基于吸水動(dòng)力學(xué)方法的水溶性滲透結(jié)晶材料吸收飽和度及養(yǎng)護(hù)時(shí)間優(yōu)化研究

李 楊,曹 亞,鐘聚光,周世華,齊立亮

(1.長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院材料與結(jié)構(gòu)研究所,湖北 武漢 430010; 2.湖南平江抽水蓄能有限公司,湖南 岳陽 414500;3.北京易晟元環(huán)保工程有限公司,北京 100010)

混凝土表面開裂和孔結(jié)構(gòu)劣化是構(gòu)筑物出現(xiàn)耐久性損傷的重要誘因[1],而表層混凝土也是結(jié)構(gòu)抵御外部水分滲透和離子侵蝕的首道屏障。滲透結(jié)晶材料能夠修復(fù)混凝土表層的微細(xì)裂紋,填塞小尺寸毛細(xì)孔,提高基體密實(shí)程度,并增強(qiáng)裂后自愈合能力[2],從而提升整體的防護(hù)水平和健康狀況。

常用的滲透結(jié)晶材料包括有機(jī)硅烷類材料[3]和無機(jī)金屬鹽類材料[4],而無機(jī)金屬鹽類材料又可分為水泥基類滲透結(jié)晶(cement-based infiltration capillary/crystalline waterproof,CCCW)材料[5]和水溶性滲透結(jié)晶(water-soluble infiltration capillary/crystalline waterproof,WCCW)材料[6]。CCCW材料和WCCW材料在物理性能、施工方法和輔料類型等方面存在差異[7-8],但活性組分、修復(fù)機(jī)理和反應(yīng)過程等基本相似[9],其中活性物質(zhì)滲透和結(jié)晶是保障兩者作用效果的關(guān)鍵[6,10]。同時(shí),WCCW材料可在混凝土凝結(jié)硬化階段進(jìn)行噴涂,發(fā)揮保水、防裂、抑制泛堿和早期養(yǎng)護(hù)的效果。但大量實(shí)踐表明,WCCW材料作用效果與混凝土的吸收特性有關(guān),而混凝土對(duì)WCCW材料的吸收特性也是制定實(shí)際施工工藝、確定具體技術(shù)參數(shù)的重要依據(jù)。

WCCW材料的施工工藝主要包括材料用量、噴涂遍數(shù)、養(yǎng)護(hù)時(shí)長等。目前關(guān)于WCCW材料影響的研究主要集中在混凝土表層硬度、抗壓強(qiáng)度、耐磨性能、抗?jié)B透性能和抗離子侵蝕能力等方面[11-13]。前期研究[14]表明,WCCW材料作用效果與混凝土強(qiáng)度等級(jí)有關(guān),C20混凝土的性能提升幅度超過C40混凝土。本文采用水利工程中常用的C25混凝土進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)吸水動(dòng)力學(xué)方法[15],在分析混凝土對(duì)WCCW材料吸收特性的基礎(chǔ)上,研究WCCW材料吸收飽和度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)防滲效果的影響,以期為水工混凝土領(lǐng)域應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

使用福建安砂水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥進(jìn)行試驗(yàn),密度為3.08g/cm3,比表面積為362m2/kg。摻合料為漳州后石電廠生產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰,需水量比為101%,密度為2.18g/cm3,細(xì)度為21.2%。水泥和粉煤灰主要氧化物含量的檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 水泥和粉煤灰的主要氧化物含量

試驗(yàn)選用的WCCW材料為透明堿性液體,密度為1.21g/cm3,pH值為11.8,固含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為13%。WCCW材料具有較好的耐熱性和混凝土相容性,可在160℃溫度下保溫2h不出現(xiàn)表面粉化或裂紋,并在混凝土噴灑后不呈滾珠狀掉落。現(xiàn)場(chǎng)WCCW材料使用時(shí)可直接噴灑在混凝土表面。

