络合型功能外加剂改善水泥基材料性能的研究*

查亚刚 余剑英 王瑞阳 何 鹏

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070)

0 引 言

水泥混凝土为多孔脆性非均相材料，在遭受冻融循环或外力作用时，易形成内部微裂纹和表面宏观裂缝，使其抗渗性能、耐化学侵蚀和力学性能严重降低，导致混凝土构筑物的服役寿命缩短[1].为提高水泥混凝土的性能，各种外加剂已被广泛使用[2].常用的外加剂主要有减水剂、引气剂、防冻剂、膨胀剂、防水剂等.这些外加剂虽具有改善混凝土微观结构和提高其力学性能的作用[3-7]，但对混凝土的内部微裂纹和宏观裂缝无修复效果.

近些年来，对混凝土微裂缝具有自修复作用的功能化学物质已被开发与应用[8-10].但这类材料主要用于制备水泥基防水涂料和抗渗混凝土，研究工作集中在混凝土的抗渗性和裂缝自愈合方面，而较少研究其对混凝土水化进程、微观结构和力学性能的影响.

络合型功能外加剂是笔者研制的一种可赋予混凝土裂缝自修复性能的添加剂，其作用机理为络合剂可与混凝土中的钙离子形成可溶性络合物，该络合物可随水迁移至连通孔隙、微裂纹及裂缝中，然后与未水化水泥或空气中的二氧化碳反应，生成水化硅酸钙、碳酸钙等产物，填充孔隙和修复裂缝.本文研究了络合剂功能外加剂对水泥基材料的凝结时间、微观结构和力学性能的影响，并采用大板开裂试验，直观评价了其对混凝土宏观裂缝的自修复效果.

1 试 验

1.1 原料

水泥：P.O42.5；砂：中砂，含泥量和水量均小于1%；络合型功能外加剂(DS)：本实验室自制；拌和用水：自来水.

1.2 样品制备

按照表1的砂浆配比进行原料准备.按照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》的规定，将水泥、砂、络合型功能外加剂和水加入砂浆搅拌机中进行拌和，然后倒入40 mm×40 mm×160 mm三联模内，振实成型放置24 h后脱模，放入标准养护室进行养护.

1.3 裂缝预制及自修复试验

表1 砂浆试验配合比 g

参照文献[11]的大板开裂实验方法进行裂缝预制.采用200 mm×200 mm×20 mm的木模，模底板为4 cm厚的XPS保温板.在模底板上插入三个间距为50 mm的铁片裂缝诱导器，与木模周边距离为20 mm，铁片高度不超过模框高度，距木模中心的上方0.8 m处安置一个100 W的白炽灯.将按表1配合比分别制备的砂浆，沿着木模的边缘螺旋式向中心进行浇筑，直至砂浆料充满整个木模；刮平试件表面后打开白炽灯，并开启电风扇向试件表面连续吹风(风速约为5 m/s)，直至试件表面产生一定宽度的裂缝，用PTS-E40综合测试仪测量初始裂缝.然后，将已产生裂缝的试件放入养护室养护28 d，测量养护后的裂缝宽度.

1.4 性能测试与结构表征

1.4.1凝结时间测试

按水灰比为0.35制备水泥净浆，分别掺加水泥量0.0%，0.3%，0.5%，1.0%的络合型功能外加剂，按GB/T1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测试水泥净浆的初凝和终凝时间.

1.4.2力学性能测试

按照文献[11]测试养护至不同龄期后的砂浆试件抗折抗压强度.

1.4.3总孔隙率测试

参照“可蒸发水含量法”[12]测试砂浆的总空隙率.首先将养护龄期为28 d的砂浆试件浸水至恒重，再将完全饱水的试件在105 ℃烘干(12～14 h)至恒重，前后的质量差为失水量.总空隙率计算式为

式中：ρ为总空隙率，%；m0为试件饱水后的质量，g；mn为试件干燥后的质量，g；ρw为水的密度，取1 g/cm3；V为试件的体积，cm3.

1.4.4微观结构表征

采用某公司发射扫描电子显微镜(SEM)对砂浆试样进行微观结构表征.将养护28 d的砂浆试样用乙醇浸泡，然后将已终止水化的砂浆试样在105 ℃烘箱中烘干，经喷Pt处理后采用SEM观察其微观形貌.

2 结果分析与讨论

2.1 络合型功能外加剂对水泥净浆凝结时间的影响

图1为络合型功能外加剂的掺量对水泥净浆的初凝和终凝时间的影响曲线.由图1可知，掺加络合型功能外加剂后，水泥净浆的凝结时间延长.如掺加0.3%络合型功能外加剂的水泥净浆的初凝和终凝时间分别延长了121和37 min，掺量为1.0%时，初凝和终凝时间分别延长了252和233 min，由此可知，络合型功能外加剂掺量较小时，对初凝时间影响较大，对终凝时间影响较小，而掺量较大时，对初终凝时间均有较大影响.凝结时间的延长表明络合型功能外加剂对水泥初期水化进程有一定的抑制作用，因此使用络合型功能外加剂时，应注意调节水泥基材料的凝结时间.

