水工混凝土噴涂滲透結(jié)晶材料的試驗分析

趙志強(qiáng)

(凌源市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 凌源 122500)

混凝土是一種復(fù)合型非均質(zhì)多孔材料,其內(nèi)部孔隙數(shù)量、大小、分布特征、微損傷及其連通性等特性,對混凝土力學(xué)強(qiáng)度和抗侵蝕性能均會造成一定影響,不利條件下裂縫擴(kuò)展、貫穿形成滲水通道,還會導(dǎo)致混凝土劣化問題。為解決水工混凝土抗裂抗拉性能以及抗壓強(qiáng)度有限的問題,實際工程中通常摻入一定的摻合料[1]。滲透結(jié)晶是由活性化學(xué)物質(zhì)、砂、水泥等原材料制成的防水材料,能夠有效增強(qiáng)混凝土耐久性和強(qiáng)度,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于大壩、地鐵、輸水隧洞等工程領(lǐng)域[2-3]。因此,研究混凝土性能受滲透結(jié)晶的影響具有重要意義,如Jo等研究認(rèn)為混凝土摻滲透結(jié)晶能夠增強(qiáng)自愈合和力學(xué)性能;Cuenca等試驗分析了不同養(yǎng)護(hù)方式下,混凝土裂縫修復(fù)能力受滲透結(jié)晶材料的影響;李冰等通過交叉試驗,確定內(nèi)摻1%滲透結(jié)晶時混凝土自修復(fù)能力、抗?jié)B性及長期力學(xué)性能最優(yōu);丁向群等通過改變試驗條件和滲透試驗發(fā)現(xiàn),滲透結(jié)晶能夠改善混凝土抗?jié)B性和力學(xué)強(qiáng)度;匡亞川等對比分析了滲透結(jié)晶摻量對水泥基體的影響,研究發(fā)現(xiàn)摻適量滲透結(jié)晶可以明顯提升抗?jié)B性與強(qiáng)度;陳曉雨等比較了復(fù)摻與單摻情況下,滲透結(jié)晶及摻合料對試塊抗侵蝕性的影響特征,試驗發(fā)現(xiàn)兩者復(fù)摻具有更優(yōu)的耐久性;王可良等采用抗壓和抗?jié)B試驗研究了滲透結(jié)晶的裂縫自修復(fù)性能,試驗發(fā)現(xiàn)滲透結(jié)晶可以生成填充宏觀孔隙和微裂縫的水化產(chǎn)物,從而提高基體抗?jié)B性及強(qiáng)度[4-10]。因此,現(xiàn)有研究大多集中于滲透結(jié)晶摻量對混凝土自愈合能力、抗?jié)B性和力學(xué)強(qiáng)度的影響研究,對水工混凝土噴涂滲透結(jié)晶的力學(xué)性能研究較少。佳固士滲透結(jié)晶是以納米級硅酸鹽為主要成分,這種無機(jī)液態(tài)噴涂防水材料存在修復(fù)效果強(qiáng)、滲透速度快且范圍深等特點,既可以填充修補(bǔ)混凝土內(nèi)部的小孔隙及微裂縫,還可以在表面形成良好的防水層,全面提升混凝土的整體性能。鑒于此,文章使用佳固士滲透結(jié)晶噴涂水工混凝土表面,通過測試不同齡期、不同水膠比試件抗壓強(qiáng)度,研究揭示水工混凝土強(qiáng)度受水泥基滲透結(jié)晶的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 原材料

水泥:凌源源泉水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5級水泥,細(xì)度0.6%,初、終凝時間140min和200min,標(biāo)稠用水量28.2%,比表面積433m2/kg。粗細(xì)集料:凌源市建正砂石加工廠生產(chǎn)的5～25mm連續(xù)級配花崗巖碎石和天然河砂,砂的含水率4.8%,細(xì)度模數(shù)3.1,表觀密度2650kg/m3。摻合料與外加劑:葫蘆島地區(qū)的F類Ⅱ級粉煤灰和S95級礦粉,粉煤灰細(xì)度20.2%。外加劑使用固含量35%的聚羧酸高效減水劑,減水率32%。滲透結(jié)晶:以納米級硅酸鈉為主要成分的佳固士牌增強(qiáng)修復(fù)養(yǎng)護(hù)一體劑,市場采購。

