高吸水性樹脂提高井壁混凝土水密性能的機(jī)理

王建軍 ，周英烈，王曉雨

(1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司北京分公司， 北京 100020；2.石家莊鐵道大學(xué)， 河北 石家莊 050043)

0 引言

混凝土是用量最大的人造材料之一，被廣泛用于建造橋梁、隧道、井壁等結(jié)構(gòu)。其中，井壁混凝土是礦井結(jié)構(gòu)的重要組成部分[1]。地震、爆破、過載、溫度波動(dòng)等因素都可能造成井壁混凝土開裂[2]。裂縫會(huì)導(dǎo)致井壁結(jié)構(gòu)的防水性能降低[3]，地下水的滲入會(huì)嚴(yán)重威脅井下作業(yè)人員和施工機(jī)械的安全。此外，裂縫也會(huì)成為地下水進(jìn)入混凝土內(nèi)部的快速通道，地下水中的Cl?、SO42?等離子可能會(huì)引起鋼筋的腐蝕，從而導(dǎo)致井壁結(jié)構(gòu)的耐久性降低[4]。現(xiàn)有的裂縫修復(fù)技術(shù)包括注射環(huán)氧[5]、噴涂有機(jī)樹脂和電沉積涂層等[6?7]。但上述技術(shù)的缺點(diǎn)在于需要先確定裂縫位置再進(jìn)行修復(fù)，耗費(fèi)大量人力和物力，且無法對(duì)細(xì)微裂縫和復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處的裂縫進(jìn)行檢查和修復(fù)。

高吸水性樹脂（SAP）是一種新型裂縫自修復(fù)材料。顆粒狀SAP 可在混凝土拌合時(shí)摻入，因而能夠在混凝土中均勻分布[1]。SAP 在混凝土拌合階段吸水膨脹，當(dāng)水泥水化導(dǎo)致混凝土內(nèi)部濕度降低時(shí)，混凝土與SAP 顆粒之間的濕度差會(huì)導(dǎo)致SAP 收縮并向混凝土釋放水分，從而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生SAP 孔[8]。SAP 孔相當(dāng)于宏觀缺陷，當(dāng)裂縫產(chǎn)生時(shí)，裂縫傾向于沿SAP 孔擴(kuò)展，故SAP 顆粒能夠暴露在裂縫表面[9]。當(dāng)環(huán)境中水分沿裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部時(shí)，裂縫表面的SAP 能夠再次吸水膨脹并堵塞裂縫，從而提高已開裂混凝土的水密性并達(dá)到裂縫自修復(fù)的效果[10]。

采用SAP 進(jìn)行裂縫自修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）SAP 遇水發(fā)生膨脹，修復(fù)過程自發(fā)進(jìn)行，無需人為干預(yù)；（2）選取合適種類的SAP 能夠在短時(shí)間（1～5 min[11?12]）內(nèi)完成裂縫修復(fù)；（3）SAP 顆粒可暴露在裂縫表面，因而能夠修復(fù)網(wǎng)狀裂縫和多重裂縫[13]；（4）SAP 在高溫環(huán)境（如50℃）中依然能夠高效修復(fù)裂縫[14]。雖然SAP 的裂縫自修復(fù)行為得到較多報(bào)道，但是SAP 的裂縫自修復(fù)機(jī)理仍缺少深入研究。本文以井壁混凝土為研究對(duì)象，分析了SAP 對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，探究了SAP 對(duì)裂縫中水流速的影響及裂縫中SAP 的形態(tài)特征。本研究有助于深入分析SAP 的裂縫自修復(fù)機(jī)理和挖掘SAP 在井壁混凝土中的應(yīng)用潛力。

1 材料及試驗(yàn)方法

1.1 配合比和力學(xué)性能測(cè)試

所配制C40 井壁混凝土的配合比見表1。原材料包括冀東P·O 42.5 水泥、金隅Ⅱ級(jí)粉煤灰（45 μm篩余6.5%）、河砂（崇禮大橋采砂廠）、5～31 mm碎石（宣化東升石料廠）、自來水、顆粒狀SAP 和聚羧酸減水劑（黃河新型化工，固含量25%）。其中，水泥的28 d 強(qiáng)度為49.8 MPa。所用丙烯酸交聯(lián)丙烯酰胺型SAP 采用本體聚合工藝生產(chǎn)，SAP顆粒的粒徑為0.3～0.7 mm。SAP 的密度為1.1 g/cm3，其在去離子水和0.9% NaCl 溶液中的膨脹率分別為285 倍和34 倍。SAP 的摻量為水泥質(zhì)量的0、0.4%、0.8%和1.2%，并以SAP 的摻量對(duì)各組試樣進(jìn)行命名。如C0.4，表示本組SAP 的摻量為水泥質(zhì)量的0.4%。