選用人工砂和二級(jí)配碎石作為骨料。人工砂的細(xì)度模數(shù)為2.90,表觀密度為2.68g/cm3,石粉含量為7.3%,飽和面干吸水率為1.62%。碎石由粒徑5～20mm的小石和20～40mm的中石組成,表觀密度為2.73g/cm3,飽和面干吸水率為0.57%。

為改善混凝土拌和物和易性,使用緩凝型PCA-Ⅰ聚羧酸高性能減水劑進(jìn)行試驗(yàn),同時(shí)添加GYQ-Ⅰ引氣劑調(diào)整混凝土孔結(jié)構(gòu)特性。引氣劑使用前需加水稀釋,稀釋倍數(shù)為100。

1.2 配合比

選擇水利工程中較為常見和用量較大的C25泵送混凝土進(jìn)行試驗(yàn)。骨料為二級(jí)配,控制中石、小石組合的質(zhì)量比為45%︰55%,粉煤灰摻量為20%,砂率為42%,坍落度為160～180mm,減水劑摻量為0.8%,引氣劑摻量為0.006%,用水量為150kg/m3。實(shí)測(cè)混凝土28d抗壓強(qiáng)度為32.7MPa。

混凝土原材料使用臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌和,外加劑預(yù)溶于水并攪拌均勻。先將粉料和骨料干拌2min,然后倒入水和外加劑繼續(xù)濕拌2min。整個(gè)拌和過程持續(xù)4min,結(jié)束后將拌和物倒出并裝入邊長為150mm的立方體試模,保濕靜置24h后拆模移入養(yǎng)護(hù)室,在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至28d齡期進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

以吸水率和吸水動(dòng)力學(xué)參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),采用吸水動(dòng)力學(xué)方法研究混凝土對(duì)WCCW材料的吸收特性,分析吸收飽和度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)WCCW材料作用效果的影響,其中吸收飽和度是指混凝土對(duì)WCCW材料瞬時(shí)吸收量與結(jié)束時(shí)最終吸收量的比值,反映了混凝土吸收WCCW材料的飽和程度;養(yǎng)護(hù)時(shí)間是指混凝土吸收WCCW材料后的再養(yǎng)護(hù)時(shí)長,相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)條件。

1.3.1吸水率和WCCW材料吸收率

混凝土吸水率或WCCW材料吸收率的計(jì)算公式如式(1)所示。試驗(yàn)前先將28d齡期的混凝土試件置于105℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中持續(xù)干燥不少于24h,待質(zhì)量穩(wěn)定后取出并浸泡于水或WCCW材料中,經(jīng)不同浸泡時(shí)間后取出,用濕毛巾擦干試件表面并稱量質(zhì)量,然后利用初始干燥質(zhì)量和浸泡后的質(zhì)量計(jì)算混凝土吸水率或WCCW材料吸收率。

(1)

式中:ωt為試件浸泡t時(shí)刻的吸水率或WCCW材料吸收率;m0為初始的干燥試件質(zhì)量;mt為浸泡t時(shí)刻的試件質(zhì)量。

1.3.2WCCW材料吸收飽和度

混凝土對(duì)WCCW材料吸收飽和度的計(jì)算公式如式(2)所示。試驗(yàn)中控制混凝土對(duì)WCCW材料的吸收飽和度分別為100%、80%、60%、40%和20%。試件在WCCW材料浸泡后取出并擦干表面,接著再次在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行吸水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),考察混凝土吸水率和吸水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化情況,相應(yīng)的試件分別用“XS100”“XS80”等形式表示,數(shù)字表示混凝土對(duì)WCCW材料的吸收飽和度。未吸收WCCW材料的空白試驗(yàn)組用“XC00”表示。

(2)

式中:Pt為t時(shí)刻混凝土吸水或吸收WCCW材料的飽和程度;ωmax為混凝土飽和吸水率或WCCW材料飽和吸收率,即混凝土吸水或吸收WCCW材料達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的吸收率。