1.2 試驗配合比

根據(jù)試驗所用各原材料性能指標(biāo)和配合比設(shè)計方法,初步確定4種強(qiáng)度等級的配合比,如表1所示。

表1 試驗配合比

1.3 試塊成型、養(yǎng)護(hù)

為探究不同水膠比和養(yǎng)護(hù)齡期下,水工混凝土抗壓強(qiáng)度受水泥基滲透結(jié)晶材料的影響,參照《水工混凝土試驗規(guī)程》中的流程制作150mm×150mm×150mm試件,按試驗與基準(zhǔn)兩種類型,0.45、0.42、0.38、0.33四種水膠比,7d、14d和28d三個齡期,試驗制作24組,每組3塊共72個試塊。

試驗過程中不使用脫模劑,拌合物澆筑成型24h后拆模,將佳固士滲透結(jié)晶按200mL/m2的涂量均勻地噴涂在試驗類試件的6個面,對基準(zhǔn)類試件表面不做任何處理。然后移入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù),環(huán)境濕度>95%,溫度(20±2)℃,待規(guī)定齡期時取出測試相應(yīng)的強(qiáng)度。

1.4 測試方法

依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》中的操作流程,采用YAW-3000電液伺服壓力試驗機(jī)測定不同齡期各組試件的抗壓強(qiáng)度。試驗時控制應(yīng)力加載速率為0.5MPa/s,依據(jù)規(guī)范規(guī)定計算確定每組試塊的抗壓強(qiáng)度值,精度為0.01MPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同齡期試塊強(qiáng)度

統(tǒng)計整理相關(guān)試驗數(shù)據(jù),確定7d、14d、28d不同齡期各組試塊的抗壓強(qiáng)度如圖1所示。

(a)7d齡期

(b)14d齡期

(c)28d

由圖1可知,滲透結(jié)晶可以在不同程度上提升各齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度,且混凝土強(qiáng)度在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下發(fā)展較快,各組混凝土的7d齡期強(qiáng)度均已達(dá)到設(shè)計值。

為了更加直觀地進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析,采用平均增強(qiáng)率e反映不同齡期混凝土強(qiáng)度受水泥基滲透結(jié)晶的影響作用,其表達(dá)式為:

(1)

式中:fcd、fcs為齡期情況下,4種配合比試驗組和基準(zhǔn)組試塊的平均抗壓強(qiáng)度,MPa,平均增強(qiáng)率如圖2所示。

圖2 不同齡期增強(qiáng)率關(guān)系線

從圖2可以看出,不同齡期混凝土增強(qiáng)率表現(xiàn)出顯著變化特征,隨著齡期的延長增強(qiáng)率呈下降趨勢,說明滲透結(jié)晶的增強(qiáng)效果與養(yǎng)護(hù)齡期存在密切聯(lián)系。根據(jù)圖1和圖2可知,7d齡期4種配合比試塊的增強(qiáng)率最高為4.38%,試驗組相比于基準(zhǔn)組提高1.61MPa,并以設(shè)計強(qiáng)度C30的S2組增強(qiáng)效果最明顯,該組較基準(zhǔn)組強(qiáng)度增大1.67MPa;14d齡期4種配合比試塊的增強(qiáng)率減小到為2.95%,試驗組相比于基準(zhǔn)組提高1.31MPa。隨著時間的推移,混凝土強(qiáng)度增強(qiáng)率逐漸減小,28d齡期4種配合比試塊的增強(qiáng)率下降到2.54%,并以設(shè)計強(qiáng)度C50的S4組增強(qiáng)效果最低,該組較基準(zhǔn)組強(qiáng)度增大0.71MPa[11-12]。

滲透結(jié)晶主要通過不斷滲入填補(bǔ)內(nèi)部孔隙、微裂縫以及修復(fù)混凝土表面影響基體強(qiáng)度,本試驗所使用的滲透結(jié)晶以納米級硅酸鹽類為主要成分,該材料可以參與水化反應(yīng)填補(bǔ)骨料缺陷及混凝土內(nèi)部和表面的細(xì)微裂縫,從而使基體的滲透性下降,通過提供“額外強(qiáng)度”來達(dá)到一定的增強(qiáng)效果。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)可知,滲透結(jié)晶對混凝土早期強(qiáng)度的增強(qiáng)作用最明顯,這是因為早期尚未充分完成水化,由滲透結(jié)晶填補(bǔ)內(nèi)部孔隙及微裂縫所提供的強(qiáng)度更顯著;隨著時間的延長混凝土強(qiáng)度逐漸增大,滲透結(jié)晶的增強(qiáng)效果不斷減弱,所以滲透結(jié)晶的增強(qiáng)效果與養(yǎng)護(hù)齡期存在密切聯(lián)系,其增強(qiáng)效果隨養(yǎng)護(hù)時間的增大逐漸減小。