表1 混凝土的配合比/(kg/m3)

混凝土的拌合過程如下：首先加入水泥和SAP 顆粒干拌2 min，隨后加入河砂和石子繼續(xù)干拌2 min，最后緩慢加入溶有減水劑的拌合水，攪拌至混凝土均勻。將拌合均勻的混凝土澆筑至150 mm×150 mm×150 mm試模中，每個(gè)配合比制備3個(gè)試樣。試樣成型1 d 后脫模，隨后在標(biāo)準(zhǔn)條件（溫度=20±2℃, 相對(duì)濕度＞95%）下養(yǎng)護(hù)至28 d。參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

1.2 水滲透測(cè)試

采用水滲透測(cè)試評(píng)價(jià)SAP 對(duì)混凝土水密性能的影響。鑒于水滲透測(cè)試所需試樣的尺寸（Φ50 mm×25 mm）較小，采用砂漿替代混凝土進(jìn)行試驗(yàn)。采用表1 中去除石子的配合比拌制砂漿，隨后澆筑至塑料模具（Φ50 mm×25 mm）中。硬化1 d后脫模，將砂漿試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d。

借助巴西劈裂試驗(yàn)將試樣分離成兩部分，隨后將試樣重新組裝。在兩試樣形成的裂縫中放入數(shù)根直徑為0.25 mm 的鋼針，隨后用鋼箍固定，進(jìn)而制備含0.25 mm 寬裂縫的預(yù)開裂砂漿，如圖1 所示。將試樣與鋼箍界面用硅膠密封，以保證測(cè)試過程中水流僅從裂縫位置流過。隨后將試樣置于內(nèi)徑為75 mm、高30 mm 的塑料管中，試樣與塑料管間的空隙用新拌砂漿（水:水泥:河砂=1:2:6）填充。待砂漿硬化后，將試樣安裝至水滲透試驗(yàn)裝置。

圖1 含0.25 mm 寬度裂縫的預(yù)開裂砂漿試樣

水滲透試驗(yàn)測(cè)試裝置由水箱（75 L）、水管（10 m）和接頭組成，如圖2 所示。其中，接頭的外徑與試樣外徑均為79 mm。將試樣與接頭對(duì)接后，兩者界面用防水布包裹并用鋼箍固定，以防止界面漏水。

圖2 水滲透試驗(yàn)測(cè)試裝置示意

試驗(yàn)溶液為去離子水，水箱中水面與試樣底端的高度差為600 mm。通過水位差產(chǎn)生的重力效應(yīng)促使去離子水流過開裂砂漿。裂縫中SAP 的膨脹會(huì)堵塞裂縫，從而引起水流速的減小。因此，每間隔10 s記錄流經(jīng)試樣溶液的質(zhì)量并換算成水流速。通過初始水流速（Qi）和最終水流速（Qf）計(jì)算裂縫中SAP 的堵塞效率（ψ），計(jì)算過程見式（1）。完成水滲透測(cè)試后，采用數(shù)碼相機(jī)觀測(cè)裂縫表面SAP 膨脹后的形態(tài)。

1.3 X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（μCT）測(cè)試

借助μCT 測(cè)試分析裂縫中SAP 的形態(tài)特征。為獲得較高的分辨率，制備尺寸為Φ12 mm×50 mm 的試樣。由于試樣尺寸較小，為保證試樣的均勻性，采用表1 中配合比（去除河砂和石子）制備水泥漿。將水泥漿澆筑到Φ12 mm×50 mm 的塑料管中，澆筑深度為塑料管高度的一半。在水泥漿表面放置一個(gè)SAP 顆粒（質(zhì)量為0.02 g），隨后繼續(xù)澆筑水泥漿至塑料管被充滿。試樣硬化1 d 后脫模，隨后置于標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d。借助三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)使試樣在SAP 孔位置斷裂。隨后將試樣組裝并置于兩端有凹口的塑料管（Φ12 mm×50 mm）中。在凹口位置將數(shù)根直徑0.25 mm 的鋼針置于裂縫中間，從而獲得寬度為0.25 mm的裂縫（見圖3）。

圖3 μCT 試樣

用膠水將試樣和塑料管黏結(jié)以固定裂縫寬度。待膠水硬化后，取出裂縫中的鋼針，并將試樣在去離子水中浸泡10 h。隨后取出試樣，用濾紙清除試樣表面浮水后，再進(jìn)行μCT 測(cè)試。

