絡合型功能外加劑改善水泥基材料性能的研究*

查亞剛 余劍英 王瑞陽 何 鵬

(武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

0 引 言

水泥混凝土為多孔脆性非均相材料，在遭受凍融循環或外力作用時，易形成內部微裂紋和表面宏觀裂縫，使其抗滲性能、耐化學侵蝕和力學性能嚴重降低，導致混凝土構筑物的服役壽命縮短[1].為提高水泥混凝土的性能，各種外加劑已被廣泛使用[2].常用的外加劑主要有減水劑、引氣劑、防凍劑、膨脹劑、防水劑等.這些外加劑雖具有改善混凝土微觀結構和提高其力學性能的作用[3-7]，但對混凝土的內部微裂紋和宏觀裂縫無修復效果.

近些年來，對混凝土微裂縫具有自修復作用的功能化學物質已被開發與應用[8-10].但這類材料主要用于制備水泥基防水涂料和抗滲混凝土，研究工作集中在混凝土的抗滲性和裂縫自愈合方面，而較少研究其對混凝土水化進程、微觀結構和力學性能的影響.

絡合型功能外加劑是筆者研制的一種可賦予混凝土裂縫自修復性能的添加劑，其作用機理為絡合劑可與混凝土中的鈣離子形成可溶性絡合物，該絡合物可隨水遷移至連通孔隙、微裂紋及裂縫中，然后與未水化水泥或空氣中的二氧化碳反應，生成水化硅酸鈣、碳酸鈣等產物，填充孔隙和修復裂縫.本文研究了絡合劑功能外加劑對水泥基材料的凝結時間、微觀結構和力學性能的影響，并采用大板開裂試驗，直觀評價了其對混凝土宏觀裂縫的自修復效果.

1 試 驗

1.1 原料

水泥：P.O42.5；砂：中砂，含泥量和水量均小于1%；絡合型功能外加劑(DS)：本實驗室自制；拌和用水：自來水.

1.2 樣品制備

按照表1的砂漿配比進行原料準備.按照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》的規定，將水泥、砂、絡合型功能外加劑和水加入砂漿攪拌機中進行拌和，然后倒入40 mm×40 mm×160 mm三聯模內，振實成型放置24 h后脫模，放入標準養護室進行養護.

1.3 裂縫預制及自修復試驗

表1 砂漿試驗配合比 g

參照文獻[11]的大板開裂實驗方法進行裂縫預制.采用200 mm×200 mm×20 mm的木模，模底板為4 cm厚的XPS保溫板.在模底板上插入三個間距為50 mm的鐵片裂縫誘導器，與木模周邊距離為20 mm，鐵片高度不超過?？蚋叨?，距木模中心的上方0.8 m處安置一個100 W的白熾燈.將按表1配合比分別制備的砂漿，沿著木模的邊緣螺旋式向中心進行澆筑，直至砂漿料充滿整個木模；刮平試件表面后打開白熾燈，并開啟電風扇向試件表面連續吹風(風速約為5 m/s)，直至試件表面產生一定寬度的裂縫，用PTS-E40綜合測試儀測量初始裂縫.然后，將已產生裂縫的試件放入養護室養護28 d，測量養護后的裂縫寬度.

1.4 性能測試與結構表征

1.4.1凝結時間測試

按水灰比為0.35制備水泥凈漿，分別摻加水泥量0.0%，0.3%，0.5%，1.0%的絡合型功能外加劑，按GB/T1346-2001《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》測試水泥凈漿的初凝和終凝時間.

1.4.2力學性能測試

按照文獻[11]測試養護至不同齡期后的砂漿試件抗折抗壓強度.

1.4.3總孔隙率測試

參照“可蒸發水含量法”[12]測試砂漿的總空隙率.首先將養護齡期為28 d的砂漿試件浸水至恒重，再將完全飽水的試件在105 ℃烘干(12～14 h)至恒重，前后的質量差為失水量.總空隙率計算式為

式中：ρ為總空隙率，%；m0為試件飽水后的質量，g；mn為試件干燥后的質量，g；ρw為水的密度，取1 g/cm3；V為試件的體積，cm3.

1.4.4微觀結構表征

采用某公司發射掃描電子顯微鏡(SEM)對砂漿試樣進行微觀結構表征.將養護28 d的砂漿試樣用乙醇浸泡，然后將已終止水化的砂漿試樣在105 ℃烘箱中烘干，經噴Pt處理后采用SEM觀察其微觀形貌.

2 結果分析與討論

2.1 絡合型功能外加劑對水泥凈漿凝結時間的影響

圖1為絡合型功能外加劑的摻量對水泥凈漿的初凝和終凝時間的影響曲線.由圖1可知，摻加絡合型功能外加劑后，水泥凈漿的凝結時間延長.如摻加0.3%絡合型功能外加劑的水泥凈漿的初凝和終凝時間分別延長了121和37 min，摻量為1.0%時，初凝和終凝時間分別延長了252和233 min，由此可知，絡合型功能外加劑摻量較小時，對初凝時間影響較大，對終凝時間影響較小，而摻量較大時，對初終凝時間均有較大影響.凝結時間的延長表明絡合型功能外加劑對水泥初期水化進程有一定的抑制作用，因此使用絡合型功能外加劑時，應注意調節水泥基材料的凝結時間.

