基于吸水动力学方法的水溶性渗透结晶材料吸收饱和度及养护时间优化研究

李 杨,曹 亚,钟聚光,周世华,齐立亮

(1.长江水利委员会长江科学院材料与结构研究所,湖北 武汉 430010; 2.湖南平江抽水蓄能有限公司,湖南 岳阳 414500;3.北京易晟元环保工程有限公司,北京 100010)

混凝土表面开裂和孔结构劣化是构筑物出现耐久性损伤的重要诱因[1],而表层混凝土也是结构抵御外部水分渗透和离子侵蚀的首道屏障。渗透结晶材料能够修复混凝土表层的微细裂纹,填塞小尺寸毛细孔,提高基体密实程度,并增强裂后自愈合能力[2],从而提升整体的防护水平和健康状况。

常用的渗透结晶材料包括有机硅烷类材料[3]和无机金属盐类材料[4],而无机金属盐类材料又可分为水泥基类渗透结晶(cement-based infiltration capillary/crystalline waterproof,CCCW)材料[5]和水溶性渗透结晶(water-soluble infiltration capillary/crystalline waterproof,WCCW)材料[6]。CCCW材料和WCCW材料在物理性能、施工方法和辅料类型等方面存在差异[7-8],但活性组分、修复机理和反应过程等基本相似[9],其中活性物质渗透和结晶是保障两者作用效果的关键[6,10]。同时,WCCW材料可在混凝土凝结硬化阶段进行喷涂,发挥保水、防裂、抑制泛碱和早期养护的效果。但大量实践表明,WCCW材料作用效果与混凝土的吸收特性有关,而混凝土对WCCW材料的吸收特性也是制定实际施工工艺、确定具体技术参数的重要依据。

WCCW材料的施工工艺主要包括材料用量、喷涂遍数、养护时长等。目前关于WCCW材料影响的研究主要集中在混凝土表层硬度、抗压强度、耐磨性能、抗渗透性能和抗离子侵蚀能力等方面[11-13]。前期研究[14]表明,WCCW材料作用效果与混凝土强度等级有关,C20混凝土的性能提升幅度超过C40混凝土。本文采用水利工程中常用的C25混凝土进行试验,根据吸水动力学方法[15],在分析混凝土对WCCW材料吸收特性的基础上,研究WCCW材料吸收饱和度、养护时间对防渗效果的影响,以期为水工混凝土领域应用提供参考。

1 试验设计

1.1 试验材料

使用福建安砂水泥有限公司生产的P·O42.5水泥进行试验,密度为3.08g/cm3,比表面积为362m2/kg。掺合料为漳州后石电厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰,需水量比为101%,密度为2.18g/cm3,细度为21.2%。水泥和粉煤灰主要氧化物含量的检测结果如表1所示。

表1 水泥和粉煤灰的主要氧化物含量

试验选用的WCCW材料为透明碱性液体,密度为1.21g/cm3,pH值为11.8,固含量(质量分数)为13%。WCCW材料具有较好的耐热性和混凝土相容性,可在160℃温度下保温2h不出现表面粉化或裂纹,并在混凝土喷洒后不呈滚珠状掉落。现场WCCW材料使用时可直接喷洒在混凝土表面。

选用人工砂和二级配碎石作为骨料。人工砂的细度模数为2.90,表观密度为2.68g/cm3,石粉含量为7.3%,饱和面干吸水率为1.62%。碎石由粒径5～20mm的小石和20～40mm的中石组成,表观密度为2.73g/cm3,饱和面干吸水率为0.57%。

为改善混凝土拌和物和易性,使用缓凝型PCA-Ⅰ聚羧酸高性能减水剂进行试验,同时添加GYQ-Ⅰ引气剂调整混凝土孔结构特性。引气剂使用前需加水稀释,稀释倍数为100。

1.2 配合比

选择水利工程中较为常见和用量较大的C25泵送混凝土进行试验。骨料为二级配,控制中石、小石组合的质量比为45%︰55%,粉煤灰掺量为20%,砂率为42%,坍落度为160～180mm,减水剂掺量为0.8%,引气剂掺量为0.006%,用水量为150kg/m3。实测混凝土28d抗压强度为32.7MPa。