图1 络合型功能外加剂掺量对水泥净浆凝结时间的影响

2.2 络合型功能外加剂对砂浆力学性能的影响

不同掺量络合型功能外加剂对不同养护龄期的水泥砂浆试件抗折抗压强度的影响规律见图2.由图2可知，掺加络合型功能外加剂后，不同龄期的砂浆抗折抗压强度均有明显的提高.如相比于普通砂浆A，掺加络合型功能外加剂的砂浆B，C和D的28 d抗折强度分别提高了11.3%，15.5%和7.0%，抗压强度分别提高19.5%，26.8%和13.4%，其中络合型功能外加剂掺量为0.5%的砂浆C的抗折抗压强度增加幅度最大.因此，络合型功能外加剂的适宜掺量为水泥量的0.5%.

图2 络合型功能外加剂对砂浆抗折抗压强度的影响

2.3 络合型功能外加剂对砂浆总孔隙率的影响

水泥基材料的孔隙包括细毛细孔、气孔与粗毛细孔，总孔隙率能直观地反映材料内部的密实情况.图3为掺加不同量的络合型功能络合剂的砂浆试件的总孔隙率测试结果.由图3可知，A砂浆的总孔隙率为17.1%，B，C和D砂浆的总孔隙率分别为15.3%，14.0%和15.5%.与A砂浆相比，B，C和D砂浆的总孔隙率分别减少了10.5%，18.1%和9.4%.这表明络合型功能外加剂明显减少了砂浆的内部孔隙，对砂浆的微结构有明显的改善作用，从而有利于提高水泥基材料的力学性能.络合型功能外加剂掺量对总孔隙率的影响规律与其对抗折抗压强度的影响规律相一致.

图3 络合型功能外加剂对砂浆总孔隙率的影响

2.4 络合型功能外加剂对砂浆微观结构的影响

图4为不同络合型功能外加剂掺量的砂浆在养护28 d后的SEM图.由图4可知，砂浆A内部孔隙和微裂缝较多，密实度较差，而掺加络合型功能外加剂的砂浆B，C和D的孔隙和微裂缝中有大量针状或纤维状结晶生成，起到了填充孔隙和堵塞裂缝的作用.这一现象很好地解释了掺加络合型功能外加剂后，砂浆的总孔隙率明显降低.

图4 掺加络合型功能外加剂的砂浆的SEM图

2.5 络合型功能外加剂对砂浆宏观裂缝的自修复效果

图5～6分别反映了砂浆A和砂浆C的初始裂缝在养护28 d后的变化情况.由图5可知，在砂浆A表面形成的两条宽度分别为0.15和0.25 mm的初始裂缝，养护28 d后，裂缝宽度分别为0.13和0.23 mm，变化很小，而掺加络合型功能外加剂的砂浆C表面形成的两条宽度分别为0.18和0.27 mm的初始裂缝，在养护28 d后，裂缝已完全愈合，表现出很好的裂缝自修复作用.

图5 砂浆A的初始裂缝和养护后的变化情况

图6 砂浆C的初始裂缝和养护后的变化情况

3 结 论

1) 络合型功能外加剂对水泥水化有一定的抑制效果，会延长水泥基材料的凝结时间，但在掺量少时，影响程度较小.

2) 络合型功能外加剂可明显降低水泥基材料的孔隙率，有利于提高水泥基材料的力学性能.与普通砂浆相比，掺加水泥量0.5%络合型功能外加剂的砂浆总孔隙率降低了18.1%，28 d的抗折、抗压强度分别提高了15.5%和26.8%.

3) SEM观察表明在掺加络合型功能外加剂的砂浆裂缝中生成了大量的针状或纤维状结晶，砂浆的微观结构得到了很好的改善.

4) 络合型功能外加剂可赋予水泥基材料优良的裂缝自修复能力.大板开裂试验表明，掺加0.5%络合型功能外加剂的砂浆可对宽度达0.27 mm的裂缝实现自修复.

[1] 内维尔,刘数华.混凝土性能[M].北京：中国建筑工业出版社,2011.

[2] 陈银洲.混凝土外加剂研究概况与进展[J].武汉理工大学学报,2000,22(1):31-33.

[3] 周云.减水剂对混凝土性能影响的试验研究[J].混凝土,2011(11):86-88.

[4] 薛庆.引气剂与混凝土高性能化[J].混凝土,2005(4):22-25.

[5] 杨英姿,王政,巴恒静.工作性对负温防冻剂混凝土性能的影响[J].武汉理工大学学报,2009(1):30-33.

[6] 谢莎莎,陈霞,杨华全.膨胀剂对混凝土性能影响试验研究[J].混凝土,2011(1):101-102.

[7] 周述光,刘红叶,王振军.改性有机硅防水剂对混凝土性能影响[J].新型建筑材料,2006(4):63-65.

[8] WANG G M, YU J Y. Self-healing action of permeable crystalline coating on pores and cracks in cement-based materials[J]. Journal of Wuhan University of Technology Materials Science,2005,20(1):89-92.

[9] SISOMPHON K, COPUROGLU O, KOENDERS E A B. Self-healing of surface cracks in mortars with expansive additive and crystalline additive[J]. Cement & Concrete Composites,2012,34(4):566-574.

[10] ROIG F M, PIRRITANO F, SERNA P, et al. Effect of crystalline admixtures on the self-healing capability of early-age concrete studied by means of permeability and crack closing tests[J]. Construction & Building Materials,2016,114:447-457.

[11] 王红喜,陶文涛,杜先照,等.在不同介质条件下渗透结晶型防水涂料对水泥基材料性能的影响[J].中国建筑防水,2013(1):4-7.

[12] 刘伟,邢锋,谢友均.水灰比矿物掺合料对混凝土孔隙率的影响[J].低温建筑技术,2006(1):9-11.