郭贏贏

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西太原 030032）

0 引言

水泥混凝土材料在結構工程領域發(fā)揮著重要作用，隨著技術發(fā)展和性能提升，其應用領域越來越廣泛。作為一種水硬性材料，加上其收縮大、抗拉強度低、韌性差的特點，水泥混凝土材料在服役過程中不可避免地會產生裂紋。這一現(xiàn)象，在降低混凝土力學性能的同時也為外部有害介質尤其是水的侵入提供了通道。水的侵入，后續(xù)會引發(fā)諸如鋼筋銹蝕、凍融破壞、碳腐蝕、堿石料反應等一系列問題，最終造成混凝土結構破壞，不僅影響其耐久性，同時給結構安全帶來巨大威脅[1-5]。為此，如何防止外來水分的入侵，一直是混凝土研究者面臨的重要課題?；炷练浪膫鹘y(tǒng)做法主要有：提升混凝土的密實性；表層做防水保護。這兩種方式都有其局限性，無論如何提高混凝土的密實性，內部空隙是無法完全消除的；表層做防水處置，治標不治本，隨著表層防水措施的失效，需要不斷地重復操作。

裂紋是外來水侵入混凝土的前提，且混凝土早期的裂紋較小，如果能在混凝土最初出現(xiàn)微裂紋時，及時封堵修復，就能阻斷裂縫的發(fā)展，達到自愈防滲的效果。水泥基滲透結晶防水材料就是在這樣的背景下研發(fā)出來的。

水泥基滲透結晶防水材料（以下簡稱CCCW)，是由硅酸鹽水泥、其他外加劑配制而成的粉料。在水的作用下，CCCW 中的活性組分會和混凝土中的Ca2+等發(fā)生反應生成絡合物，當遇到硅酸根、鋁酸根時，絡合物將會釋放出Ca2+與其生成針狀結晶物封堵孔隙和裂縫，同時活性組分又可以參與到新一輪的絡合沉淀反應中去，當無水的時候，活性組分處于休眠狀態(tài)，一旦有水進入，活性材料立刻被激活，通過絡合沉淀反應完成滲透結晶。因此，CCCW 能有效封堵早期孔隙和裂紋，并且具有永久的防水效果[6]。

CCCW 同水泥混凝土具有很好的適應性，且具有永久的防水效果，激起了廣大研究者的研究熱情。姚嘉誠[1]等研究了CCCW 與納米二氧化硅（NS）對混凝土自修復性能的影響，結果表明，CCCW 和NS 能顯著改善水泥混凝土的自修復性能。李冰[3]等研究了不同水膠比、不同養(yǎng)護時間、不同養(yǎng)護條件下內摻CCCW 混凝土裂縫愈合性能，結果顯示水膠比對混凝土自愈性能有較大影響,標準養(yǎng)護有利于混凝土的自愈合，隨著養(yǎng)護時間延長混凝土自愈性能逐漸趨于穩(wěn)定。逄錦偉[4]通過預留裂縫混凝土抗壓強度試驗及混凝土抗?jié)B壓力試驗對摻加CCCW 混凝土自愈合行為進行了研究，結果顯示CCCW 能明顯提升預留裂縫混凝土抗壓強度和抗?jié)B性能。

研究者們針對CCCW 開展了大量研究工作，卻鮮有將抗壓強度恢復率和滲透恢復率結合起來研究混凝土自修復行為的報道，且現(xiàn)有的研究大多都是利用進口材料在做探索性研究，對CCCW 進行自主研發(fā)的則很少。本文是在自主研發(fā)的材料基礎上，通過抗壓強度恢復率和抗?jié)B恢復率對其自愈合及防滲性能進行考察。