混凝土原材料使用卧轴强制式搅拌机拌和,外加剂预溶于水并搅拌均匀。先将粉料和骨料干拌2min,然后倒入水和外加剂继续湿拌2min。整个拌和过程持续4min,结束后将拌和物倒出并装入边长为150mm的立方体试模,保湿静置24h后拆模移入养护室,在标准环境下养护至28d龄期进行试验。

1.3 评价指标

以吸水率和吸水动力学参数作为评价指标,采用吸水动力学方法研究混凝土对WCCW材料的吸收特性,分析吸收饱和度和养护时间对WCCW材料作用效果的影响,其中吸收饱和度是指混凝土对WCCW材料瞬时吸收量与结束时最终吸收量的比值,反映了混凝土吸收WCCW材料的饱和程度;养护时间是指混凝土吸收WCCW材料后的再养护时长,相应的养护环境为标准条件。

1.3.1吸水率和WCCW材料吸收率

混凝土吸水率或WCCW材料吸收率的计算公式如式(1)所示。试验前先将28d龄期的混凝土试件置于105℃电热鼓风干燥箱中持续干燥不少于24h,待质量稳定后取出并浸泡于水或WCCW材料中,经不同浸泡时间后取出,用湿毛巾擦干试件表面并称量质量,然后利用初始干燥质量和浸泡后的质量计算混凝土吸水率或WCCW材料吸收率。

(1)

式中:ωt为试件浸泡t时刻的吸水率或WCCW材料吸收率;m0为初始的干燥试件质量;mt为浸泡t时刻的试件质量。

1.3.2WCCW材料吸收饱和度

混凝土对WCCW材料吸收饱和度的计算公式如式(2)所示。试验中控制混凝土对WCCW材料的吸收饱和度分别为100%、80%、60%、40%和20%。试件在WCCW材料浸泡后取出并擦干表面,接着再次在标准环境下养护28d后进行吸水动力学试验,考察混凝土吸水率和吸水动力学参数的变化情况,相应的试件分别用“XS100”“XS80”等形式表示,数字表示混凝土对WCCW材料的吸收饱和度。未吸收WCCW材料的空白试验组用“XC00”表示。

(2)

式中:Pt为t时刻混凝土吸水或吸收WCCW材料的饱和程度;ωmax为混凝土饱和吸水率或WCCW材料饱和吸收率,即混凝土吸水或吸收WCCW材料达到饱和状态时的吸收率。

为研究浸泡后再养护时间的影响,基于前步优化的WCCW材料吸收饱和度结果制备试件,并分别将试件标养3、7、14、28d后进行吸水动力学试验,相应的试件分别用“YH3”“YH7”等形式表示,数字表示再养护时间。

1.4 混凝土吸水动力学

混凝土渗透性能和液体吸收特性与自身孔结构有关。勃罗赛尔根据典型混凝土的吸水率曲线特点,提出了如式(3)的吸水动力学模型[15]。

ωt=ωmax(1-e-λtα)

(3)

式中α、λ为与混凝土孔结构特性相关的动力学参数。WCCW材料为液体状态,通过渗透作用侵入到混凝土内部。因此,混凝土对WCCW材料的吸收特性可借助吸水动力学方法研究。

吸水动力学模型参数α与孔径尺寸分布均匀程度有关,参数λ与孔径尺寸大小有关[16]。陈健中[15]指出λ还受到液体动力学黏度、表面张力和毛细孔中弯液面半径等因素影响,并推导了α和λ的求解方法。本文利用文献[15]的方法计算吸水动力学参数。

2 结果与分析

2.1 混凝土对WCCW材料的吸收特性

混凝土对WCCW材料的吸收特性曲线如图1所示。从图1可知,混凝土对WCCW材料的吸收遵循式(3)规律,拟合曲线的相关系数可达0.92以上。混凝土对WCCW材料的吸收过程可分为快速期、减速期和稳定期3个阶段,浸泡早期吸水率的增加速度较快,然后逐渐降低、趋于平缓并最终保持不变。这符合混凝土对液体吸收的普遍特点[17],也说明WCCW材料渗透与混凝土的孔结构特性密切相关。