根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)可知,7d齡期時滲透結(jié)晶的增強(qiáng)效果最優(yōu),該齡期各組試塊的增強(qiáng)率達(dá)到4.38%,試驗組相比于基準(zhǔn)組提高1.61MPa。

2.2 不同配比試塊強(qiáng)度

不同配合比試塊強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時間的變化趨勢如圖3。

圖3 不同配合比混凝土強(qiáng)度

由圖3可知,試塊自身強(qiáng)度增長速率受水泥滲透結(jié)晶的影響較低,隨著齡期的增加試驗組和基準(zhǔn)組抗壓強(qiáng)度變化趨勢一致,早期(7d)各組抗壓強(qiáng)度增速較高;隨著齡期的增大各組強(qiáng)度增幅趨于平緩。通過對比相同配合比基準(zhǔn)組與試驗組強(qiáng)度變化趨勢可知,兩者的變化速率基本相同,說明混凝土強(qiáng)度增長速度幾乎不受滲透結(jié)晶材料的影響。

配合比不同的混凝土密實性與滲透性存在一定差異,相應(yīng)的強(qiáng)度增長值也有所不同,對于28d齡期不同配合比試塊抗壓強(qiáng)度受滲透結(jié)晶材料的影響,如圖4所示。

圖4 不同齡期混凝土強(qiáng)度

從圖4可以看出,設(shè)計強(qiáng)度較高的S4組相較于基準(zhǔn)組試塊的28d強(qiáng)度僅提升0.71MPa,這說明設(shè)計強(qiáng)度越高則滲透結(jié)晶的增強(qiáng)效果越弱;設(shè)計強(qiáng)度較低的S2組相較于基準(zhǔn)組試塊的28d強(qiáng)度提升1.74MPa,滲透結(jié)晶對該組試塊的增強(qiáng)效果最優(yōu)。總體而言,在噴涂量相同的情況下,混凝土自身強(qiáng)度越高則滲透結(jié)晶的增強(qiáng)效果越低。這是由于混凝土自身強(qiáng)度較低時,其初始密實性和滲透性較差,噴涂滲透結(jié)晶可以有效修復(fù)內(nèi)部微裂縫,明顯提升水泥基體密實度,與設(shè)計強(qiáng)度高的混凝土相比具有更好的改善效果,在宏觀上呈現(xiàn)出滲透結(jié)晶提升低強(qiáng)度混凝土的作用更明顯[13-14]。

水泥基滲透結(jié)晶對設(shè)計強(qiáng)度C30混凝土的增強(qiáng)效果優(yōu)于C20,這可能與噴涂量的多少有關(guān),未來可以調(diào)整噴涂量進(jìn)一步揭示滲透結(jié)晶的作用機(jī)理。

3 結(jié) 論

1)不同齡期水工混凝土強(qiáng)度受水泥基滲透結(jié)晶的影響存在一定差異,滲透結(jié)晶對7d齡期混凝土的增強(qiáng)效果最好,該齡期各組試塊的增強(qiáng)率達(dá)到4.38%,試驗組相比于基準(zhǔn)組可以提高1.61MPa。這是因為早期尚未充分完成水化,由滲透結(jié)晶填補(bǔ)內(nèi)部孔隙及微裂縫所提供的強(qiáng)度更顯著,隨著時間的延長滲透結(jié)晶的增強(qiáng)效果不斷減弱,所以滲透結(jié)晶的增強(qiáng)效果與養(yǎng)護(hù)齡期存在密切聯(lián)系。

2)不同設(shè)計等級的混凝土強(qiáng)度受水泥基滲透結(jié)晶的影響作用不同,滲透結(jié)晶對C30混凝土的增強(qiáng)效果明顯高于其它設(shè)計強(qiáng)度。在噴涂量相同的情況下,混凝土自身強(qiáng)度越高則滲透結(jié)晶的增強(qiáng)效果越低,滲透結(jié)晶對C30混凝土的增強(qiáng)效果優(yōu)于C20,這可能與噴涂量的多少有關(guān),今后仍需調(diào)整噴涂量進(jìn)一步揭示滲透結(jié)晶的作用機(jī)理。