自修復混凝土的制備及其抗滲性能和抗鹽凍性能

王 麗,白 英

(1. 內蒙古建筑職業技術學院 裝飾與藝術設計學院，呼和浩特 010070; 2. 內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

自修復混凝土的制備及其抗滲性能和抗鹽凍性能

王 麗1,白 英2

(1. 內蒙古建筑職業技術學院 裝飾與藝術設計學院，呼和浩特 010070; 2. 內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

以氯化膽堿為促進劑，超細二氧化硅為活化劑，沸石粉為反應助劑，52.5號普通硅酸鹽水泥為粘結劑，石英砂為結構增強劑，將上述原料攪拌混勻后，與水按照質量比0.4∶1配置成混凝土用修復劑,涂覆于混凝土試件表面，標準養護后得到自修復混凝土試件。考察了自修復混凝土的抗滲性能和抗鹽凍性。結果表明：自修復混凝土的抗滲性和抗鹽凍性得到了明顯的改善，自修復混凝土的一次抗滲壓力和二次抗滲壓力均明顯高于基準混凝土的，在NaCl溶液中，經凍融循環200次后，自修復混凝土的質量損失率較基準混凝土的減少了45%，其相對動彈模量較基準混凝土的下降趨勢更緩。

混凝土；凍融循環；抗滲性；抗鹽凍性

混凝土是當今使用最廣泛的建筑材料和結構材料。由于其自身特點，內部往往存在一些原始微裂紋，在承載期間，微裂紋會進一步擴大轉變為裂縫，使混凝土表面發生開裂[1]。我國幅員遼闊，在我國西部鹽湖地區以及北方沿海地區，室外混凝土工程結構同時還面臨著嚴寒及腐蝕鹽的侵蝕問題。因此，近年來，對混凝土裂縫的控制和修復成為了廣大科研工作者的研究重點。傳統的混凝土修復技術方法主要是對裂縫表面涂刷新配置的砂漿進行修補，這往往造成修補成本大于混凝土的建造成本[2]。目前，修復混凝土裂縫的最新技術主要是基于仿生學原理開發的混凝土自修復技術[3-4]，具體為包括：微膠囊技術[5]和中空纖維技術[6]。這兩種技術均能在混凝土裂紋產生初期，在應力作用下，釋放膠囊內或中空纖維管內的修復劑滲入到裂紋中，修復劑固化，從而抑制裂紋進一步擴展，實現混凝土裂紋的自修復。由于微膠囊、中空纖維管多為脆性材料，在混凝土的振搗過程中，微膠囊和中空纖維管的壁材往往會過早破裂，造成修復劑流失，最終導致混凝土的自修復性能降低。

因此，在自修復混凝土的制備過程中，必須同時兼顧其自修復性能和工藝的可重現性，對于我國西部鹽湖地區以及北方沿海地區，還需同時考察其抗鹽凍性。超細二氧化硅具有高滲透力，能夠激活混凝土中未水化反應的水泥顆粒，并生成不溶于水的絡合結晶體[7]；沸石粉具有較強的堿吸附性，可與混凝土中未水化的水泥生成不溶性的晶體物質，使混凝土結構更加致密[8]。本工作自制了具有自修復性能的混凝土試件，考察了不同養護齡期的自修復混凝土試件的抗滲性，并采用混凝土快速凍融試驗機和動彈儀研究了試件在Na2SO4、Mg2SO4和NaCl溶液中的抗鹽凍性。

1 試驗

1.1 自修復混凝土的制備

以氯化膽堿(含量≧99%，濟南金輝化工有限公司)為促進劑，超細二氧化硅(濰坊寶特化工有限公司)為活化劑，沸石粉(吸附率≧98%，鄭州雨藍環保科技有限公司)為反應助劑，52.5號普通硅酸鹽水泥(內蒙古蒙西水泥有限公司)為粘結劑，石英砂(莫氏硬度為7，內蒙古昌繁石英砂有限公司)為結構增強劑，按照w氯化膽堿∶w超細二氧化硅∶w沸石粉∶w52.5號普通硅酸鹽水泥∶w石英砂為1∶1∶2∶1∶30制成混合物，采用強力機械攪拌混勻后，將混合物與水按照1∶0.4(質量比)混合后即得到本試驗所要求的混凝土修復劑。

參照C40普通混凝土配比設計混凝土試件，具體成分如下：436 kg/m3水泥(內蒙古蒙西42.5級普通硅酸鹽水泥)，605 kg/m3砂(普通河沙，細度模數2.33，表觀密度2 600 kg/m3)，1 228 kg/m3碎石(最大粒徑20 mm的碎石，5～20 mm連續級配，表觀密度2 650 kg/m3)，185 kg/m3水，水灰比為0.4。

分別澆筑4組試件，其中，A組和C組試件尺寸均為上口直徑175 mm，下口直徑185 mm，高150 mm，個數均為6個；B組和D組試件尺寸均為100 mm×100 mm×400 mm，個數均為3個。將制備的混凝土修復劑按1～1.2 kg/m2用量均勻涂覆于上述A組、B組試件表面， 4組試件澆筑24 h后脫模，然后在標準條件下養護28 d。

