因此,利用水分传输性可间接确定裂缝宽度的变化情况。先将混凝土试件放入100 ℃的烘箱中,烘干至恒重,然后以混凝土开裂部位作为吸水面,使水平面始终浸没开裂部位,分别称取各试件吸水过程中的质量,时间间隔分别为0,0.5,1.5,3,6,9,12,16 h,共测48 h。采用吸水速率降低率φ来表征混凝土裂缝的修复速率,计算式见式(1)。

(1)

式中:φ为吸水速率降低率;υ0为混凝土试件在不同湿度环境中养护0 d后的吸水速率,g/h;υ28为混凝土试件在不同湿度环境中养护28 d后的吸水速率,g/h。

1.4.2气体渗透性

采用瑞士标准推荐方法[15]Torrent气体渗透性测试法,利用气体渗透装置密闭抽气制造负压状态,然后利用混凝土试件内外压强差使得试件内部发生渗透流动,记录内部气压随时间的变化情况,推算出气体渗透性系数DT,进而得出相应环境下裂缝的愈合程度。气体渗透性系数DT越高,表明混凝土试件空隙连通程度越大。分别测量并记录每组试件在不同湿度环境养护28 d后气体渗透系数。

1.4.3电镜扫描及能谱分析

采用SEM 450超高分辨率场发射扫描电子显微镜和牛津电制冷能谱仪,结合电镜扫描和能谱分析,使两项微观仪器的优势得到充分发挥。将混凝土裂缝试样置于不同高倍率电镜下扫描,当发现某一部分特征有异或疑似有新物质产生时,再利用能谱分析进一步确定该部分物质的详细成分,明确裂缝自修复过程的微观变化,使得该检测达到定性定量分析裂缝自愈合微观原理的目的。

1.4.4X射线衍射试验

主要依据X射线物相分析的基本原理,每个不同的晶体物质具有不同的衍射角度和强度,XRD定性分析试验通过对比反应物和标准物质的X射线衍射峰值变化,确定混凝土试件劣化和裂缝自修复过程中是否有新物质的产生或原有物质的消失,进而更加明确混凝土裂缝的微观愈合机制。将经不同环境培养后已发生自愈合的部位进行切割和研磨,一直加工到粒度为75μm以下,烘干后放入衍射仪进行检测,以CuKα为辐射源,在5°～75°的范围内进行扫描,测试温度为常温,加速电压为 45 kV,电流 35 mA。

2 结果与讨论

试验共模拟6种不同湿度环境,用A～F分别表示自然空气,相对湿度30%、60%、90%,干湿循环和浸水环境,0表示不掺入修复剂的混凝土试件(素混凝土),1表示掺入环境响应型高分子修复剂的混凝土试件。例如A0表示自然空气环境下不掺入修复剂的混凝土试件。为了更好地形成对比,同种修复环境选用同批次裂缝宽度、力学性能和耐久性等都几乎相同的混凝土试件进行试验。

2.1 表观形貌特征

不同湿度环境下混凝土试件表观形貌特征变化如图2所示。由图2可知:经不同湿度环境养护28 d后素混凝土裂缝损伤愈合效果存在明显差异,A0、B0和C0组的裂缝宽度基本没变,试件表面出现明显的砂化和剥落现象,说明自然空气、相对湿度30%和相对湿度60%的湿度环境对素混凝土裂缝几乎没有修复作用。相比之下,E0和F0组裂缝闭合程度较为明显,说明较高的湿度环境有助于裂缝的自修复行为。而添加环境响应型高分子修复剂的混凝土试件在不同湿度环境下的修复效果明显优于素混凝土,初始裂缝几乎闭合,表面恢复光滑,试件整体密实度提高,说明高分子修复剂对混凝土裂缝自愈合具有极大的激励作用。其中F1组试件裂缝损伤修复效果最佳,说明液态水有助于高分子修复剂充分发挥对混凝土裂缝修复行为的促进作用。

a—自然空气; b—相对温度30%; c—相对温度60%; d—相对温度90%; e—干湿循环; f—浸水环境。图中0 d、28 d为试件龄期。图2 不同湿度环境下混凝土试件表观形貌特征变化Fig.2 Appearance and morphology changes of concrete samples under different humidity environments

2.2 混凝土裂缝愈合前后的水分传输性分析

水分传输性试验检测了混凝土裂缝试样在6种不同湿度环境作用下养护前和养护28 d后48 h内的吸水量和水分传输速率,其变化曲线如图3所示,各组混凝土试样吸水速率及修复率如表4所示。

a—自然空气; b—相对湿度30%; c—相对湿度60%; d—相对湿度90%; e—干湿循环; f—浸水环境。图3 不同湿度环境下混凝土吸水量变化曲线Fig.3 Variation curves of water absorption of concrete under different humidity environments

