基于抗渗性试验的混凝土自修复材料研究

基于抗渗性试验的混凝土自修复材料研究

王野思

浙江交工国际工程有限公司 浙江杭州 315000

【摘要】随着科技的不断发展，混凝土行业也在随之不断地发展，混凝土服役过程出现力学性能或耐久性能退化，从而需要进行混凝土修复从而满足其使用功能或延长服役寿命。修复材料和老混凝土界面性能是发挥修复材料补强作用的关键影响因素。文中研究不同掺量膨胀剂和碳纤维的掺量对修复材料抗折和抗压界面力学性能的影响和修复界面力学性能的影响。

【关键词】抗渗性；混凝土；自修复材料

引言

混凝土结构在服役过程中受到物理和化学因素的影响，导致结构服役寿命减少。，桥墩受到海水冲刷以及氯离子侵蚀作用，保护层脱落；混凝土结构受到高温火灾作用，水蒸气逃逸通道受阻，高温爆裂，从而钢筋保护层出现脱落。因此，混凝土修复是延长混凝土结构服役寿命的有效手段。但是，修复界面性能易弱于修复材料和基体性能，从而出现修复材料脱粘现象。修复界面属于修复体系的薄弱区，从而可见修复界面粘结性能对混凝土结构的修复效果起着关键影响作用。

1实验概况

1.1实验原料

实验所用水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，砂为标准砂，碎石粒径5~25mm，针片状含量4%.所用衣地酸二钠，体积分数≥99%；硅酸钠，模数3.0；甲酸钙，体积分数≥98%.

1.2混凝土制备

混凝土按表1所示的配合比采用上口内部直径175mm、下口内部直径185mm、高度150mm的圆台体制备试样，1d后成型拆模，用钢丝刷刷去两端面水泥浆膜，将混凝土在标准养护箱养护至28d，得到混凝土试样.

1.3试验方法

抗渗试验方法按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082—2009）的相关规定执行，采用逐级加压法.在进行抗渗试验时，第一次测试得到混凝土块的抗渗压力值f28后，将试块放在液压机压力台，使其正面受压，以1~2kN/s的速率缓慢加载，当液压机指针停止，立即取出，保证试样完好.之后进行第二次抗渗试验，得到抗渗压力值fc，然后将试块放置到干燥箱中，60℃条件下烘干至恒重.采用以下两种方式利用NNC溶液处理试样.

（1）浸泡法：将混凝土试块直接浸泡于0%，1%，2%，3%，4%的NNC溶液中（本文中NNC溶液浓度均指质量分数），完全淹没，养护至7、14、28、60d.

（2）加压法：采用逐级加压法对混凝土进行第三次加压处理试验.进行试验前，先将制备好的0%，1%，2%，3%，4%NNC提前溶于用于测试抗渗性的水中，溶解完全，加压压力值最大达到fc的80%，停止加压，直至液体稳定渗出.之后将试块放在标准养护箱养护至7、14、28、60d.

2结果与讨论

2.1修复材料抗折和抗压强度

膨胀剂加入使得修复材料的抗压强度出现不同程度的降低，膨胀剂掺量为胶凝掺量4%时，抗压强度降低3.0%，抗折强度降低8.5%；膨胀剂掺量为胶凝掺量8%时，抗压强度降低7.9%，抗折强度降低17.7%。由此可见，膨胀剂使得修复材料在缺乏有效约束的情况下，抗折和抗压强度出现不同程度的降低。碳纤维掺量为体积掺量0.3%时，抗压强度提高3.7%，抗折强度提高5.5%。碳纤维掺量为体积掺量0.5%时，抗压强度提高5.6%，抗折强度提高9.8%。碳纤维掺量为体积掺量0.7%时，抗压强度提高10.1%，抗折强度提高16.3%。由此可见，碳纤维的加入由于其桥接作用能够增强修复材料的力学性能。通过扫描电镜研究了碳纤维的失效机理。在断口处观察到两种类型的纤维破坏(纤维拔出和纤维断裂)，碳纤维在裂缝之间架起了桥梁，显著降低了裂缝的开口，从而提高了修复材料的抗弯强度。此外，碳纤维和水泥基材料的界面性能决定其增强整体抗弯性能。在较低的水胶比下，大量的水化产物增加纤维与硬化水泥浆体之间的粘结。此外，碳纤维掺量过多工作性的降低也会降低弯曲强度，工作性的降低会引起更多的夹闭气孔，从而影响修复材料的抗弯强度。其他研究人员也做了类似的观察。Akihama等人发现沥青基碳纤维在峰值负荷后被拉出或断裂。另外，Nishioka等人观察到碳纤维增强水泥复合材料中的纤维拔出和纤维断裂。

