多尺度混雜組料對(duì)混凝土自愈合能力的影響

文一鳴

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

混凝土對(duì)現(xiàn)代建筑建造至關(guān)重要，由于水泥基體具有先天的多孔隙、低抗拉強(qiáng)度等固有缺陷，所引發(fā)的裂縫會(huì)增加混凝土的滲透性、氯化物進(jìn)入和碳化風(fēng)險(xiǎn)，加快內(nèi)部鋼筋腐蝕，降低結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性。若混凝土裂縫不及時(shí)修補(bǔ)，會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用，造成建筑物全面破壞甚至倒塌[1]。因此，研究混凝土材料在早期開裂后及時(shí)恢復(fù)失去的力學(xué)性能和滲透性勢(shì)在必行。以下研究通過評(píng)價(jià)混凝土恢復(fù)后的力學(xué)和耐久性性能以及閉合裂縫作為愈合參數(shù)，評(píng)價(jià)結(jié)晶外加劑（CA）、粉煤灰（FA）和PVA纖維對(duì)混凝土早期裂縫自愈能力的影響。主要研究了控制混凝土、PVA纖維混凝土、粉煤灰（FA）混凝土和結(jié)晶外加劑（CA）混凝土等四種混凝土的愈合行為。通過對(duì)比分析，以了解結(jié)晶外加劑（CA）、粉煤灰（FA）和PVA纖維增強(qiáng)混凝土早期裂縫自愈的有效性，旨在為結(jié)晶外加劑（CA）、粉煤灰（FA）和PVA纖維在各種混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用提供理論與實(shí)踐支持。

1 試驗(yàn)方案

1.1 材料和配合比

研究所用材料為水泥、粉煤灰、高效減水劑、水、粗骨料、細(xì)骨料、PVA纖維。在該研究中制備了四種不同混合配比混凝土試樣，控制混凝土混合配比（M1）、0.1%的PVA纖維體積混合配比（M2）、20%的粉煤灰混合配比（M3）部分替代水泥以及2%的結(jié)晶混合料（CA）（按水泥混合料質(zhì)量計(jì)）配比（M4）。配合比見表1。原材料的化學(xué)成分和物理性能見表2。制備了尺寸為100 mm3的混凝土立方體模具，用于測(cè)定混凝土的力學(xué)和耐久性能。

表1 混凝土配合比（kg/m3）

表2 OPC、FA和CA的元素含量

1.2 試驗(yàn)方法

評(píng)價(jià)所有混凝土試件的自愈合效果需要標(biāo)準(zhǔn)步驟[2-5]：第一，在試樣中產(chǎn)生裂縫；第二，利用材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、電阻測(cè)試儀分別測(cè)量混凝土單軸抗壓強(qiáng)度、電阻值；第三，混凝土自愈合；第四，對(duì)恢復(fù)的混凝土試件進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。采用4個(gè)方法學(xué)階段來研究混凝土樣品的自愈效應(yīng)，分別為試樣早期產(chǎn)生裂紋、評(píng)價(jià)開裂混凝土的恢復(fù)力學(xué)和耐久性、裂紋表面的形態(tài)、顯微組織分析。

1.2.1 制備混凝土試樣早期裂紋

在第三天齡期，利用壓縮試驗(yàn)機(jī)在中等加載速率（20kN/min）下對(duì)立方體試件產(chǎn)生早期裂紋預(yù)裂紋。開始時(shí)，施加載荷直到第一條裂紋出現(xiàn)，這允許裂紋張開不超過0.4 mm。由于裂縫寬度無法通過荷載控制，因此，決定所有試樣的裂縫寬度從小裂縫到大裂縫不等。每個(gè)樣品上的表面裂紋寬度由裂紋鏡儀器測(cè)量。

1.2.2 開裂混凝土恢復(fù)的力學(xué)和耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)

混凝土開裂前后的單軸抗壓前度和電阻率計(jì)算如公式（1）和公式（2）所示，以此來評(píng)價(jià)自愈性質(zhì)的改善。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能恢復(fù)分析

根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度來確定混凝土材料在輕微損壞后是否恢復(fù)了部分強(qiáng)度。以第三天開裂的摻雜不同混合比例的混凝土試樣為例，即控制混凝土試樣（M1）、摻有0.1% PVA纖維體積的試樣（M2）、摻有20%粉煤灰的試樣（M3）和摻有2% CA水泥的試樣（M4），以計(jì)算抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率，然后將試樣放置42天以恢復(fù)。與開裂的控制混凝土（M1）相比，開裂的CA混凝土（M4）抗壓強(qiáng)度增加了36.6%。與開裂混凝土（M1）相比，PVA2（M2）和FA20（M3）試樣28天后的強(qiáng)度分別提高了17.61%和22.79%，如圖1所示。開裂混凝土愈合后的強(qiáng)度恢復(fù)率相對(duì)于M1、M2、M3和M4的未開裂混凝土分別為原抗壓強(qiáng)度的78.51%、84.37%、85.95%和93.98%，如圖2所示。抗壓強(qiáng)度恢復(fù)主要?dú)w因于因C-S-H凝膠、孔隙堵塞沉積物和未水合水泥顆粒發(fā)生水合反應(yīng)。因此，混凝土開裂之后強(qiáng)度恢復(fù)是由于自愈合導(dǎo)致裂紋閉合的緣故。研究還發(fā)現(xiàn)，試樣中一些未水化材料由于開裂而暴露在環(huán)境濕度下，這也在CA的幫助下激活了具有自愈現(xiàn)象化學(xué)反應(yīng)，最高強(qiáng)度恢復(fù)率反映在樣品M4中。