由图3a、图3b可知,A0和B0组混凝土试件养护28 d后的吸水量大于养护前,说明在自然空气和相对湿度30%的养护环境下素混凝土裂缝在不断劣化加深。由图3c～图3f可知,随着湿度的增加,裂缝养护后的吸水量逐渐降低,说明混凝土损伤开始出现了不同程度的修复行为,而掺入环境响应型高分子修复剂的混凝土试件吸水量整体小于素混凝土,说明高分子修复剂对裂缝自愈合有较好的促进作用。由表4可知,不同湿度环境下裂缝损伤修复率先降低后增加,其中B0组修复率最低,为-16.12%,表明在该环境下混凝土裂缝不但没有得到修复,还发生了劣化,使得裂缝宽度变大,也就是说该环境下劣化大于修复,说明该环境会侵蚀混凝土,使其裂缝增大,因此修复率为负值(即混凝土裂缝宽度比在该环境培养前的原始裂缝宽度变大)。随着湿度的增加,素混凝土裂缝修复率略有提升,A0组的修复率高于B0组是由于空气中的杂质或尘埃粒子堵塞裂缝孔隙,增加了混凝土试件密实度,降低了水分传输速率。掺入环境响应型高分子修复剂的混凝土裂缝修复率远高于素混凝土,其中修复率最高的F1组为70.38%,比F0组高出了51.66%,修复率最低的B1组为34.53%,比B0组高出了50.65%,表明高分子修复剂对混凝土裂缝损伤自愈合的激励作用显著,且较高的湿度环境有利于促进裂缝损伤的恢复。

表4 不同湿度环境作用前后混凝土吸水速率变化Table 4 Changes of water absorption rate of concretebefore and after being sujected to differenthumidity environmental effects

2.3 混凝土裂缝愈合前后的气体渗透性分析

利用Torrent气体渗透性测试法,分别对不同湿度环境下A0～F1共12组试件的气体渗透性进行检测,其中气体渗透性系数如表5所示。

由表5可知:B0组的气体渗透性系数最高,F1组的气体渗透性系数最低,说明F1组试件密实度较高,裂缝修复效果最佳。干湿循环加快了湿度变化速率,加剧了有害离子对混凝土结构的侵蚀作用,但也伴随结晶体不断析出富集填充裂缝,降低了气体渗透性系数。由图4可知:随着养护湿度的增加,混凝土气体渗透性系数呈直线下降的趋势,并且掺入环境响应型高分子修复剂的混凝土试件在浸水环境中裂缝损伤修复效果最好,说明湿度环境也有助于修复剂充分发挥激励作用,同时潮湿环境能促进水泥基材料碳酸化和水化反应的发生,进而填充裂缝损伤,增强材料结构密实度。

表5 不同湿度环境下混凝土气体渗透性系数变化Table 5 Variation of gas permeability coefficient ofconcrete specimens in different humidity environments

图4 不同湿度环境下混凝土气体渗透性系数变化曲线Fig.4 Variation curves of concrete gas permeabilitycoefficient under different humidity environments

2.4 混凝土裂缝愈合前后的抗压强度变化规律

不同湿度环境下混凝土抗压强度变化曲线如图5所示,抗压强度恢复率如图6所示。由图5可知,A0和B0组素混凝土试件养护28 d后的抗压强度明显降低,说明自然空气和相对湿度30%的修复环境没有发生裂缝的自修复行为,C0～E0组环境养护后的抗压强度比养护前的略高,但变化幅度较小,在素混凝土中浸水环境下的F0组试件抗压强度最大,因为液态水可以促进水化反应的进行,提高混凝土整体密实度,增加有效承压面积,进而提升抗压强度。而掺入环境响应型高分子修复剂的混凝土试件抗压强度明显高于素混凝土,说明高分子修复剂对恢复混凝土材料力学性能方面作用显著。由图6可知,素混凝土中F0的抗压强度恢复率最大为9.15%,B0的抗压强度恢复率最小,为-6.13%,而添加环境响应型高分子修复剂的混凝土试件在不同湿度环境下养护28 d后的抗压强度比养护0 d的抗压强度分别增加了27.17%、24.20%、28.72%、35.24%、45.23%和52.35%,比素混凝土试件分别提高了30.27%、30.33%、26.86%、29.11%、37.54%和43.21%,说明环境响应型高分子修复剂可以有效地激励混凝土裂缝自修复行为,促进混凝土材料强度特性的提升。

图5 不同湿度环境下混凝土抗压强度变化曲线Fig.5 Variation curves of concrete compressive strengthunder different humidity environments

图6 不同湿度环境下混凝土抗压强度恢复率Fig.6 Recovery rates of concrete compressive strengthunder different humidity environments

2.5 扫描电镜及能谱分析

由上述试验发现不同湿度环境中浸水环境下混凝土裂缝的修复效果最佳,所以本试验对F0和F1组的混凝土裂缝断面进行电镜扫描和能谱分析,通过微观结构探究混凝土裂缝的演化过程和损伤修复机理,其微观图像和能谱分析见图7～10。

