自修复混凝土的制备及其抗渗性能和抗盐冻性能

王 丽,白 英

(1. 内蒙古建筑职业技术学院 装饰与艺术设计学院，呼和浩特 010070; 2. 内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

自修复混凝土的制备及其抗渗性能和抗盐冻性能

王 丽1,白 英2

(1. 内蒙古建筑职业技术学院 装饰与艺术设计学院，呼和浩特 010070; 2. 内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

以氯化胆碱为促进剂，超细二氧化硅为活化剂，沸石粉为反应助剂，52.5号普通硅酸盐水泥为粘结剂，石英砂为结构增强剂，将上述原料搅拌混匀后，与水按照质量比0.4∶1配置成混凝土用修复剂,涂覆于混凝土试件表面，标准养护后得到自修复混凝土试件。考察了自修复混凝土的抗渗性能和抗盐冻性。结果表明：自修复混凝土的抗渗性和抗盐冻性得到了明显的改善，自修复混凝土的一次抗渗压力和二次抗渗压力均明显高于基准混凝土的，在NaCl溶液中，经冻融循环200次后，自修复混凝土的质量损失率较基准混凝土的减少了45%，其相对动弹模量较基准混凝土的下降趋势更缓。

混凝土；冻融循环；抗渗性；抗盐冻性

混凝土是当今使用最广泛的建筑材料和结构材料。由于其自身特点，内部往往存在一些原始微裂纹，在承载期间，微裂纹会进一步扩大转变为裂缝，使混凝土表面发生开裂[1]。我国幅员辽阔，在我国西部盐湖地区以及北方沿海地区，室外混凝土工程结构同时还面临着严寒及腐蚀盐的侵蚀问题。因此，近年来，对混凝土裂缝的控制和修复成为了广大科研工作者的研究重点。传统的混凝土修复技术方法主要是对裂缝表面涂刷新配置的砂浆进行修补，这往往造成修补成本大于混凝土的建造成本[2]。目前，修复混凝土裂缝的最新技术主要是基于仿生学原理开发的混凝土自修复技术[3-4]，具体为包括：微胶囊技术[5]和中空纤维技术[6]。这两种技术均能在混凝土裂纹产生初期，在应力作用下，释放胶囊内或中空纤维管内的修复剂渗入到裂纹中，修复剂固化，从而抑制裂纹进一步扩展，实现混凝土裂纹的自修复。由于微胶囊、中空纤维管多为脆性材料，在混凝土的振捣过程中，微胶囊和中空纤维管的壁材往往会过早破裂，造成修复剂流失，最终导致混凝土的自修复性能降低。

因此，在自修复混凝土的制备过程中，必须同时兼顾其自修复性能和工艺的可重现性，对于我国西部盐湖地区以及北方沿海地区，还需同时考察其抗盐冻性。超细二氧化硅具有高渗透力，能够激活混凝土中未水化反应的水泥颗粒，并生成不溶于水的络合结晶体[7]；沸石粉具有较强的碱吸附性，可与混凝土中未水化的水泥生成不溶性的晶体物质，使混凝土结构更加致密[8]。本工作自制了具有自修复性能的混凝土试件，考察了不同养护龄期的自修复混凝土试件的抗渗性，并采用混凝土快速冻融试验机和动弹仪研究了试件在Na2SO4、Mg2SO4和NaCl溶液中的抗盐冻性。

1 试验

1.1 自修复混凝土的制备

以氯化胆碱(含量≧99%，济南金辉化工有限公司)为促进剂，超细二氧化硅(潍坊宝特化工有限公司)为活化剂，沸石粉(吸附率≧98%，郑州雨蓝环保科技有限公司)为反应助剂，52.5号普通硅酸盐水泥(内蒙古蒙西水泥有限公司)为粘结剂，石英砂(莫氏硬度为7，内蒙古昌繁石英砂有限公司)为结构增强剂，按照w氯化胆碱∶w超细二氧化硅∶w沸石粉∶w52.5号普通硅酸盐水泥∶w石英砂为1∶1∶2∶1∶30制成混合物，采用强力机械搅拌混匀后，将混合物与水按照1∶0.4(质量比)混合后即得到本试验所要求的混凝土修复剂。

参照C40普通混凝土配比设计混凝土试件，具体成分如下：436 kg/m3水泥(内蒙古蒙西42.5级普通硅酸盐水泥)，605 kg/m3砂(普通河沙，细度模数2.33，表观密度2 600 kg/m3)，1 228 kg/m3碎石(最大粒径20 mm的碎石，5～20 mm连续级配，表观密度2 650 kg/m3)，185 kg/m3水，水灰比为0.4。

分别浇筑4组试件，其中，A组和C组试件尺寸均为上口直径175 mm，下口直径185 mm，高150 mm，个数均为6个；B组和D组试件尺寸均为100 mm×100 mm×400 mm，个数均为3个。将制备的混凝土修复剂按1～1.2 kg/m2用量均匀涂覆于上述A组、B组试件表面， 4组试件浇筑24 h后脱模，然后在标准条件下养护28 d。