為研究浸泡后再養(yǎng)護(hù)時(shí)間的影響,基于前步優(yōu)化的WCCW材料吸收飽和度結(jié)果制備試件,并分別將試件標(biāo)養(yǎng)3、7、14、28d后進(jìn)行吸水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),相應(yīng)的試件分別用“YH3”“YH7”等形式表示,數(shù)字表示再養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

1.4 混凝土吸水動(dòng)力學(xué)

混凝土滲透性能和液體吸收特性與自身孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。勃羅賽爾根據(jù)典型混凝土的吸水率曲線特點(diǎn),提出了如式(3)的吸水動(dòng)力學(xué)模型[15]。

ωt=ωmax(1-e-λtα)

(3)

式中α、λ為與混凝土孔結(jié)構(gòu)特性相關(guān)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。WCCW材料為液體狀態(tài),通過滲透作用侵入到混凝土內(nèi)部。因此,混凝土對(duì)WCCW材料的吸收特性可借助吸水動(dòng)力學(xué)方法研究。

吸水動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)α與孔徑尺寸分布均勻程度有關(guān),參數(shù)λ與孔徑尺寸大小有關(guān)[16]。陳健中[15]指出λ還受到液體動(dòng)力學(xué)黏度、表面張力和毛細(xì)孔中彎液面半徑等因素影響,并推導(dǎo)了α和λ的求解方法。本文利用文獻(xiàn)[15]的方法計(jì)算吸水動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土對(duì)WCCW材料的吸收特性

混凝土對(duì)WCCW材料的吸收特性曲線如圖1所示。從圖1可知,混凝土對(duì)WCCW材料的吸收遵循式(3)規(guī)律,擬合曲線的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.92以上。混凝土對(duì)WCCW材料的吸收過程可分為快速期、減速期和穩(wěn)定期3個(gè)階段,浸泡早期吸水率的增加速度較快,然后逐漸降低、趨于平緩并最終保持不變。這符合混凝土對(duì)液體吸收的普遍特點(diǎn)[17],也說明WCCW材料滲透與混凝土的孔結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)。

圖1 混凝土對(duì)WCCW材料的吸收特性曲線

整體上,混凝土對(duì)WCCW材料吸收主要集中在浸泡開始的2h內(nèi),而浸泡8h后已基本完成。如浸泡2h時(shí),混凝土對(duì)WCCW材料的吸收飽和度為78%,浸泡8h時(shí)為94%。因此,根據(jù)浸泡0.25h和1h的瞬時(shí)吸收率,以及24h的飽和吸收率,可計(jì)算出混凝土吸收WCCW材料的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。同時(shí),根據(jù)吸收率曲線,可分別在浸泡時(shí)間為5min、15min、35min、2.5h和24h時(shí)制備出吸收飽和度約為20%、40%、60%、80%和100%的試件供后續(xù)試驗(yàn)。

實(shí)測(cè)的混凝土浸泡5min、15min、35min、2.5h和24h的WCCW材料吸收率分別為1.11%、1.67%、2.21%、3.07%和3.78%,相應(yīng)的吸收飽和度分別為29.3%、44.1%、58.4%、81.2%和100%。各試件對(duì)WCCW材料吸收飽和度的實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值存在差異,并且浸泡早期的差異較大,這主要與早期吸收率的增加速度較快、變化幅度較大有關(guān)。

2.2 WCCW材料浸泡時(shí)間和吸收飽和度對(duì)混凝土吸水特性的影響

WCCW材料浸泡時(shí)間對(duì)混凝土吸水率的影響如圖2所示。通過控制混凝土在WCCW材料中的浸泡時(shí)間來制備不同WCCW材料吸收飽和度的試件,然后將試件標(biāo)養(yǎng)28d后再進(jìn)行吸水性能試驗(yàn)。WCCW材料吸收飽和度是實(shí)際吸收率與飽和吸收率的比值,確定較為合適的WCCW材料吸收飽和度有利于節(jié)省材料用量,并提高施工過程的經(jīng)濟(jì)性。

