無機修復劑對混凝土裂縫自愈性的影響研究

朱夢龍, 王心茹, 田周蕊, 田思騰, 朱 楓, 任書霞

(石家莊鐵道大學材料科學與工程學院,河北 石家莊 050043)

混凝土材料具有優異的力學性能和耐久性能且經濟性良好，是現代建筑的基礎材料，但受干縮、溫度、荷載等因素作用，混凝土在水化硬化過程中易開裂，嚴重影響混凝土結構的安全性及使用壽命，后期維護和修補費用巨大。因此，開發能實現混凝土基體裂縫自診斷、自修復的材料已成為混凝土工程界和學術界的研究熱點。目前，有關混凝土裂縫自修復技術主要涉及微生物、微膠囊、纖維、記憶合金以及電化學沉積等方面。采用鈣鹽和細菌誘導碳酸鈣[1-3]的生成、活性二氧化硅[4]等結晶摻合料促進碳酸鈣轉化等均可實現混凝土裂縫自修復，利用具有延展性的預浸膨脹珍珠巖可以控制混凝土內部的裂縫發展[5]，通過造粒技術制備粉煤灰、硅灰、偏高嶺土、石灰石粉、碳酸鈉粉等人工功能骨料提高了砂漿裂縫的自修復能力[6]。雖然上述研究在混凝土裂縫自修復方面的進展顯著，但仍有許多問題亟待解決：空心纖維或膠囊制備難、成型難，形狀記憶合金價格昂貴且加熱加快愈合過程導致不確定性，微生物法需滿足許多先決條件，造粒技術復雜，以上技術并未成熟。因此，本文采用機械混合的方法，以海泡石礦物為基體吸附、包覆氧化鈣、氧化鎂類復合膨脹劑、硅酸鈉等修復組分，制備了一種新型無機的混凝土裂縫自修復劑。該修復劑成本低廉，不僅可以直接內摻混凝土中，操作方便、施工簡便，快速修復混凝土基體的微裂縫，并能改善混凝土基體的抗裂性，能從根本上解決混凝土結構易開裂、難修復、施工困難等技術難題。

1 試驗設計與實施

1.1 原材料介紹

水泥采用石家莊鼎鑫水泥廠生產的P.O 42.5水泥，其化學組成如表1所示；砂為新樂產河砂，其表觀密度為2 580 kg/m3，含泥量2.1%，細度模數為2.7；拌合水為自來水；海泡石由河北宏利海泡石絨有限公司生產；氧化鈣類膨脹劑與氧化鎂類膨脹劑均為FS-4A，由河北青華建材有限公司生產；分析純硅酸鈉，由天津市永大化學試劑有限公司生產；纖維由大城縣亦博化工有限公司生產，當量直徑為18～48 μm，抗拉強度≥500 MPa。

表1 水泥的化學組成

1.2 修復劑的制備

海泡石、氧化鈣復合膨脹劑、氧化鎂膨脹劑、硅酸鈉按0.5∶1∶1∶1的比例稱取。將氧化鈣復合膨脹劑、氧化鎂膨脹劑和硅酸鈉放入滾式球磨機中均勻混合2 h，得到修復組分。之后將海泡石與修復組分再用滾式球磨機混合2 h，制得海泡石基無機裂縫自修復劑。

1.3 膠砂試件的制備

按表2所示的配合比制備尺寸為40 mm×40 mm×160 mm膠砂(模擬混凝土)試件。成型后24 h拆模，標養至相應齡期。

表2 膠砂配合比設計

1.4 測試方法

依據《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》(GB/T 17671-1999)對砂漿試件的抗壓強度進行測試。

抗壓強度恢復率[7]是預制裂縫后養護n天的抗壓強度值與預制裂縫前養護n天的抗壓強度值的比值。其中，裂縫預制方法參考文獻[7]。裂縫寬度測試依據《混凝土裂縫寬度及深度測量儀校準規范》(JJF 1334-2012)，采用全金屬專業200萬數碼體視顯微鏡對裂縫寬度進行觀測。

依據《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》(GB/T50082-2009)對砂漿混凝土試塊進行早期抗裂性能測試。