1.2 试验方法

混凝土抗渗试验参照JC 474-2008《砂浆、混凝土、防水剂》规定执行，将养护后的A组试件和C组试件用蜡密封后进行一次抗渗试验，试验时，水压从0.2 MPa开始，水压增长速率为0.1 MPa/h，当3个试件端面出现渗水，即停止试验，记录此时的抗渗压力。A组试件和C组试件被水击穿后，继续标准条件下养护28 d后取出,进行二次抗渗试验。试验步骤与一次抗渗试验时的相同，同时记录二次抗渗试验抗渗压力。

混凝土抗盐冻试验参照JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行，将养护28 d后的B组试件和D组试件装入110 mm×110 mm×500 mm橡胶盒内，在盒内分别倒入4%(质量分数，下同)Na2SO4溶液、4% Mg2SO4溶液和4% NaCl溶液，将橡胶盒置于冻融箱中，采用快冻法，每25次冻融循环进行一次动弹模量测试和质量损失率测试。

2 结果与讨论

2.1 抗渗性

由表1可见，A组试件的一次抗渗压力和二次抗渗压力均高于C组试件的，特别是A组试件的二次抗渗压力是C组试件的8倍，这表明一次抗渗击穿后，表面涂覆修复剂能明显的提高混凝土内部裂纹和孔洞的修复能力，从而有效改善混凝土的抗渗性能。

表1 A组试件和C组试件的抗渗性能Tab. 1 Anti-penetrability of sample A and sample C

2.2 抗盐冻性

2.2.1 质量损失率

由图1可见，两组试件在三种溶液中质量损失度变化呈现出相似的规律：在NaCl溶液中,试件的质量损失率最大，在Mg2SO4溶液中的次之，在Na2SO4溶液中的最小。这表明氯盐在冻融环境中对混凝土破坏最大，主要是因为在冻融环境中，相较于Na2SO4、Mg2SO4，氯盐能显著提高混凝土内部的毛细管平衡饱水度[9]，从而增加混凝土可冻水的含量，造成混凝土内部的结冰膨胀率和结冰压大大增加。由图1还可见，在同种盐溶液的冻融试验中，自修复混凝土试件(B组试件)的质量损失率要低于基准试件(D组试件)的，这可能是由于自制混凝土修复剂中含有高活性的二氧化硅和沸石粉，它们均能有效渗入混凝土内部，与混凝土中未水化的水泥颗粒发生反应生成不溶的结晶体沉淀物，从而堵塞和封闭混凝土中的毛细孔通道和细微孔隙，使混凝土结构更加致密，在冻融试验中，能够有效减少混凝土的质量损失率。

(a) B组试件

(b) D组试件图1 B组试件和D组试件在不同溶液中质量损失率随冻融次数的变化曲线Fig. 1 Mass loss rate vs. freezing and thawing cycle curves of sample B(a) and sample D(b) in different solutions

2.2.2 相对动弹模量

由图2可见，随着冻融循环次数增加，在不同盐溶液中，两组试件的相对动弹模量均呈下降趋势，在同一种盐溶液中，两组试件相对动弹性模量的下降趋势不同。

在NaCl溶液中，B组试件的相对动弹模量下降趋势较D组试件的更缓，冻融循环次数为200次时，B组试件的相对动弹模量为76.1%，D组试件的为62.3%，几近于破坏，这表明在NaCl溶液中，随着冻融次数的增加，混凝土内部出现了更多的微裂纹和水分通道，加剧了冻融破坏，由于修复剂能在一定程度上与混凝土内部的未水化水泥反应，最终使得混凝土结构更加致密，从而能够适当延缓混凝土的冻融破坏。

(a) B组试件

(b) D组试件图2 B组试件和D组试件在不同溶液中相对动弹模量随冻融次数的变化曲线Fig. 2 The relative dynamic elastic modulus vs. freezing and thawing cycles curve of sample B (a) and sample D (b) in different solutions

在Mg2SO4溶液中，B组试件的相对动弹模量下降趋势与D组试件的相近，这表明在Mg2SO4溶液中，随着冻融次数的增加，冻融破坏对两组混凝土试件产生的结果相似，这可能是由于Mg2SO4溶液中，有大量Mg2-，与混凝土内部的Ca2+反应生成不溶性的钙镁结晶体，堵塞了混凝土冻融破坏产生的水分通道，延缓了混凝土进一步冻融破坏的趋势。

在Na2SO4溶液中，当冻融次数不超过150次，B组试件的相对动弹模量下降趋势较D组试件的更缓，这表明在冻融初期，自修复混凝土中的修复剂对混凝土内部结构起到了更好的保护作用。