1.2 試驗方法

混凝土抗滲試驗參照JC 474-2008《砂漿、混凝土、防水劑》規定執行，將養護后的A組試件和C組試件用蠟密封后進行一次抗滲試驗，試驗時，水壓從0.2 MPa開始，水壓增長速率為0.1 MPa/h，當3個試件端面出現滲水，即停止試驗，記錄此時的抗滲壓力。A組試件和C組試件被水擊穿后，繼續標準條件下養護28 d后取出,進行二次抗滲試驗。試驗步驟與一次抗滲試驗時的相同，同時記錄二次抗滲試驗抗滲壓力。

混凝土抗鹽凍試驗參照JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》進行，將養護28 d后的B組試件和D組試件裝入110 mm×110 mm×500 mm橡膠盒內，在盒內分別倒入4%(質量分數，下同)Na2SO4溶液、4% Mg2SO4溶液和4% NaCl溶液，將橡膠盒置于凍融箱中，采用快凍法，每25次凍融循環進行一次動彈模量測試和質量損失率測試。

2 結果與討論

2.1 抗滲性

由表1可見，A組試件的一次抗滲壓力和二次抗滲壓力均高于C組試件的，特別是A組試件的二次抗滲壓力是C組試件的8倍，這表明一次抗滲擊穿后，表面涂覆修復劑能明顯的提高混凝土內部裂紋和孔洞的修復能力，從而有效改善混凝土的抗滲性能。

表1 A組試件和C組試件的抗滲性能Tab. 1 Anti-penetrability of sample A and sample C

2.2 抗鹽凍性

2.2.1 質量損失率

由圖1可見，兩組試件在三種溶液中質量損失度變化呈現出相似的規律：在NaCl溶液中,試件的質量損失率最大，在Mg2SO4溶液中的次之，在Na2SO4溶液中的最小。這表明氯鹽在凍融環境中對混凝土破壞最大，主要是因為在凍融環境中，相較于Na2SO4、Mg2SO4，氯鹽能顯著提高混凝土內部的毛細管平衡飽水度[9]，從而增加混凝土可凍水的含量，造成混凝土內部的結冰膨脹率和結冰壓大大增加。由圖1還可見，在同種鹽溶液的凍融試驗中，自修復混凝土試件(B組試件)的質量損失率要低于基準試件(D組試件)的，這可能是由于自制混凝土修復劑中含有高活性的二氧化硅和沸石粉，它們均能有效滲入混凝土內部，與混凝土中未水化的水泥顆粒發生反應生成不溶的結晶體沉淀物，從而堵塞和封閉混凝土中的毛細孔通道和細微孔隙，使混凝土結構更加致密，在凍融試驗中，能夠有效減少混凝土的質量損失率。

(a) B組試件

(b) D組試件圖1 B組試件和D組試件在不同溶液中質量損失率隨凍融次數的變化曲線Fig. 1 Mass loss rate vs. freezing and thawing cycle curves of sample B(a) and sample D(b) in different solutions

2.2.2 相對動彈模量

由圖2可見，隨著凍融循環次數增加，在不同鹽溶液中，兩組試件的相對動彈模量均呈下降趨勢，在同一種鹽溶液中，兩組試件相對動彈性模量的下降趨勢不同。

在NaCl溶液中，B組試件的相對動彈模量下降趨勢較D組試件的更緩，凍融循環次數為200次時，B組試件的相對動彈模量為76.1%，D組試件的為62.3%，幾近于破壞，這表明在NaCl溶液中，隨著凍融次數的增加，混凝土內部出現了更多的微裂紋和水分通道，加劇了凍融破壞，由于修復劑能在一定程度上與混凝土內部的未水化水泥反應，最終使得混凝土結構更加致密，從而能夠適當延緩混凝土的凍融破壞。

(a) B組試件

(b) D組試件圖2 B組試件和D組試件在不同溶液中相對動彈模量隨凍融次數的變化曲線Fig. 2 The relative dynamic elastic modulus vs. freezing and thawing cycles curve of sample B (a) and sample D (b) in different solutions

在Mg2SO4溶液中，B組試件的相對動彈模量下降趨勢與D組試件的相近，這表明在Mg2SO4溶液中，隨著凍融次數的增加，凍融破壞對兩組混凝土試件產生的結果相似，這可能是由于Mg2SO4溶液中，有大量Mg2-，與混凝土內部的Ca2+反應生成不溶性的鈣鎂結晶體，堵塞了混凝土凍融破壞產生的水分通道，延緩了混凝土進一步凍融破壞的趨勢。

在Na2SO4溶液中，當凍融次數不超過150次，B組試件的相對動彈模量下降趨勢較D組試件的更緩，這表明在凍融初期，自修復混凝土中的修復劑對混凝土內部結構起到了更好的保護作用。

