離子觸發釋放Ca(OH)2微膠囊對混凝土性能的影響*

梁 鼒，張力冉，王 倩，董必欽，孔祥明，邢 鋒

(1. 深圳大學 廣東省濱海土木工程耐久性重點實驗室，廣東 深圳 518060； 2. 中國科學院化學研究所 高分子物理與化學國家重點實驗室，北京 100190； 3. 清華大學 土木工程系，北京 100084)

1 實 驗

1.1 實驗試劑

1.2 微膠囊的合成

1.3 微膠囊對離子的響應性

1.4 微膠囊的應用

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準GB/T 50082-2009》制備用于抗碳化試驗的混凝土試塊.將長度為16 cm、直徑為10 cm的具有不同含量微膠囊的圓柱形混凝土試塊放入固化室中固化28 d.由于混凝土中的水會阻礙二氧化碳進入混凝土中，因此，將試塊放于60 ℃烘箱中去除水分.利用石蠟膜密封混凝土塊的頂面和底面后將混凝土試塊放入碳化箱，其中二氧化碳質量分數為(20±3)%，相對濕度為(70±5)%，溫度為(20±2) ℃.分別在7、14和28 d后取出試塊，從頂部4 cm處切割形成截面，將質量分數為1%的酚酞溶液噴涂在截面上，記錄邊界碳化深度.圖1為噴灑酚酞過程中圓柱形混凝土試塊表面的變化.將尺寸為10 cm×10 cm×10 cm且具有不同含量微膠囊的立方體混凝土試塊進行標準養護28 d后，通過伺服液壓機直接測試混凝土的抗壓強度.

圖1 噴灑酚酞過程中圓柱形混凝土試塊的表面變化Fig.1 Changes on surface of cylindrical concrete block during spraying of phenolphthalein

1.5 微膠囊的表征

利用日本日立公司生產的配備X射線能譜儀(EDX)的S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)及日本日本電子公司生產的1011型透射電子顯微鏡(TEM)觀察微膠囊及其在水與NaCl水溶液中浸泡后的殘留物形貌.SEM測試前將樣品進行Pt真空濺射，測試電壓為15 kV.將微膠囊及其在NaCl水溶液中浸泡后的殘留物分散在乙醇中，然后滴加到含碳銅網上制備TEM測試用樣品，測試電壓為15 kV.利用KBr壓片法進行傅里葉變換紅外(FTIR)光譜測試，測試儀器為美國布魯克公司生產的Tensor 27光譜儀，樣品掃描32次.采用日本理學公司生產的D/Max 2500型X射線衍射儀進行X射線衍射測試，掃描范圍為10°～80°，掃描速率為5 (°)/min.采用美國珀金埃爾默公司生產的Lambda 950型紫外分光光度計測試水溶液中的Ca2+濃度.

2 結果與分析

2.1 微膠囊的性能表征

圖2 Ca(OH)2與微膠囊的SEM與TEM圖像Fig.2 SEM and TEM images of Ca(OH)2and microcapsule

Ca(OH)2與微膠囊的EDX結果分別如表1、2所示.在微膠囊產物的EDX結果中檢測到了F和C元素，而純Ca(OH)2粉末的EDX結果中檢測到微量C元素，未檢測到F元素.

表1 Ca(OH)2的EDX結果Tab.1 EDX results of Ca(OH)2 %

表2 微膠囊的EDX結果Tab.2 EDX results of microcapsule %

圖3 Ca(OH)2與微膠囊的FTIR圖譜Fig.3 FTIR spectra of Ca(OH)2 and microcapsule

Ca(OH)2及微膠囊的XRD圖譜如圖4所示.由圖4可見，微膠囊和Ca(OH)2的XRD圖譜具有相似的衍射峰(如2θ=18.04°、34.05°、50.77°)，說明產物結構與Ca(OH)2相同.可見，合成的產物是以PILs為殼、Ca(OH)2為核的微膠囊.

2.2 微膠囊內Ca(OH)2的釋放

圖4 Ca(OH)2與微膠囊的XRD圖譜Fig.4 XRD spectra of Ca(OH)2 and microcapsule

圖5 微膠囊在水和NaCl溶液中浸泡后的SEM與TEM圖像

Fig.5 SEM and TEM images of microcapsule after immersion in water and NaCl solution

表3 微膠囊在水中浸泡后的EDX結果Tab.3 EDX results of microcapsule after immersion in water %

表4 微膠囊在NaCl溶液中浸泡后的EDX結果Tab.4 EDX results of microcapsule after immersion in NaCl solution %

圖6 微膠囊中Ca(OH)2的釋放過程Fig.6 Release process of Ca(OH)2 from microcapsule

2.3 微膠囊的碳化系數

對添加不同含量微膠囊后的圓柱形混凝土試塊的抗碳化能力進行了測試.碳化系數計算公式[21]為

(1)

式中：x為碳化深度；k為碳化系數；t為碳化時間.

3 結 論

2) 未加入微膠囊的混凝土的28 d碳化深度為19.7 mm，加入質量分數為5%的Ca(OH)2后混凝土的28 d碳化深度為17 mm；加入質量分數為5%微膠囊后混凝土的28 d碳化深度為14.2 mm；加入質量分數5%的微膠囊后，混凝土的碳化速率明顯降低.

3) 微膠囊的合成方法簡單易行，成本低，易于大批量制備，本文使用的合成工藝也可用于包封其他功能材料.