图7 F0组电镜扫描图Fig.7 Scaning images of electron microscope of group F0

图8 F0组能谱分析图Fig.8 Energy spectrum analysis diagrams of group F0

图9 F1组电镜扫描图Fig.9 Scanning images of electron microscope of group F1

图10 F1组能谱分析图Fig.10 Energy spectrum analysis diagrams of group F1

由图8和图10可知:在浸水环境下裂缝断面处有大量絮状C-S-H凝胶和针棒状的钙矾石生成,随着培养龄期的延长,C-S-H凝胶和钙矾石逐渐增多相互包裹凝结,搭接在裂缝断面内侧,同时还有一些较小的颗粒状沉淀产物紧贴在裂缝断面处,逐渐填补空缺。这是由于混凝土开裂后裸露出的未水化的水泥颗粒遇水后发生水化反应,生成了大量的水化产物,同时部分的水化产物又与溶于水的CO2反应,产生了CaCO3等沉淀物质,这些水化产物和沉淀物逐渐填充裂缝断面。由图7和图9可知:F1裂缝断面处产生的填充物质要明显多于F0处,并且F1处填充物相互搭建的程度也要高于F0处,这是因为环境响应型高分子修复剂是以丙烯酰胺和丙烯酸为单体的共聚物,通过官能团极强的物理吸附作用和与混凝土材料中金属离子的络合作用使得高分子修复剂以网状形式黏附在裂缝界面周围,在有利环境的促进下吸水膨胀填充裂缝,同时隔绝材料内外空间,避免有害离子继续侵蚀结构内部,提高裂缝愈合效率,这也进一步说明高分子修复剂在浸水环境中对裂缝自修复具有一定的激励作用,与前文结论一致。

2.6 XRD定性分析

取浸水环境下F0和F1组混凝土试样进行X射线定性分析,并且每组试样分别取有裂缝和无裂缝两个部分进行物相分析,观测裂缝愈合过程中各元素组成变化情况,明确混凝土试件的侵蚀过程和裂缝修复机理。XRD定性分析图谱见图11～14。

图11 F0组无裂缝部位XRD图谱Fig.11 XRD pattern of crack-free parts in group F0

图12 F0组裂缝部位XRD图谱Fig.12 XRD pattern of crack parts in group F0

图13 F1组无裂缝部位XRD图谱Fig.13 XRD pattern of crack-free parts in group F1

图14 F1组裂缝部位XRD图谱Fig.14 XRD pattern of crack parts in group F1

由图11和图13可知:无裂缝状态F0和F1组特征峰值几乎不变,说明同种环境下同组制备的混凝土试件物质含量和性能近似相同。由图11和图12可知:相比无裂缝状态,有裂缝部位的特征峰值出现了CaCO3、CH和AFt等物质,说明在自愈合的过程中裂缝部位发生了化学反应,有新的物质产生,并对裂缝断面进行填充,提高了混凝土的密实度,这是由于混凝土裂缝处未水化的水泥颗粒在充足水的作用下发生水化反应,生成了水化产物C-S-H、CH和AFt等,大量的水化产物又与水中的CO2反应,产生了不溶于水的CaCO3,促进了裂缝的愈合。对比图12与图13可知:F1组裂缝部位出现的新物质的特征峰值要略微高于F0组,这说明F1组裂缝部位的化学产物要多于F0组,所以F1组裂缝的修复状态要优于F0组,这也进一步表明高分子修复剂在浸水环境下有助于混凝土裂缝自修复行为。

3 结 论

通过混凝土裂缝愈合前后的宏观形貌特征变化、水分传输性测试、气体渗透性检测和抗压强度来表明不同湿度环境下混凝土损伤劣化演变规律和裂缝自修复特性,并且利用SEM、能谱分析和XRD定性分析等微观技术来进一步揭示在湿度环境下添加环境响应型高分子修复剂对损伤混凝土自愈合的作用机理。结合相关试验研究,得到如下结论:

1)掺入环境响应型高分子修复剂的混凝土裂缝修复率和抗压强度明显高于素混凝土,促进作用显著,在浸水环境中高分子修复剂的激励作用最佳,裂缝修复效果最好。

2)随着湿度的增加,混凝土裂缝修复率呈先减小后增大的变化趋势,自然空气和相对湿度30%的养护环境不利于裂缝自修复的进行,而自然空气中混凝土试件密实度得到短暂提升,是由于空气中的杂质或尘埃粒子堵塞裂缝孔隙所造成的。较大的湿度环境有利于激发混凝土裂缝的自愈合性能,延长材料服役寿命。

3)水分的存在是未水化的水泥颗粒继续水化的主要原因,随着湿度的增大,水化产物逐渐增多,水化产物和结晶沉淀的产生和富集都有助于裂缝的愈合行为,混凝土裂缝自修复行为是物理作用和化学变化共同作用的结果。