2.3 修復機理

由圖3可見，標準養護28 d后，基準混凝土內部存在大量孔洞，而在自修復混凝土中，由于表面涂覆的修復劑中的活性二氧化硅、沸石粉滲入到混凝土內部，與混凝土內未水化的水泥反應生成了大量枝蔓狀結晶體，穿插在其混凝土內部空隙中，對內部飽和水行經的毛細通道形成了有效封閉，使得整個混凝土試件成為一個完整的整體，有效堵塞了水及各類化學物質的侵襲。

(a) 基準混凝土

(b) 自修復混凝土圖3 基準混凝土和自修復混凝土經28 d養護后的SEM形貌Fig. 3 SEM morphology of reference concrete (a) and self repairing concrete (b) after 28 d curing

在抗滲試驗中，混凝土試件受到水壓作用，由于修復劑對其內部毛細通道的封閉作用，自修復混凝土表現出更高的抗滲壓力，說明涂覆的修復劑對混凝土受外壓造成內部結構的破壞有很好的修復作用。

在抗鹽凍試驗中，鹽溶液進入混凝土的孔隙中，并開始在大孔中凝結，而在不同的孔隙中，鹽溶液的受凍情況表現不同，導致不同孔隙中鹽溶液的含量不同，根據滲透壓理論，在不同孔隙之間會形成一定的滲透壓作用；同時，由于溫度低，鹽溶解度降低，使得大量鹽類開始結晶。滲透壓與鹽類的結晶壓共同作用于混凝土，對混凝土產生極大破壞，圖4為凍融過程中混凝土表面及其裂縫中產生的鹽類結晶。由圖4可見，大量鹽類開始在混凝土表面聚集。

圖4 凍融循環過程中混凝土表面鹽類結晶Fig. 4 The salt crystallization on concrete surface during the freezing and thawing cycles

不同的鹽溶液對混凝土影響作用表現不同。在NaCl溶液，氯鹽會增加混凝土表面的飽水程度，同時試件中Ca(OH)2在NaCl溶液中的溶解度大，這造成鈣流失，使細集料從表面剝離，故鹽蝕最為嚴重；Na2SO4溶液中，Na2SO4凍融產生較大結晶壓力和由化學膨脹造成的混凝土損傷，原因在于SO42-會與Ca2+反應生成石膏CaSO4，在混凝土內部產生膨脹應力，使得混凝土內部產生各種大小的裂縫，增加了可結冰飽和水的行經通道，在凍融作用下，更易受到破壞，表現為混凝土基體的相對動彈模量下降趨勢更快，質量損失率較大；在MgSO4溶液種，除了SO42-與Ca2+化學反應造成膨脹性破壞之外，由于Mg2+會置換水化硅酸鈣中Ca2+，形成無膠結能力的水化鈣鎂晶體，從而導致混凝土出現一定的脫鈣反應，造成C-S-H凝膠分解，表現為混凝土內部結構潰散，膠結能力降低。

自修復混凝土由于其表面成分可以滲入混凝土內部與未水化水泥反應生成枝蔓結晶體，對由鹽溶液作用引起的裂縫孔道表現出一定的修復作用，鹽凍試驗結果表明,較基準混凝土，自修復混凝土的質量損失率及動彈模量都得到了極大改善。

3 結論

(1) 自修復混凝土的抗滲壓力比基準混凝土的高，特別是其二次抗滲壓力是基準混凝土的8倍，即表面涂覆混凝土修復劑對混凝土內部裂紋和孔洞有優異的修復能力；

(2) 自修復混凝土試件在抗鹽凍試驗中的質量損失率要低于基準試件的；

(3) 在凍融循試驗中，與基準混凝土相比,自修復混凝土在NaCl、Mg2SO4、Na2SO4三種鹽溶液中的相對動彈模量均較低。

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Preparation and Anti Permeability and Anti Salt Freezing-thawing on the Concrete of Self-repairing Concrete

WANG Li1, BAI Yin2

(1. Department of Decorative Art and Design, Inner Mongolia Technical College of Construction, Huhhot 010070, China;2. College of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China)

The self-repairing concrete was prepared using choline chloride as accelerant, ultrafine silicon dioxide as activating agent, zeolite powder as reaction assistant, 52.5#ordinary portland cement as binder and quartz sand as structural enhancer to form a mixture, after stirring evenly, adding water in accordance with the proportion of 0.4 water∶1 mixture to corrfect a concrete repair agent, and then ia was coated on the concrete surface to get self-repairing concrete. The anti permeability and anti salt freeze-thawing performance of the self-reparing concret were investigated. The results show that the anti permeability and anti salt performance of the self-repairing concrete were significantly improved, the anti seepage pressure and secondary impermeability pressure were both significantly higher than the benchmark concrete′s. In NaCl solution, after 200 times of freezing and thawing cycle, the self repairing concrete quality loss rate reduced 45% than the benchmark concrete′s, the relative dynamic elastic modulus declined more slowly than the benchmark concrete′s.

concrete; freeze-thaw cycle； anti-permeability； frost-salt resistance

10.11973/fsyfh-201703007

2015-09-18

王 麗(1982-),講師,碩士從事建筑材料、施工、結構研究的工作,17096526342,minganw@163.com

U416.217

A

1005-748X(2017)03-0189-04