采用德國布魯克生產D8ADVANCE型號X射線衍射儀對裂縫處愈合產物進行分析。

2 試驗數據分析與討論

2.1 力學性能

圖1給出了修復劑摻量分別為0%、6%、8%、10%和15%膠砂試件在不同齡期的抗壓強度值。由圖1可見，對于摻入修復劑的試驗組試件，盡管其早期(3 d齡期)抗壓強度值較未摻修復劑的空白組試件均有所降低；當修復劑摻量為6%和8%時，降低幅度較小，且隨著養護齡期的延長(齡期>3 d)，其抗壓強度值明顯高于空白組試件；當修復劑摻量過大(>10%)時，其力學性能降低幅度較大。

圖1 修復劑摻量對混凝土抗壓強度的影響

2.2 抗壓強度恢復率

圖2給出了修復劑摻量分別為0%、6%、8%、10%和15%膠砂試件在不同齡期的強度恢復率。由圖2可見，所有摻入修復劑的試驗組膠砂試件，其不同齡期的抗壓恢復率均高于未摻修復劑的空白組試件。對于早期(3 d、7 d)預制的裂縫，其強度恢復率隨著修復組分摻量的增加呈現先增大后減小的趨勢。當修復劑摻量為6%和8%時，試件3 d +28 d和7 d +28 d時強度恢復率較大，尤其是后者分別達到了213.5%和163.9%。對于后期(28 d)預制裂縫，其強度恢復率隨著修復劑摻量的增加而增加，當修復劑摻量為15%時，28 d +28 d抗壓強度恢復率最大(114.2%)，但由于修復摻量過大，導致力學性能發生顯著劣化。因此，本試驗條件下，修復劑的最佳摻量為6%和8%。

圖2 不同修復劑摻量下膠砂試件的強度恢復率

2.3 裂縫寬度

對修復劑摻量分別為0、6%、8%的膠砂試件，標養3 d和7 d后分別預制裂縫，裂縫的初始寬度以及二次水中養護(45 d)裂縫寬度的變化見圖3、圖4。

圖3 不同劑量修復劑3 d預壓裂縫和3 d+45 d修復情況

圖4 不同劑量修復劑7 d預壓裂縫和7 d+45 d修復情況

由圖3、圖4可見，對于3 d預制的裂縫，空白組試件的裂縫寬度從最初的0.18 mm，經45 d的二次養護后，降低至0.07 mm，其裂縫修復率為66.1%。

修復劑摻量6%和8%時，初始寬度0.2 mm左右的預制裂縫，經45 d二次養護后完全修復，裂縫修復率均達到100%。對于7 d預制的裂縫，空白組的裂縫修復率在45 d后為35.7%；當修復劑摻量為6%和8%時，45 d后的裂縫修復率仍可達到100%。上述結果說明摻入6%和8%的海泡石基修復劑，可大幅度提升膠砂試件裂縫的自愈合能力。

2.4 抗裂性

混凝土大板試驗的測試結果見圖5。由圖5可見，空白組的裂縫數為5條，單位面積上的總開裂面積為789.36 mm2/m2。而摻入6%和8%的修復劑之后，產生裂縫的條數降為2條，單位面積上的總開裂面積也分別降低為662 mm2/m2和564 mm2/m2。測試結果表明海泡石基修復劑的摻入大幅度提高了混凝土試件的抗裂性。

圖5 混凝土大板開裂情況

2.5 微觀分析

為進一步探討裂縫修復的機理，將7 d預制裂縫的修復劑摻量6%的試驗組膠砂試件二次養護45 d后，刮出裂縫處的生成產物，進行XRD檢測。裂縫表面生成物和裂縫深處生成的測試結果分別見圖6和圖7。

圖6 表面裂縫處愈合產物的XRD圖譜

圖7 深層裂縫處愈合產物的XRD圖譜

3 結論

通過機械混合方法制備了一種新型的無機混凝土裂縫自修復劑。當其摻量為6%和8%時，所制備膠砂試件的力學性能較優，對裂縫自修復效果最佳，能完全修復寬度0.2 mm左右的裂縫。混凝土大板抗裂試驗結果顯示裂縫條數從空白對照組5條顯著減小至2條，總開裂面積由789.36 mm2/m2下降到662 mm2/m2和564 mm2/m2，抗裂性得到顯著優化。在表層裂縫主要愈合產物為CaCO3、AFT晶體和Al(OH)、Al(OH)3凝膠，在深層裂縫主要產物為莫來石、Al(OH)3和AFT。各產物在單方面作用填充孔隙的同時又與其他產物相互交織形成網絡結構實現裂縫的自修復。