1 試驗

1.1 原材料

a）水泥 P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，山西萬榮神力水泥廠。

b）滲透結晶型防水材料 自制。

c）水 自來水。

d）砂 河砂，細度模數(shù)為2.7。

e）碎石 壓碎值9.6，5～20 mm 的連續(xù)級配，山西喜悅發(fā)石料廠。

f）減水劑 聚羧酸高效減水劑，江蘇蘇博特新材料股份有限公司。

1.2 配合比

表1 給出了混凝土配合比C40，砂率為35.6%，水膠比為0.45。

表1 配合比 單位：kg/m3

1.3 試驗方案

該方案中抗壓強度試驗所用試件均選用100 mm×100 mm×100 mm 立方體試塊，每組成型3 個試件；抗?jié)B試驗用試件均采用頂面直徑為175 mm，底面直徑為185 mm，高度為150 mm 的圓臺試件，每組成型6 個試件。CCCW 摻量指等質量替代水泥，配合比參照表1。

1.3.1 抗壓強度試驗

參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）相關規(guī)定進行抗壓試件的制備、養(yǎng)護、測試。制備基準混凝土試件、摻加CCCW 0.6% 、0.8%、1.0%、1.2% 的混凝土試件各一組，編號分別為J、A、B、C、D，成型1 d 后拆模，隨后將試件置于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d，測試極限抗壓強度。

1.3.2 抗壓強度恢復率試驗

制備基準混凝土試件3 組（編號JZ1、JZ2、JZ3)、摻加CCCW 1.0% 混凝土試件3 組（編號NC1、NC2、NC3），成型1 d 后拆模，置于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d；之后，對JZ1、NC1 進行極限抗壓強度測試，對JZ2、NC2 分別施加極限抗壓強度80%的壓力，對JZ3、NC3 分別施加極限抗壓強度60%的壓力；隨后，將經過第一次受壓的試件置于標準養(yǎng)護室繼續(xù)養(yǎng)護28 d，進行極限抗壓測試。前后兩次抗壓強度的比值，即抗壓強度恢復率，其計算公式如式（1）：

式中：KI為抗壓強度恢復率；IR為各自養(yǎng)護齡期恢復后抗壓強度，MPa；I0為標準養(yǎng)護28 d 的抗壓強度，MPa。

1.3.3 抗?jié)B試驗

參照《水泥基滲透結晶防水材料》（GB 18445—2012）相關規(guī)定進行抗?jié)B試件的制備及測試。制備基準混凝土試件（編號JZ-K）、摻加CCCW 1.0% 混凝土試件（編號NC-K）各1 組，成型1 d 后拆模，于20 ℃水中浸水養(yǎng)護至28 d，進行第一次抗?jié)B試驗，之后帶模標準養(yǎng)護28 d，進行第二次抗?jié)B試驗。前后兩次抗?jié)B壓力的比值，即為抗?jié)B恢復率，其計算公式如式（2）：

式中：MP為抗?jié)B恢復率；P1為一次抗?jié)B壓力，MPa；P2為二次抗?jié)B壓力，MPa。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度試驗結果

不同CCCW 摻量混凝土抗壓強度測試結果如圖1，摻加CCCW 混凝土試件28 d 抗壓強度均高于基準混凝土，且隨著CCCW 摻量的增加，混凝土試塊抗壓強度先增加后逐漸趨于穩(wěn)定，當CCCW 摻量為1%時，混凝土抗壓強度增強效果最為理想。這主要是因為CCCW 中含有的外加劑粒度較小，加入混凝土后，可以起到物理填充作用，減小混凝土內部空隙大小及孔隙率，從而增強混凝土的致密性，使其強度有所增強[7]。同時該物理填充效應隨著CCCW 摻量的增加，逐漸達到飽和，所以會出現(xiàn)試驗結果中抗壓強度隨著CCCW 摻量增加不斷增強，當CCCW 增加到一定量時，混凝土抗壓強度趨于穩(wěn)定不再隨CCCW 摻量增加而增強。

