查亞剛 余劍英 王瑞陽(yáng) 何 鵬

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

0 引 言

水泥混凝土為多孔脆性非均相材料，在遭受凍融循環(huán)或外力作用時(shí)，易形成內(nèi)部微裂紋和表面宏觀裂縫，使其抗?jié)B性能、耐化學(xué)侵蝕和力學(xué)性能?chē)?yán)重降低，導(dǎo)致混凝土構(gòu)筑物的服役壽命縮短[1].為提高水泥混凝土的性能，各種外加劑已被廣泛使用[2].常用的外加劑主要有減水劑、引氣劑、防凍劑、膨脹劑、防水劑等.這些外加劑雖具有改善混凝土微觀結(jié)構(gòu)和提高其力學(xué)性能的作用[3-7]，但對(duì)混凝土的內(nèi)部微裂紋和宏觀裂縫無(wú)修復(fù)效果.

近些年來(lái)，對(duì)混凝土微裂縫具有自修復(fù)作用的功能化學(xué)物質(zhì)已被開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[8-10].但這類(lèi)材料主要用于制備水泥基防水涂料和抗?jié)B混凝土，研究工作集中在混凝土的抗?jié)B性和裂縫自愈合方面，而較少研究其對(duì)混凝土水化進(jìn)程、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響.

絡(luò)合型功能外加劑是筆者研制的一種可賦予混凝土裂縫自修復(fù)性能的添加劑，其作用機(jī)理為絡(luò)合劑可與混凝土中的鈣離子形成可溶性絡(luò)合物，該絡(luò)合物可隨水遷移至連通孔隙、微裂紋及裂縫中，然后與未水化水泥或空氣中的二氧化碳反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、碳酸鈣等產(chǎn)物，填充孔隙和修復(fù)裂縫.本文研究了絡(luò)合劑功能外加劑對(duì)水泥基材料的凝結(jié)時(shí)間、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，并采用大板開(kāi)裂試驗(yàn)，直觀評(píng)價(jià)了其對(duì)混凝土宏觀裂縫的自修復(fù)效果.

1 試 驗(yàn)

1.1 原料

水泥：P.O42.5；砂：中砂，含泥量和水量均小于1%；絡(luò)合型功能外加劑(DS)：本實(shí)驗(yàn)室自制；拌和用水：自來(lái)水.

1.2 樣品制備

按照表1的砂漿配比進(jìn)行原料準(zhǔn)備.按照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》的規(guī)定，將水泥、砂、絡(luò)合型功能外加劑和水加入砂漿攪拌機(jī)中進(jìn)行拌和，然后倒入40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)模內(nèi)，振實(shí)成型放置24 h后脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù).

1.3 裂縫預(yù)制及自修復(fù)試驗(yàn)

表1 砂漿試驗(yàn)配合比 g

參照文獻(xiàn)[11]的大板開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行裂縫預(yù)制.采用200 mm×200 mm×20 mm的木模，模底板為4 cm厚的XPS保溫板.在模底板上插入三個(gè)間距為50 mm的鐵片裂縫誘導(dǎo)器，與木模周邊距離為20 mm，鐵片高度不超過(guò)?？蚋叨?，距木模中心的上方0.8 m處安置一個(gè)100 W的白熾燈.將按表1配合比分別制備的砂漿，沿著木模的邊緣螺旋式向中心進(jìn)行澆筑，直至砂漿料充滿(mǎn)整個(gè)木模；刮平試件表面后打開(kāi)白熾燈，并開(kāi)啟電風(fēng)扇向試件表面連續(xù)吹風(fēng)(風(fēng)速約為5 m/s)，直至試件表面產(chǎn)生一定寬度的裂縫，用PTS-E40綜合測(cè)試儀測(cè)量初始裂縫.然后，將已產(chǎn)生裂縫的試件放入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d，測(cè)量養(yǎng)護(hù)后的裂縫寬度.

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

1.4.1凝結(jié)時(shí)間測(cè)試

按水灰比為0.35制備水泥凈漿，分別摻加水泥量0.0%，0.3%，0.5%，1.0%的絡(luò)合型功能外加劑，按GB/T1346-2001《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》測(cè)試水泥凈漿的初凝和終凝時(shí)間.

1.4.2力學(xué)性能測(cè)試

按照文獻(xiàn)[11]測(cè)試養(yǎng)護(hù)至不同齡期后的砂漿試件抗折抗壓強(qiáng)度.

1.4.3總孔隙率測(cè)試

參照“可蒸發(fā)水含量法”[12]測(cè)試砂漿的總空隙率.首先將養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的砂漿試件浸水至恒重，再將完全飽水的試件在105 ℃烘干(12～14 h)至恒重，前后的質(zhì)量差為失水量.總空隙率計(jì)算式為

式中：ρ為總空隙率，%；m0為試件飽水后的質(zhì)量，g；mn為試件干燥后的質(zhì)量，g；ρw為水的密度，取1 g/cm3；V為試件的體積，cm3.

1.4.4微觀結(jié)構(gòu)表征

采用某公司發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)砂漿試樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征.將養(yǎng)護(hù)28 d的砂漿試樣用乙醇浸泡，然后將已終止水化的砂漿試樣在105 ℃烘箱中烘干，經(jīng)噴Pt處理后采用SEM觀察其微觀形貌.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 絡(luò)合型功能外加劑對(duì)水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響

圖1為絡(luò)合型功能外加劑的摻量對(duì)水泥凈漿的初凝和終凝時(shí)間的影響曲線.由圖1可知，摻加絡(luò)合型功能外加劑后，水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng).如摻加0.3%絡(luò)合型功能外加劑的水泥凈漿的初凝和終凝時(shí)間分別延長(zhǎng)了121和37 min，摻量為1.0%時(shí)，初凝和終凝時(shí)間分別延長(zhǎng)了252和233 min，由此可知，絡(luò)合型功能外加劑摻量較小時(shí)，對(duì)初凝時(shí)間影響較大，對(duì)終凝時(shí)間影響較小，而摻量較大時(shí)，對(duì)初終凝時(shí)間均有較大影響.凝結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)表明絡(luò)合型功能外加劑對(duì)水泥初期水化進(jìn)程有一定的抑制作用，因此使用絡(luò)合型功能外加劑時(shí)，應(yīng)注意調(diào)節(jié)水泥基材料的凝結(jié)時(shí)間.