圖1 開裂混凝土的抗壓強(qiáng)度（42天）

圖2 混凝土強(qiáng)度恢復(fù)率R（S）

2.2 耐久性恢復(fù)分析

根據(jù)混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50081—2019），使用電阻率計(jì)進(jìn)行體電阻率測(cè)試。愈合期結(jié)束后，濕海綿將濕立方體放置在兩塊平行金屬板之間。澆筑混凝土試件后，施加擬定頻率的交流電，并計(jì)算混凝土試件兩端之間的電壓。混凝土試樣的電阻率如公式（3）所示。

式中：ρ為混凝土樣品的電阻率（Ω·cm），A為混凝土試樣的橫截面積（cm2），L為混凝土樣本長(zhǎng)度（cm），z為由電阻率計(jì)（Ω）測(cè)量的阻抗。

當(dāng)28天時(shí)，計(jì)算具有不同樣品（即M1、M2、M3和M4）的開裂混凝土的電阻率。與開裂對(duì)照混凝土（M1）相比，含CA2（M4）的開裂混凝土電阻率增加了72.90%。而對(duì)于PVA2（M2）和FA20（M3）樣品，與開裂的對(duì)照混凝土（M1）相比，28天后電阻率分別增加了35.47%和14.80%，如圖3所示。開裂的M1、M2、M3和M4混凝土在早期愈合后電阻率恢復(fù)率分別為84.53%、90.49%、89.25%和94.43%，如圖4所示。這是因?yàn)榧尤脞}通過與氫氧化鈣反應(yīng)產(chǎn)生額外的C-S-H凝膠和孔鎖定沉積物。這明顯改善了膠凝晶格的微觀結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)是更致密的晶格形成，空隙減少，孔隙相互連接。一般來說，隨著混凝土的老化，由于水泥的進(jìn)一步水化和混凝土的逐漸硬化，電阻率增加。

圖3 開裂混凝土的電阻率

圖4 電阻率恢復(fù)率R（r）

2.3 愈合裂紋形態(tài)

裂紋在水內(nèi)浸泡42天后形成白色裂紋密封而愈合，如圖5所示。同時(shí)還可以觀察到裂紋處的白色密封形成，M2和M4試樣比M1和M3試樣具有更高的愈合性能。即使在試樣M1和M3中，也觀察到裂紋密封，但裂紋愈合水平低于試樣M2和M4。CA在42天內(nèi)裂紋密封，還可觀察到白色裂紋密封結(jié)構(gòu)。與其他試樣相比，CA試樣在浸水條件下具有更高裂紋閉合能力。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

為觀察具有裂紋混凝土試樣分別混合M1、M2、M3和M4后，在水中養(yǎng)護(hù)42天后裂紋愈合情況，對(duì)所獲取的混凝土試樣裂縫表面碎片進(jìn)行了SEM分析，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)所有試樣裂紋中具有C-S-H凝膠、方解石和鈣礬石形成，與其他M1、M2和M3混凝土混合物相比，經(jīng)過42天養(yǎng)護(hù)后，M4混合物表現(xiàn)出更好的性能，水化產(chǎn)物更致密，結(jié)構(gòu)更致密。觀察CA樣本中存在作為自愈合產(chǎn)物的CaCO3。

以上主要討論了使用結(jié)晶外加劑、粉煤灰和PVA纖維對(duì)混凝土早期裂縫自修復(fù)能力的研究結(jié)果。與FA和PVA纖維相比，為了恢復(fù)力學(xué)性能和耐久性，發(fā)現(xiàn)使用CA作為添加劑有利于閉合裂縫。在M4試樣混有CA的情況下，表面裂紋在42天內(nèi)閉合，并且在愈合后的裂紋處觀察到大量白色密封形成。考慮到CA的力學(xué)和耐久性能的恢復(fù)，抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率為93.98%，電阻率恢復(fù)率為94.43%，與其他混合料相比，這是最高的強(qiáng)度恢復(fù)率。研究還發(fā)現(xiàn)，自愈產(chǎn)品為C-S-H凝膠和CaCO3。通過對(duì)鈣樣品SEM研究，可以證實(shí)大量的CaCO3沉淀。因此，與粉煤灰和PVA纖維相比，混凝土添加鈣顯著提高了混凝土的自愈合能力。

3 結(jié)論

以上通過對(duì)結(jié)晶外加劑、粉煤灰和PVA纖維對(duì)混凝土早期裂縫自愈能力的研究發(fā)現(xiàn)，與FA和PVA纖維相比，為恢復(fù)力學(xué)和耐久性，發(fā)現(xiàn)CA作為添加劑有助于閉合裂縫。在M4混合物（CA）的情況下，表面裂縫在42天內(nèi)閉合，并且在愈合后的裂縫處觀察到大量白色密封層。考慮到CA的力學(xué)和耐久性的恢復(fù)，抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率為93.98%，電阻率恢復(fù)率為94.43%，這是與其他混合料相比強(qiáng)度恢復(fù)率最高的。研究還發(fā)現(xiàn)，自修復(fù)產(chǎn)物為C-S-H凝膠和CaCO3。CA樣品的SEM研究可以驗(yàn)證CaCO3的大量沉淀。因此，與粉煤灰和PVA纖維相比，CA可以顯著提高混凝土的自修復(fù)能力。