内掺CCCW 混凝土抗压强度和自修复性能研究

2023-09-02郭赢赢

山西交通科技 2023年3期

郭赢赢

（山西省交通科技研发有限公司，山西太原 030032）

0 引言

水泥混凝土材料在结构工程领域发挥着重要作用，随着技术发展和性能提升，其应用领域越来越广泛。作为一种水硬性材料，加上其收缩大、抗拉强度低、韧性差的特点，水泥混凝土材料在服役过程中不可避免地会产生裂纹。这一现象，在降低混凝土力学性能的同时也为外部有害介质尤其是水的侵入提供了通道。水的侵入，后续会引发诸如钢筋锈蚀、冻融破坏、碳腐蚀、碱石料反应等一系列问题，最终造成混凝土结构破坏，不仅影响其耐久性，同时给结构安全带来巨大威胁[1-5]。为此，如何防止外来水分的入侵，一直是混凝土研究者面临的重要课题。混凝土防水的传统做法主要有：提升混凝土的密实性；表层做防水保护。这两种方式都有其局限性，无论如何提高混凝土的密实性，内部空隙是无法完全消除的；表层做防水处置，治标不治本，随着表层防水措施的失效，需要不断地重复操作。

裂纹是外来水侵入混凝土的前提，且混凝土早期的裂纹较小，如果能在混凝土最初出现微裂纹时，及时封堵修复，就能阻断裂缝的发展，达到自愈防渗的效果。水泥基渗透结晶防水材料就是在这样的背景下研发出来的。

水泥基渗透结晶防水材料（以下简称CCCW)，是由硅酸盐水泥、其他外加剂配制而成的粉料。在水的作用下，CCCW 中的活性组分会和混凝土中的Ca2+等发生反应生成络合物，当遇到硅酸根、铝酸根时，络合物将会释放出Ca2+与其生成针状结晶物封堵孔隙和裂缝，同时活性组分又可以参与到新一轮的络合沉淀反应中去，当无水的时候，活性组分处于休眠状态，一旦有水进入，活性材料立刻被激活，通过络合沉淀反应完成渗透结晶。因此，CCCW 能有效封堵早期孔隙和裂纹，并且具有永久的防水效果[6]。

CCCW 同水泥混凝土具有很好的适应性，且具有永久的防水效果，激起了广大研究者的研究热情。姚嘉诚[1]等研究了CCCW 与纳米二氧化硅（NS）对混凝土自修复性能的影响，结果表明，CCCW 和NS 能显著改善水泥混凝土的自修复性能。李冰[3]等研究了不同水胶比、不同养护时间、不同养护条件下内掺CCCW 混凝土裂缝愈合性能，结果显示水胶比对混凝土自愈性能有较大影响,标准养护有利于混凝土的自愈合，随着养护时间延长混凝土自愈性能逐渐趋于稳定。逄锦伟[4]通过预留裂缝混凝土抗压强度试验及混凝土抗渗压力试验对掺加CCCW 混凝土自愈合行为进行了研究，结果显示CCCW 能明显提升预留裂缝混凝土抗压强度和抗渗性能。

研究者们针对CCCW 开展了大量研究工作，却鲜有将抗压强度恢复率和渗透恢复率结合起来研究混凝土自修复行为的报道，且现有的研究大多都是利用进口材料在做探索性研究，对CCCW 进行自主研发的则很少。本文是在自主研发的材料基础上，通过抗压强度恢复率和抗渗恢复率对其自愈合及防渗性能进行考察。

1 试验

1.1 原材料

a）水泥 P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，山西万荣神力水泥厂。

b）渗透结晶型防水材料自制。

c）水自来水。

d）砂河砂，细度模数为2.7。

e）碎石压碎值9.6，5～20 mm 的连续级配，山西喜悦发石料厂。

f）减水剂聚羧酸高效减水剂，江苏苏博特新材料股份有限公司。

1.2 配合比

表1 给出了混凝土配合比C40，砂率为35.6%，水胶比为0.45。

表1 配合比单位：kg/m3

1.3 试验方案

该方案中抗压强度试验所用试件均选用100 mm×100 mm×100 mm 立方体试块，每组成型3 个试件；抗渗试验用试件均采用顶面直径为175 mm，底面直径为185 mm，高度为150 mm 的圆台试件，每组成型6 个试件。CCCW 掺量指等质量替代水泥，配合比参照表1。

1.3.1 抗压强度试验

参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）相关规定进行抗压试件的制备、养护、测试。制备基准混凝土试件、掺加CCCW 0.6% 、0.8%、1.0%、1.2% 的混凝土试件各一组，编号分别为J、A、B、C、D，成型1 d 后拆模，随后将试件置于标准养护室养护至28 d，测试极限抗压强度。

1.3.2 抗压强度恢复率试验

制备基准混凝土试件3 组（编号JZ1、JZ2、JZ3)、掺加CCCW 1.0% 混凝土试件3 组（编号NC1、NC2、NC3），成型1 d 后拆模，置于标准养护室养护至28 d；之后，对JZ1、NC1 进行极限抗压强度测试，对JZ2、NC2 分别施加极限抗压强度80%的压力，对JZ3、NC3 分别施加极限抗压强度60%的压力；随后，将经过第一次受压的试件置于标准养护室继续养护28 d，进行极限抗压测试。前后两次抗压强度的比值，即抗压强度恢复率，其计算公式如式（1）：