圖1 絡(luò)合型功能外加劑摻量對(duì)水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響

2.2 絡(luò)合型功能外加劑對(duì)砂漿力學(xué)性能的影響

不同摻量絡(luò)合型功能外加劑對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期的水泥砂漿試件抗折抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律見(jiàn)圖2.由圖2可知，摻加絡(luò)合型功能外加劑后，不同齡期的砂漿抗折抗壓強(qiáng)度均有明顯的提高.如相比于普通砂漿A，摻加絡(luò)合型功能外加劑的砂漿B，C和D的28 d抗折強(qiáng)度分別提高了11.3%，15.5%和7.0%，抗壓強(qiáng)度分別提高19.5%，26.8%和13.4%，其中絡(luò)合型功能外加劑摻量為0.5%的砂漿C的抗折抗壓強(qiáng)度增加幅度最大.因此，絡(luò)合型功能外加劑的適宜摻量為水泥量的0.5%.

圖2 絡(luò)合型功能外加劑對(duì)砂漿抗折抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 絡(luò)合型功能外加劑對(duì)砂漿總孔隙率的影響

水泥基材料的孔隙包括細(xì)毛細(xì)孔、氣孔與粗毛細(xì)孔，總孔隙率能直觀地反映材料內(nèi)部的密實(shí)情況.圖3為摻加不同量的絡(luò)合型功能絡(luò)合劑的砂漿試件的總孔隙率測(cè)試結(jié)果.由圖3可知，A砂漿的總孔隙率為17.1%，B，C和D砂漿的總孔隙率分別為15.3%，14.0%和15.5%.與A砂漿相比，B，C和D砂漿的總孔隙率分別減少了10.5%，18.1%和9.4%.這表明絡(luò)合型功能外加劑明顯減少了砂漿的內(nèi)部孔隙，對(duì)砂漿的微結(jié)構(gòu)有明顯的改善作用，從而有利于提高水泥基材料的力學(xué)性能.絡(luò)合型功能外加劑摻量對(duì)總孔隙率的影響規(guī)律與其對(duì)抗折抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律相一致.

圖3 絡(luò)合型功能外加劑對(duì)砂漿總孔隙率的影響

2.4 絡(luò)合型功能外加劑對(duì)砂漿微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖4為不同絡(luò)合型功能外加劑摻量的砂漿在養(yǎng)護(hù)28 d后的SEM圖.由圖4可知，砂漿A內(nèi)部孔隙和微裂縫較多，密實(shí)度較差，而摻加絡(luò)合型功能外加劑的砂漿B，C和D的孔隙和微裂縫中有大量針狀或纖維狀結(jié)晶生成，起到了填充孔隙和堵塞裂縫的作用.這一現(xiàn)象很好地解釋了摻加絡(luò)合型功能外加劑后，砂漿的總孔隙率明顯降低.

圖4 摻加絡(luò)合型功能外加劑的砂漿的SEM圖

2.5 絡(luò)合型功能外加劑對(duì)砂漿宏觀裂縫的自修復(fù)效果

圖5～6分別反映了砂漿A和砂漿C的初始裂縫在養(yǎng)護(hù)28 d后的變化情況.由圖5可知，在砂漿A表面形成的兩條寬度分別為0.15和0.25 mm的初始裂縫，養(yǎng)護(hù)28 d后，裂縫寬度分別為0.13和0.23 mm，變化很小，而摻加絡(luò)合型功能外加劑的砂漿C表面形成的兩條寬度分別為0.18和0.27 mm的初始裂縫，在養(yǎng)護(hù)28 d后，裂縫已完全愈合，表現(xiàn)出很好的裂縫自修復(fù)作用.

圖5 砂漿A的初始裂縫和養(yǎng)護(hù)后的變化情況

圖6 砂漿C的初始裂縫和養(yǎng)護(hù)后的變化情況

3 結(jié) 論

1) 絡(luò)合型功能外加劑對(duì)水泥水化有一定的抑制效果，會(huì)延長(zhǎng)水泥基材料的凝結(jié)時(shí)間，但在摻量少時(shí)，影響程度較小.

2) 絡(luò)合型功能外加劑可明顯降低水泥基材料的孔隙率，有利于提高水泥基材料的力學(xué)性能.與普通砂漿相比，摻加水泥量0.5%絡(luò)合型功能外加劑的砂漿總孔隙率降低了18.1%，28 d的抗折、抗壓強(qiáng)度分別提高了15.5%和26.8%.

3) SEM觀察表明在摻加絡(luò)合型功能外加劑的砂漿裂縫中生成了大量的針狀或纖維狀結(jié)晶，砂漿的微觀結(jié)構(gòu)得到了很好的改善.

4) 絡(luò)合型功能外加劑可賦予水泥基材料優(yōu)良的裂縫自修復(fù)能力.大板開(kāi)裂試驗(yàn)表明，摻加0.5%絡(luò)合型功能外加劑的砂漿可對(duì)寬度達(dá)0.27 mm的裂縫實(shí)現(xiàn)自修復(fù).

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