圖1 絡合型功能外加劑摻量對水泥凈漿凝結時間的影響

2.2 絡合型功能外加劑對砂漿力學性能的影響

不同摻量絡合型功能外加劑對不同養護齡期的水泥砂漿試件抗折抗壓強度的影響規律見圖2.由圖2可知，摻加絡合型功能外加劑后，不同齡期的砂漿抗折抗壓強度均有明顯的提高.如相比于普通砂漿A，摻加絡合型功能外加劑的砂漿B，C和D的28 d抗折強度分別提高了11.3%，15.5%和7.0%，抗壓強度分別提高19.5%，26.8%和13.4%，其中絡合型功能外加劑摻量為0.5%的砂漿C的抗折抗壓強度增加幅度最大.因此，絡合型功能外加劑的適宜摻量為水泥量的0.5%.

圖2 絡合型功能外加劑對砂漿抗折抗壓強度的影響

2.3 絡合型功能外加劑對砂漿總孔隙率的影響

水泥基材料的孔隙包括細毛細孔、氣孔與粗毛細孔，總孔隙率能直觀地反映材料內部的密實情況.圖3為摻加不同量的絡合型功能絡合劑的砂漿試件的總孔隙率測試結果.由圖3可知，A砂漿的總孔隙率為17.1%，B，C和D砂漿的總孔隙率分別為15.3%，14.0%和15.5%.與A砂漿相比，B，C和D砂漿的總孔隙率分別減少了10.5%，18.1%和9.4%.這表明絡合型功能外加劑明顯減少了砂漿的內部孔隙，對砂漿的微結構有明顯的改善作用，從而有利于提高水泥基材料的力學性能.絡合型功能外加劑摻量對總孔隙率的影響規律與其對抗折抗壓強度的影響規律相一致.

圖3 絡合型功能外加劑對砂漿總孔隙率的影響

2.4 絡合型功能外加劑對砂漿微觀結構的影響

圖4為不同絡合型功能外加劑摻量的砂漿在養護28 d后的SEM圖.由圖4可知，砂漿A內部孔隙和微裂縫較多，密實度較差，而摻加絡合型功能外加劑的砂漿B，C和D的孔隙和微裂縫中有大量針狀或纖維狀結晶生成，起到了填充孔隙和堵塞裂縫的作用.這一現象很好地解釋了摻加絡合型功能外加劑后，砂漿的總孔隙率明顯降低.

圖4 摻加絡合型功能外加劑的砂漿的SEM圖

2.5 絡合型功能外加劑對砂漿宏觀裂縫的自修復效果

圖5～6分別反映了砂漿A和砂漿C的初始裂縫在養護28 d后的變化情況.由圖5可知，在砂漿A表面形成的兩條寬度分別為0.15和0.25 mm的初始裂縫，養護28 d后，裂縫寬度分別為0.13和0.23 mm，變化很小，而摻加絡合型功能外加劑的砂漿C表面形成的兩條寬度分別為0.18和0.27 mm的初始裂縫，在養護28 d后，裂縫已完全愈合，表現出很好的裂縫自修復作用.

圖5 砂漿A的初始裂縫和養護后的變化情況

圖6 砂漿C的初始裂縫和養護后的變化情況

3 結 論

1) 絡合型功能外加劑對水泥水化有一定的抑制效果，會延長水泥基材料的凝結時間，但在摻量少時，影響程度較小.

2) 絡合型功能外加劑可明顯降低水泥基材料的孔隙率，有利于提高水泥基材料的力學性能.與普通砂漿相比，摻加水泥量0.5%絡合型功能外加劑的砂漿總孔隙率降低了18.1%，28 d的抗折、抗壓強度分別提高了15.5%和26.8%.

3) SEM觀察表明在摻加絡合型功能外加劑的砂漿裂縫中生成了大量的針狀或纖維狀結晶，砂漿的微觀結構得到了很好的改善.

4) 絡合型功能外加劑可賦予水泥基材料優良的裂縫自修復能力.大板開裂試驗表明，摻加0.5%絡合型功能外加劑的砂漿可對寬度達0.27 mm的裂縫實現自修復.

[1] 內維爾,劉數華.混凝土性能[M].北京：中國建筑工業出版社,2011.

[2] 陳銀洲.混凝土外加劑研究概況與進展[J].武漢理工大學學報,2000,22(1):31-33.

[3] 周云.減水劑對混凝土性能影響的試驗研究[J].混凝土,2011(11):86-88.

[4] 薛慶.引氣劑與混凝土高性能化[J].混凝土,2005(4):22-25.

[5] 楊英姿,王政,巴恒靜.工作性對負溫防凍劑混凝土性能的影響[J].武漢理工大學學報,2009(1):30-33.

[6] 謝莎莎,陳霞,楊華全.膨脹劑對混凝土性能影響試驗研究[J].混凝土,2011(1):101-102.

[7] 周述光,劉紅葉,王振軍.改性有機硅防水劑對混凝土性能影響[J].新型建筑材料,2006(4):63-65.

[8] WANG G M, YU J Y. Self-healing action of permeable crystalline coating on pores and cracks in cement-based materials[J]. Journal of Wuhan University of Technology Materials Science,2005,20(1):89-92.

[9] SISOMPHON K, COPUROGLU O, KOENDERS E A B. Self-healing of surface cracks in mortars with expansive additive and crystalline additive[J]. Cement & Concrete Composites,2012,34(4):566-574.

[10] ROIG F M, PIRRITANO F, SERNA P, et al. Effect of crystalline admixtures on the self-healing capability of early-age concrete studied by means of permeability and crack closing tests[J]. Construction & Building Materials,2016,114:447-457.

[11] 王紅喜,陶文濤,杜先照,等.在不同介質條件下滲透結晶型防水涂料對水泥基材料性能的影響[J].中國建筑防水,2013(1):4-7.

[12] 劉偉,邢鋒,謝友均.水灰比礦物摻合料對混凝土孔隙率的影響[J].低溫建筑技術,2006(1):9-11.