式中：KI为抗压强度恢复率；IR为各自养护龄期恢复后抗压强度，MPa；I0为标准养护28 d 的抗压强度，MPa。

1.3.3 抗渗试验

参照《水泥基渗透结晶防水材料》（GB 18445—2012）相关规定进行抗渗试件的制备及测试。制备基准混凝土试件（编号JZ-K）、掺加CCCW 1.0% 混凝土试件（编号NC-K）各1 组，成型1 d 后拆模，于20 ℃水中浸水养护至28 d，进行第一次抗渗试验，之后带模标准养护28 d，进行第二次抗渗试验。前后两次抗渗压力的比值，即为抗渗恢复率，其计算公式如式（2）：

式中：MP为抗渗恢复率；P1为一次抗渗压力，MPa；P2为二次抗渗压力，MPa。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度试验结果

不同CCCW 掺量混凝土抗压强度测试结果如图1，掺加CCCW 混凝土试件28 d 抗压强度均高于基准混凝土，且随着CCCW 掺量的增加，混凝土试块抗压强度先增加后逐渐趋于稳定，当CCCW 掺量为1%时，混凝土抗压强度增强效果最为理想。这主要是因为CCCW 中含有的外加剂粒度较小，加入混凝土后，可以起到物理填充作用，减小混凝土内部空隙大小及孔隙率，从而增强混凝土的致密性，使其强度有所增强[7]。同时该物理填充效应随着CCCW 掺量的增加，逐渐达到饱和，所以会出现试验结果中抗压强度随着CCCW 掺量增加不断增强，当CCCW 增加到一定量时，混凝土抗压强度趋于稳定不再随CCCW 掺量增加而增强。

图1 不同CCCW 掺量混凝土试块抗压强度测试结果

2.2 抗压强度恢复率试验结果

如图2 所示，基准混凝土试件JZ1（施加极限抗压强度）、JZ2（预压80%极限抗压强度）、JZ3（预压60%极限抗压强度）二次抗压强度分别为33.5 MPa、34.4 MPa、34.8 MPa，抗压强度恢复率分别为82.1%、84.3%、85.2%；掺加1% CCCW 的混凝土试件NC1（施加极限抗压强度）、NC2（预压80%极限抗压强度）、NC3（预压60%极限抗压强度）二次抗压强度分别为43.2 MPa、47.7 MPa、52.4 MPa，抗压强度恢复率分别为90.5%、99.3%、109.2%。

图2 CCCW 掺量及不同程度预压处理对混凝土二次抗压强度及抗压强度恢复率影响

从试验结果可知，基准混凝土本身具有一定的自修复能力，加入CCCW 使得混凝土的自修复能力得到明显改善。无论是基准混凝土还是掺加了CCCW 的混凝土，受损状况对其自修复效果有很大影响。受损越严重，后期抗压强度恢复率越低。混凝土内部通常会存在一定量的未水化和水化不完全的水泥颗粒，当外来水分通过裂缝或空隙进入混凝土内部，此部分水泥颗粒将会进一步水化形成水泥石，从而填充封堵空隙和裂缝，达到自愈合的效果。掺加了CCCW 后，混凝土的自愈合性能明显改善，一方面，CCCW 本身会额外供给一定量Ca2+及水泥颗粒，使得混凝土自修复能力变强；另一方面，CCCW 内部的活化成分可以催化混凝土内部的Ca2+同硅酸根离子、铝酸根离子等发生络合沉淀反应，生成针状晶体，从而封堵空隙和裂缝，而且该络合沉淀反应可以在较低浓度下进行[8-10]。由于混凝土所受预压力不同，受损程度也不同。受压力越大，破损越严重，表现为裂缝长度、宽度及数量不同。无论是基准混凝土自身修复行为还是CCCW 的渗透结晶修复行为，对混凝土产生的过长过宽裂缝的修复效果都有限。

2.3 抗渗试验结果

不同CCCW掺量混凝土抗渗试验结果如表2所示。

表2 不同CCCW 掺量混凝土抗渗试验结果

结果显示，基准混凝土具有一定的抗渗恢复能力，抗渗恢复率为66.6%；掺加CCCW 后，混凝土的抗渗性能明显提升，且自我修复能力也大为改善，一次抗渗压力是基准混凝土抗渗压力的2 倍，二次抗渗压力是基准混凝土抗渗压力的3 倍，抗渗恢复率提升至92.3%。

一次渗水试验后，混凝土内部的空隙因为水压力形成贯穿孔道，经过再次养护后，原本已出现渗水的混凝土会借助未完全水化的水泥颗粒进一步水化，添加CCCW 的混凝土则借助未完全水化的水泥颗粒进一步水化以及CCCW 渗透结晶的力量自动愈合，达到封堵防渗的效果，因此经过二次渗水试验，可以了解试件的自愈防渗情况，且该试验主要考察渗透结晶材料对混凝土内部空隙的封堵防渗效果。