圖1 不同CCCW 摻量混凝土試塊抗壓強度測試結果

2.2 抗壓強度恢復率試驗結果

如圖2 所示，基準混凝土試件JZ1（施加極限抗壓強度）、JZ2（預壓80%極限抗壓強度）、JZ3（預壓60%極限抗壓強度）二次抗壓強度分別為33.5 MPa、34.4 MPa、34.8 MPa，抗壓強度恢復率分別為82.1%、84.3%、85.2%；摻加1% CCCW 的混凝土試件NC1（施加極限抗壓強度）、NC2（預壓80%極限抗壓強度）、NC3（預壓60%極限抗壓強度）二次抗壓強度分別為43.2 MPa、47.7 MPa、52.4 MPa，抗壓強度恢復率分別為90.5%、99.3%、109.2%。

圖2 CCCW 摻量及不同程度預壓處理對混凝土二次抗壓強度及抗壓強度恢復率影響

從試驗結果可知，基準混凝土本身具有一定的自修復能力，加入CCCW 使得混凝土的自修復能力得到明顯改善。無論是基準混凝土還是摻加了CCCW 的混凝土，受損狀況對其自修復效果有很大影響。受損越嚴重，后期抗壓強度恢復率越低?；炷羶炔客ǔ嬖谝欢康奈此退煌耆乃囝w粒，當外來水分通過裂縫或空隙進入混凝土內部，此部分水泥顆粒將會進一步水化形成水泥石，從而填充封堵空隙和裂縫，達到自愈合的效果。摻加了CCCW 后，混凝土的自愈合性能明顯改善，一方面，CCCW 本身會額外供給一定量Ca2+及水泥顆粒，使得混凝土自修復能力變強；另一方面，CCCW 內部的活化成分可以催化混凝土內部的Ca2+同硅酸根離子、鋁酸根離子等發(fā)生絡合沉淀反應，生成針狀晶體，從而封堵空隙和裂縫，而且該絡合沉淀反應可以在較低濃度下進行[8-10]。由于混凝土所受預壓力不同，受損程度也不同。受壓力越大，破損越嚴重，表現(xiàn)為裂縫長度、寬度及數(shù)量不同。無論是基準混凝土自身修復行為還是CCCW 的滲透結晶修復行為，對混凝土產生的過長過寬裂縫的修復效果都有限。

2.3 抗?jié)B試驗結果

不同CCCW摻量混凝土抗?jié)B試驗結果如表2所示。

表2 不同CCCW 摻量混凝土抗?jié)B試驗結果

結果顯示，基準混凝土具有一定的抗?jié)B恢復能力，抗?jié)B恢復率為66.6%；摻加CCCW 后，混凝土的抗?jié)B性能明顯提升，且自我修復能力也大為改善，一次抗?jié)B壓力是基準混凝土抗?jié)B壓力的2 倍，二次抗?jié)B壓力是基準混凝土抗?jié)B壓力的3 倍，抗?jié)B恢復率提升至92.3%。

一次滲水試驗后，混凝土內部的空隙因為水壓力形成貫穿孔道，經過再次養(yǎng)護后，原本已出現(xiàn)滲水的混凝土會借助未完全水化的水泥顆粒進一步水化，添加CCCW 的混凝土則借助未完全水化的水泥顆粒進一步水化以及CCCW 滲透結晶的力量自動愈合，達到封堵防滲的效果，因此經過二次滲水試驗，可以了解試件的自愈防滲情況，且該試驗主要考察滲透結晶材料對混凝土內部空隙的封堵防滲效果。

3 結論

a）自制CCCW 的加入可以明顯提升混凝土的抗壓強度，隨著CCCW 摻量的增加，混凝土抗壓強度不斷增強，摻量達1%之后抗壓強度增強效果趨于穩(wěn)定，建議最佳摻量為1%。

b）基準混凝土具有一定的自修復能力，CCCW 能使混凝土的自修復能力得到明顯改善?；炷潦軗p狀況對其自修復效果有很大影響，受損越嚴重，后期抗壓強度恢復率越低。

c）CCCW的加入可以明顯提升混凝土的抗?jié)B性能。