圖2 WCCW材料浸泡時(shí)間對(duì)混凝土吸水率的影響

從圖2可知,隨WCCW材料吸收飽和度的增大,混凝土浸泡24h時(shí)后最終的飽和吸水率降低,吸水率曲線在初始階段更加陡峭,說明早期吸水量在整個(gè)吸水過程占比增大,表明試件的吸水過程更容易完成。如XC00試件的飽和吸水率為4.21%,XS100試件為1.26%,混凝土飽和吸水率明顯降低,說明WCCW材料能夠有效提升混凝土的抗?jié)B性能。

圖3為WCCW材料吸收飽和度對(duì)不同浸泡時(shí)間混凝土吸水率的影響。整體上,相同浸泡時(shí)間的混凝土吸水率隨WCCW材料吸收飽和度的增加而降低,兩者為冪函數(shù)關(guān)系。隨WCCW材料吸收飽和度的增加,混凝土吸水率早期下降幅度較快,后期趨于平緩,特別是WCCW材料吸收飽和度超過60%后,混凝土吸水率的降幅較小。如WCCW材料吸收飽和度從0增加到60%時(shí),浸水24h后的混凝土的飽和吸水率從4.21%降低至1.52%,降低幅度為63%;而WCCW材料吸收飽和度從60%增加到80%時(shí),浸水24h后的混凝土飽和吸水率僅從1.52%減小至1.32%,降低幅度僅為13%,這說明WCCW材料存在較優(yōu)的用量范圍,該范圍內(nèi)使用的效果較好,超過后經(jīng)濟(jì)性降低。

圖3 WCCW材料吸收飽和度對(duì)混凝土吸水率的影響

圖4為WCCW材料吸收飽和度對(duì)混凝土吸水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響。隨著WCCW材料吸收飽和度的增加,混凝土吸水動(dòng)力學(xué)參數(shù)α減小,而參數(shù)λ增加。WCCW材料吸收飽和度變化早期,α的下降幅度和λ的增加幅度都較大,而兩者后期變化幅度都減小。如WCCW材料吸收飽和度從0提高到60%時(shí),α從0.73減小至0.38,降低幅度為48%,λ從0.47增大至0.75,增加幅度為60%;而WCCW材料吸收飽和度進(jìn)一步提高到100%時(shí),α減小至0.29,降低幅度僅為24%,λ增大至0.82,增加幅度僅為9%。這說明WCCW材料對(duì)混凝土吸水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響存在效應(yīng)遞減的特點(diǎn)。

圖4 WCCW材料吸收飽和度對(duì)混凝土吸水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響

吸水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與混凝土孔結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。α值越大,表明孔徑分布的不均勻程度越高;λ值越大,說明平均孔徑的尺寸越大[15]。試驗(yàn)結(jié)果表明,提高WCCW材料吸收飽和度,有利于改善混凝土孔徑分布的均勻性,并減少小尺寸孔隙的含量,這主要與WCCW材料活性物質(zhì)功能的發(fā)揮有關(guān)。

WCCW材料主要通過結(jié)晶-沉淀反應(yīng)、絡(luò)合-沉淀反應(yīng)的方式發(fā)揮作用[18],其活性物質(zhì)可激活、催化未水化的水泥顆粒,并與膠凝材料水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)[5],從而填塞小尺寸毛細(xì)孔、修復(fù)微細(xì)裂紋,達(dá)到混凝土表層封閉、損傷愈合及密實(shí)度提高的效果。但WCCW材料對(duì)大尺寸孔和寬度超過0.4mm的裂縫作用能力有限[19]。因此,混凝土吸收WCCW材料后,總孔隙含量中小尺寸孔占比的降低幅度較大,而大孔尺寸占比的降低程度較小,總的孔隙率減少,導(dǎo)致平均孔徑向大尺寸孔方向偏移,從而出現(xiàn)α減小但λ增大的局面。同時(shí),混凝土吸水也表現(xiàn)出飽和吸水率降低、吸水容易達(dá)到飽和的特點(diǎn)。

結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果,考慮經(jīng)濟(jì)和成本因素,將優(yōu)化的WCCW材料吸收飽和度定為60%比較合適。