图1 混凝土对WCCW材料的吸收特性曲线

整体上,混凝土对WCCW材料吸收主要集中在浸泡开始的2h内,而浸泡8h后已基本完成。如浸泡2h时,混凝土对WCCW材料的吸收饱和度为78%,浸泡8h时为94%。因此,根据浸泡0.25h和1h的瞬时吸收率,以及24h的饱和吸收率,可计算出混凝土吸收WCCW材料的动力学参数。同时,根据吸收率曲线,可分别在浸泡时间为5min、15min、35min、2.5h和24h时制备出吸收饱和度约为20%、40%、60%、80%和100%的试件供后续试验。

实测的混凝土浸泡5min、15min、35min、2.5h和24h的WCCW材料吸收率分别为1.11%、1.67%、2.21%、3.07%和3.78%,相应的吸收饱和度分别为29.3%、44.1%、58.4%、81.2%和100%。各试件对WCCW材料吸收饱和度的实测值与目标值存在差异,并且浸泡早期的差异较大,这主要与早期吸收率的增加速度较快、变化幅度较大有关。

2.2 WCCW材料浸泡时间和吸收饱和度对混凝土吸水特性的影响

WCCW材料浸泡时间对混凝土吸水率的影响如图2所示。通过控制混凝土在WCCW材料中的浸泡时间来制备不同WCCW材料吸收饱和度的试件,然后将试件标养28d后再进行吸水性能试验。WCCW材料吸收饱和度是实际吸收率与饱和吸收率的比值,确定较为合适的WCCW材料吸收饱和度有利于节省材料用量,并提高施工过程的经济性。

图2 WCCW材料浸泡时间对混凝土吸水率的影响

从图2可知,随WCCW材料吸收饱和度的增大,混凝土浸泡24h时后最终的饱和吸水率降低,吸水率曲线在初始阶段更加陡峭,说明早期吸水量在整个吸水过程占比增大,表明试件的吸水过程更容易完成。如XC00试件的饱和吸水率为4.21%,XS100试件为1.26%,混凝土饱和吸水率明显降低,说明WCCW材料能够有效提升混凝土的抗渗性能。

图3为WCCW材料吸收饱和度对不同浸泡时间混凝土吸水率的影响。整体上,相同浸泡时间的混凝土吸水率随WCCW材料吸收饱和度的增加而降低,两者为幂函数关系。随WCCW材料吸收饱和度的增加,混凝土吸水率早期下降幅度较快,后期趋于平缓,特别是WCCW材料吸收饱和度超过60%后,混凝土吸水率的降幅较小。如WCCW材料吸收饱和度从0增加到60%时,浸水24h后的混凝土的饱和吸水率从4.21%降低至1.52%,降低幅度为63%;而WCCW材料吸收饱和度从60%增加到80%时,浸水24h后的混凝土饱和吸水率仅从1.52%减小至1.32%,降低幅度仅为13%,这说明WCCW材料存在较优的用量范围,该范围内使用的效果较好,超过后经济性降低。

图3 WCCW材料吸收饱和度对混凝土吸水率的影响

图4为WCCW材料吸收饱和度对混凝土吸水动力学参数的影响。随着WCCW材料吸收饱和度的增加,混凝土吸水动力学参数α减小,而参数λ增加。WCCW材料吸收饱和度变化早期,α的下降幅度和λ的增加幅度都较大,而两者后期变化幅度都减小。如WCCW材料吸收饱和度从0提高到60%时,α从0.73减小至0.38,降低幅度为48%,λ从0.47增大至0.75,增加幅度为60%;而WCCW材料吸收饱和度进一步提高到100%时,α减小至0.29,降低幅度仅为24%,λ增大至0.82,增加幅度仅为9%。这说明WCCW材料对混凝土吸水动力学参数的影响存在效应递减的特点。