2.3 修复机理

由图3可见，标准养护28 d后，基准混凝土内部存在大量孔洞，而在自修复混凝土中，由于表面涂覆的修复剂中的活性二氧化硅、沸石粉渗入到混凝土内部，与混凝土内未水化的水泥反应生成了大量枝蔓状结晶体，穿插在其混凝土内部空隙中，对内部饱和水行经的毛细通道形成了有效封闭，使得整个混凝土试件成为一个完整的整体，有效堵塞了水及各类化学物质的侵袭。

(a) 基准混凝土

(b) 自修复混凝土图3 基准混凝土和自修复混凝土经28 d养护后的SEM形貌Fig. 3 SEM morphology of reference concrete (a) and self repairing concrete (b) after 28 d curing

在抗渗试验中，混凝土试件受到水压作用，由于修复剂对其内部毛细通道的封闭作用，自修复混凝土表现出更高的抗渗压力，说明涂覆的修复剂对混凝土受外压造成内部结构的破坏有很好的修复作用。

在抗盐冻试验中，盐溶液进入混凝土的孔隙中，并开始在大孔中凝结，而在不同的孔隙中，盐溶液的受冻情况表现不同，导致不同孔隙中盐溶液的含量不同，根据渗透压理论，在不同孔隙之间会形成一定的渗透压作用；同时，由于温度低，盐溶解度降低，使得大量盐类开始结晶。渗透压与盐类的结晶压共同作用于混凝土，对混凝土产生极大破坏，图4为冻融过程中混凝土表面及其裂缝中产生的盐类结晶。由图4可见，大量盐类开始在混凝土表面聚集。

图4 冻融循环过程中混凝土表面盐类结晶Fig. 4 The salt crystallization on concrete surface during the freezing and thawing cycles

不同的盐溶液对混凝土影响作用表现不同。在NaCl溶液，氯盐会增加混凝土表面的饱水程度，同时试件中Ca(OH)2在NaCl溶液中的溶解度大，这造成钙流失，使细集料从表面剥离，故盐蚀最为严重；Na2SO4溶液中，Na2SO4冻融产生较大结晶压力和由化学膨胀造成的混凝土损伤，原因在于SO42-会与Ca2+反应生成石膏CaSO4，在混凝土内部产生膨胀应力，使得混凝土内部产生各种大小的裂缝，增加了可结冰饱和水的行经通道，在冻融作用下，更易受到破坏，表现为混凝土基体的相对动弹模量下降趋势更快，质量损失率较大；在MgSO4溶液种，除了SO42-与Ca2+化学反应造成膨胀性破坏之外，由于Mg2+会置换水化硅酸钙中Ca2+，形成无胶结能力的水化钙镁晶体，从而导致混凝土出现一定的脱钙反应，造成C-S-H凝胶分解，表现为混凝土内部结构溃散，胶结能力降低。

自修复混凝土由于其表面成分可以渗入混凝土内部与未水化水泥反应生成枝蔓结晶体，对由盐溶液作用引起的裂缝孔道表现出一定的修复作用，盐冻试验结果表明,较基准混凝土，自修复混凝土的质量损失率及动弹模量都得到了极大改善。

3 结论

(1) 自修复混凝土的抗渗压力比基准混凝土的高，特别是其二次抗渗压力是基准混凝土的8倍，即表面涂覆混凝土修复剂对混凝土内部裂纹和孔洞有优异的修复能力；

(2) 自修复混凝土试件在抗盐冻试验中的质量损失率要低于基准试件的；

(3) 在冻融循试验中，与基准混凝土相比,自修复混凝土在NaCl、Mg2SO4、Na2SO4三种盐溶液中的相对动弹模量均较低。

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Preparation and Anti Permeability and Anti Salt Freezing-thawing on the Concrete of Self-repairing Concrete

WANG Li1, BAI Yin2

(1. Department of Decorative Art and Design, Inner Mongolia Technical College of Construction, Huhhot 010070, China;2. College of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China)

The self-repairing concrete was prepared using choline chloride as accelerant, ultrafine silicon dioxide as activating agent, zeolite powder as reaction assistant, 52.5#ordinary portland cement as binder and quartz sand as structural enhancer to form a mixture, after stirring evenly, adding water in accordance with the proportion of 0.4 water∶1 mixture to corrfect a concrete repair agent, and then ia was coated on the concrete surface to get self-repairing concrete. The anti permeability and anti salt freeze-thawing performance of the self-reparing concret were investigated. The results show that the anti permeability and anti salt performance of the self-repairing concrete were significantly improved, the anti seepage pressure and secondary impermeability pressure were both significantly higher than the benchmark concrete′s. In NaCl solution, after 200 times of freezing and thawing cycle, the self repairing concrete quality loss rate reduced 45% than the benchmark concrete′s, the relative dynamic elastic modulus declined more slowly than the benchmark concrete′s.

concrete; freeze-thaw cycle； anti-permeability； frost-salt resistance

10.11973/fsyfh-201703007

2015-09-18

王 丽(1982-),讲师,硕士从事建筑材料、施工、结构研究的工作,17096526342,minganw@163.com

U416.217

A

1005-748X(2017)03-0189-04