μCT 測(cè)試設(shè)備為nanoVoxel 型X 射線三維顯微鏡。測(cè)試過程中施加的電壓和電流分別為80 kV 和12 mA。獲得切片圖的分辨率為25 μm。

2 結(jié)果與討論

2.1 SAP對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

SAP 摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響如圖4 所示。SAP 的加入導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度有所減少，0.4%、0.8%和1.2%摻量的SAP 導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度分別減小0.8%、1.6%和2.6%。SAP 的摻入同樣導(dǎo)致劈裂抗拉強(qiáng)度減小，0.4%、0.8%和1.2%摻量的SAP 導(dǎo)致劈裂抗拉強(qiáng)度分別減小4.2%、6.4%和12.8%。SAP 對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響體現(xiàn)在兩方面：一是SAP 在混凝土拌合階段吸水膨脹，導(dǎo)致混凝土的有效水膠比減小，這有利于混凝土力學(xué)性能的增加[15]；二是SAP 在混凝土內(nèi)部濕度降低時(shí)釋放水分并發(fā)生收縮，產(chǎn)生的SAP 孔相當(dāng)于宏觀缺陷，從而導(dǎo)致混凝土的有效橫截面積減小，進(jìn)而引起混凝土力學(xué)性能下降[16]。在本試驗(yàn)中，后者的作用效果可能起主導(dǎo)作用，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨SAP 摻量的增加而緩慢減小。但最終力學(xué)性能的降低并不顯著，說明SAP可在井壁混凝土中使用。

圖4 不同SAP 摻量混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度

2.2 SAP 對(duì)預(yù)開裂砂漿水密性的影響

圖5（a）為不同SAP 摻量砂漿中水流速隨時(shí)間變化的結(jié)果。對(duì)于C0 試樣，試驗(yàn)過程中水流速幾乎保持不變。對(duì)于含SAP 的試樣，隨著時(shí)間的延長，水流速逐漸減小，且水流速的減小程度隨SAP 摻量的增加而增加。基于式（1）計(jì)算了SAP的裂縫堵塞效率（ψ），結(jié)果如圖5（b）所示。對(duì)于C0，ψ為3.1%。當(dāng)摻入0.4%SAP 時(shí)，ψ增加到11.1%。隨著SAP 摻量的增加，ψ繼續(xù)增加。SAP摻量為1.2%時(shí)，ψ為37.3%。

圖5 不同SAP 摻量砂漿的水流速和SAP 的堵塞效率ψ

SAP 能夠堵塞裂縫的原因在于SAP 內(nèi)部與去離子水之間存在離子濃度差。離子濃度差產(chǎn)生的滲透壓是SAP 膨脹的動(dòng)力，故裂縫中的SAP 遇水會(huì)發(fā)生膨脹[17]。膨脹后的SAP 顆粒變成不透水的凝膠，從而能夠堵塞裂縫并導(dǎo)致預(yù)開裂砂漿中的水流速減小[18]。圖5（a）中水流速的減小說明SAP能夠起到堵塞裂縫的效果。圖5（b）中ψ值的變化說明提高SAP 摻量可進(jìn)一步提高預(yù)開裂砂漿的水密性。

2.3 裂縫中SAP 的形態(tài)特征

裂縫表面SAP的形態(tài)如圖6 所示，可以看出，混凝土內(nèi)部存在較多的裂縫。裂縫中SAP 的豎向剖面圖和橫向剖面圖如圖7 所示，能夠看出SAP孔中的SAP 發(fā)生膨脹并填充在SAP 孔中，同時(shí)堵塞了SAP 孔位置的裂縫。這解釋了SAP 導(dǎo)致水流速減小的原因。

圖6 裂縫表面SAP 的形態(tài)

圖7 裂縫內(nèi)部SAP 的形態(tài)

3 結(jié)論

（1）SAP 的摻入導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度略有減小，但其減小程度不大。

（2）SAP 的摻入導(dǎo)致預(yù)開裂砂漿中的水流速減小，其減小程度和SAP 的裂縫堵塞效率均隨SAP摻量的增加而增大。

（3）μCT 測(cè)試證實(shí)SAP 可在SAP 孔中發(fā)生膨脹并堵塞SAP 孔位置的裂縫，說明SAP 能夠提升預(yù)開裂砂漿水密性的原因在于SAP 能夠在SAP孔中發(fā)生膨脹。