2.3 WCCW材料養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)混凝土吸水特性的影響

WCCW材料作用效果與環(huán)境溫度和濕度、活性物質(zhì)含量和反應(yīng)速率、噴涂后養(yǎng)護(hù)時(shí)間等因素有關(guān)。圖5為養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)混凝土吸水率的影響。各試驗(yàn)組WCCW材料吸收飽和度均為60%。混凝土吸收WCCW材料后的再次養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為3、7、14、28d,吸水率根據(jù)試件浸水后0.25、1、24h的質(zhì)量變化情況計(jì)算。從圖5可知,混凝土吸水率與養(yǎng)護(hù)時(shí)間之間為冪函數(shù)關(guān)系,吸水率隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長而降低,特別是浸水24h時(shí)飽和吸水率的下降效果最為明顯,但養(yǎng)護(hù)早期和后期的下降幅度均較小,養(yǎng)護(hù)3～7d的降幅較大。這說明WCCW材料存在一個(gè)較合理的養(yǎng)護(hù)時(shí)間范圍,養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足難以保證效果,而養(yǎng)護(hù)時(shí)間過長又不利于經(jīng)濟(jì)性。

圖5 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)混凝土吸水率的影響

圖6為養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)混凝土吸水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響。整體上,吸水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間之間為冪函數(shù)關(guān)系,這與吸水率的變化規(guī)律一致。但α隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長而減小,λ隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長而增大。如養(yǎng)護(hù)3d時(shí),YH3試驗(yàn)組的α為0.66,λ為0.56;而養(yǎng)護(hù)7d時(shí),YH7試驗(yàn)組α為0.49,λ為0.68,表明隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長,混凝土孔徑分布的均勻程度提高,但平均孔徑增大。養(yǎng)護(hù)時(shí)間從3d增加至7d時(shí),α降低了26%,λ增大了21%,說明WCCW材料活性物質(zhì)在養(yǎng)護(hù)3～7d時(shí)反應(yīng)比較強(qiáng)烈。

圖6 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)混凝土吸水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響

WCCW材料能夠提高混凝土的自愈合能力,其作用發(fā)揮與活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)和產(chǎn)物生成有關(guān)。養(yǎng)護(hù)時(shí)間過短,活性物質(zhì)未能充分反應(yīng),產(chǎn)物的生成量不足,導(dǎo)致混凝土性能的改善效果有限;而養(yǎng)護(hù)時(shí)間過長,活性物質(zhì)的反應(yīng)程度較高,新增產(chǎn)物的數(shù)量較少,導(dǎo)致混凝土性能進(jìn)一步提升的空間減小。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果,考慮施工周期和進(jìn)度,將優(yōu)化的養(yǎng)護(hù)時(shí)間定為7d較為合適。

3 結(jié) 論

a.混凝土對(duì)WCCW材料的吸收特性遵循吸水動(dòng)力學(xué)規(guī)律,早期吸收較快,中期逐漸變緩并在后期趨于穩(wěn)定。WCCW材料吸收主要集中在浸泡開始的2h內(nèi),8h的吸收飽和度可達(dá)94%。C25混凝土在WCCW材料中浸泡8h即可獲得較好的吸收效果。

b.隨WCCW材料吸收飽和度的增加,混凝土吸水率降低,吸水動(dòng)力學(xué)參數(shù)α減小,而參數(shù)λ增大。WCCW材料吸收飽和度與混凝土吸水率之間存在冪函數(shù)關(guān)系,并且吸水率的變化幅度隨吸收飽和度的增加而減小。經(jīng)濟(jì)性較好的WCCW材料吸收飽和度是60%。

c.混凝土吸收WCCW材料后需要合理的養(yǎng)護(hù)時(shí)間,養(yǎng)護(hù)時(shí)間過短難以保證質(zhì)量效果,而長期養(yǎng)護(hù)的經(jīng)濟(jì)性降低。綜合效果較好的養(yǎng)護(hù)時(shí)間是7d。