图4 WCCW材料吸收饱和度对混凝土吸水动力学参数的影响

吸水动力学参数与混凝土孔结构特性有关。α值越大,表明孔径分布的不均匀程度越高;λ值越大,说明平均孔径的尺寸越大[15]。试验结果表明,提高WCCW材料吸收饱和度,有利于改善混凝土孔径分布的均匀性,并减少小尺寸孔隙的含量,这主要与WCCW材料活性物质功能的发挥有关。

WCCW材料主要通过结晶-沉淀反应、络合-沉淀反应的方式发挥作用[18],其活性物质可激活、催化未水化的水泥颗粒,并与胶凝材料水化产物发生反应[5],从而填塞小尺寸毛细孔、修复微细裂纹,达到混凝土表层封闭、损伤愈合及密实度提高的效果。但WCCW材料对大尺寸孔和宽度超过0.4mm的裂缝作用能力有限[19]。因此,混凝土吸收WCCW材料后,总孔隙含量中小尺寸孔占比的降低幅度较大,而大孔尺寸占比的降低程度较小,总的孔隙率减少,导致平均孔径向大尺寸孔方向偏移,从而出现α减小但λ增大的局面。同时,混凝土吸水也表现出饱和吸水率降低、吸水容易达到饱和的特点。

结合上述试验结果,考虑经济和成本因素,将优化的WCCW材料吸收饱和度定为60%比较合适。

2.3 WCCW材料养护时间对混凝土吸水特性的影响

WCCW材料作用效果与环境温度和湿度、活性物质含量和反应速率、喷涂后养护时间等因素有关。图5为养护时间对混凝土吸水率的影响。各试验组WCCW材料吸收饱和度均为60%。混凝土吸收WCCW材料后的再次养护时间分别为3、7、14、28d,吸水率根据试件浸水后0.25、1、24h的质量变化情况计算。从图5可知,混凝土吸水率与养护时间之间为幂函数关系,吸水率随养护时间的延长而降低,特别是浸水24h时饱和吸水率的下降效果最为明显,但养护早期和后期的下降幅度均较小,养护3～7d的降幅较大。这说明WCCW材料存在一个较合理的养护时间范围,养护时间不足难以保证效果,而养护时间过长又不利于经济性。

图5 养护时间对混凝土吸水率的影响

图6为养护时间对混凝土吸水动力学参数的影响。整体上,吸水动力学参数与养护时间之间为幂函数关系,这与吸水率的变化规律一致。但α随养护时间的延长而减小,λ随养护时间的延长而增大。如养护3d时,YH3试验组的α为0.66,λ为0.56;而养护7d时,YH7试验组α为0.49,λ为0.68,表明随养护时间的延长,混凝土孔径分布的均匀程度提高,但平均孔径增大。养护时间从3d增加至7d时,α降低了26%,λ增大了21%,说明WCCW材料活性物质在养护3～7d时反应比较强烈。

图6 养护时间对混凝土吸水动力学参数的影响

WCCW材料能够提高混凝土的自愈合能力,其作用发挥与活性物质的化学反应和产物生成有关。养护时间过短,活性物质未能充分反应,产物的生成量不足,导致混凝土性能的改善效果有限;而养护时间过长,活性物质的反应程度较高,新增产物的数量较少,导致混凝土性能进一步提升的空间减小。综合上述试验结果,考虑施工周期和进度,将优化的养护时间定为7d较为合适。

3 结 论

a.混凝土对WCCW材料的吸收特性遵循吸水动力学规律,早期吸收较快,中期逐渐变缓并在后期趋于稳定。WCCW材料吸收主要集中在浸泡开始的2h内,8h的吸收饱和度可达94%。C25混凝土在WCCW材料中浸泡8h即可获得较好的吸收效果。

b.随WCCW材料吸收饱和度的增加,混凝土吸水率降低,吸水动力学参数α减小,而参数λ增大。WCCW材料吸收饱和度与混凝土吸水率之间存在幂函数关系,并且吸水率的变化幅度随吸收饱和度的增加而减小。经济性较好的WCCW材料吸收饱和度是60%。

c.混凝土吸收WCCW材料后需要合理的养护时间,养护时间过短难以保证质量效果,而长期养护的经济性降低。综合效果较好的养护时间是7d。