2.2修复界面劈拉强度

修复试件的破坏模式均为界面破坏模式。膨胀剂掺量为胶凝掺量4%时，修复界面性能提高6.4%，膨胀剂掺量为胶凝掺量8%时，修复界面性能提高15.1%。碳纤维掺量为体积掺量0.3%时，修复界面性能提高5.9%，碳纤维掺量为体积掺量0.5%时，修复界面性能提高19.7%，碳纤维掺量为体积掺量0.7%时，修复界面性能提高27.6%。由此可能膨胀剂加入尽管使得修复材料的抗压强度和抗折强度出现不同程度的降低，但是仍然能提高界面粘结性能，这归因于膨胀剂增加修复材料的体积稳定性。碳纤维增强修复材料的抗拉强度，从而使得修复界面劈拉强度提升。添加了膨胀剂的修复砂浆可以使界面致密，这是由于膨胀剂减少了差异收缩，基体和修复材料的收缩差异对粘结强度起着重要的作用。当修复界面进行劈拉测试时，界面受到拉应力，碳纤维增强修补砂浆对粘结强度有显著影响。虽然碳纤维体积掺量0.5%没有明显提高覆盖层的抗弯强度，但CF可以提高修补砂浆局部区域的抗拉强度。修复界面附近区域比其他的区域的界面性能影响更大。碳纤维增强了修补砂浆靠近修补界面的局部区域抗拉强度，改善了基体与覆盖层之间的机械联锁。随着碳纤维掺量含量的增加，毛细孔和气孔的总孔容增大，这对界面性能产生不利影响。因此，随着修复砂浆中碳纤维含量含量的增加，粘结强度的提高略有改善。

2.3修复界面直接拉伸强度

纳米级混凝土修复材料其作用机理是“渗透结晶”、“填充内部孔隙”“封闭毛细孔道”，生成的结晶体与混凝土结为一体，从而增加混凝土的密实度，提高其强度和抗渗能力。而这种物理化学反应在整个使用过程中是持续进行的。一旦混凝土表面与内部出现微细裂纹与裂缝，材料中所含的活性化学物质被水再次激活发生作用，修复裂缝。为了直观纳米级混凝土修复材料的修复混凝土的这种能力，我们通过对混凝土预制裂缝，在自然条件下同通过观察水分渗入混凝土快慢来直接比较其修复混凝土裂缝的能力。

3修复机理

3.1红外光谱仪分析

纳米修复材料修复混凝土过程中的官能团变化情况，1084cm-处是Si一O-C的吸收峰，1030cm-¹处是Si-O-Si的吸收峰:对比修复前后的红外光谱图发现,固化后1030cm-处出现更多典型Si-O-Si吸收峰，说明体系在修复过程中由Si-O-C官能团通过化学反应产生新的Si-0-Si官能团,发生交联反应，新生成的Si-O-Si成为体系的交联点，最终实现体系的修复。

3.2修复机理分析

纳米修复材料中包含大量的Si-O-C官能团。具有较高的反应活性,接触水就能发生水解缩合反应,产生具有更高反应活性的Si-OH官能团，而SiOH官能团之间不但会发生脱水缩合反应，产生Si-0-Si基团,最终生成SiO,而且还能发生化学键结合,从两方面增强了界面结合力，能在一定程度上修复混凝土内部的微裂缝。

4结语

以抗渗压力恢复率为评价指标研究衣地酸二钠、甲酸钙和硅酸钠等活性反应物质复合而成的混凝土自修复材料NNC对混凝土裂缝修复后抗渗性能的影响.结果表明，混凝土掺入NNC溶液后，明显提高了抗渗压力的恢复率；相同处理条件下，抗渗压力恢复时间随着浓度的增加明显缩短；当NNC含量过高时，体积膨胀过大，产生结晶压力，造成混凝土裂缝愈合后二次开裂.采用浸泡法掺入NNC溶液时，最佳处理方式为：①掺入1%NNC时，处理时间为60d；②掺入2%NNC时，处理时间为28d.当采用加压注入裂缝的方式时，掺入2%NNC最佳.因此，使用NNC实现混凝土自修复时，需充分考虑修复时的处理方式、处理时间，采取相应的处理手段.

【参考文献】

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