水溶性渗透结晶材料对混凝土性能的影响

钟聚光,耿必君,任 鑫,李 杨,周世华,石 妍

(1.湖南平江抽水蓄能有限公司,湖南 岳阳 414500; 2.长江科学院 材料与结构研究室, 武汉 430010)

0 引 言

裂缝是混凝土的常见病害之一,破坏结构的整体性和安全稳固,可导致渗漏、溶蚀等耐久性问题,引发微观结构劣变与宏观性能损伤,并加剧冻融破坏、碳化作用和离子侵蚀等进程。因此,混凝土裂缝的预防和修复是工程中普遍关注的重点。

混凝土全生命周期内都伴随有开裂风险,特别是水化早期和服役后期的开裂风险较高。表面防护技术可有效降低裂缝影响,快速提高混凝土抵御环境破坏的能力。但有机涂层材料存在耐候性不足、服役寿命有限等问题[1],并且不具备修复受损混凝土基体的能力。水泥基渗透结晶(Cement-based Infiltration Capillary/Crystalline Waterproof,CCCW)材料虽兼有防护与修复的双重效果[2],以及多次修复和同寿命服役的能力[3],但只能等待混凝土充分硬化后才能施工,无法在水化早期的塑性阶段发挥作用[4]。

水溶性渗透结晶(Water-based Infiltration Capillary/Crystalline Waterproof,WCCW)材料克服了CCCW材料的不足,可在混凝土初凝后即进行喷洒,早期发挥养护、保湿和减少塑性收缩的效果,后期发挥填塞小尺寸毛细孔和修复微细裂纹的作用。目前,关于WCCW材料影响的研究主要集中在混凝土表层硬度、孔结构特性、抗压强度、抗硫酸盐侵蚀性能等方面[5-8],在早期抗裂性能、渗透深度、作用机理等方面报道较少。

针对上述问题,本文采用平板法研究WCCW材料对混凝土早期抗裂性能影响,利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)观察胶凝材料水化产的微观形貌,借助傅里叶变换红外(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)分析水化硅酸钙(Calcium Silicate Hydrate,CSH)凝胶聚合程度,同时使用能谱分析技术(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)探讨WCCW材料的渗透深度,揭示WCCW材料的作用机理与反应过程。

1 试验设计

1.1 原材料

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3.08 g/cm3,比表面积为362 m2/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2.18 g/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

选用北京易晟元环保工程有限公司生产的WCCW材料进行试验,性能检测结果如表2所示。WCCW材料具有较好的耐热性能和混凝土相容性,可在160 ℃温度下保温2 h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。WCCW材料为液体,可直接在混凝土表面喷洒或滚涂使用。

表2 WCCW材料性能检测结果

使用花岗岩人工砂和碎石进行试验。人工砂粒径级配曲线如图1所示,细度模数为2.90,表观密度为2.68 g/cm3,石粉含量为7.3%,饱和面干吸水率为1.62%。碎石包括粒径5～20 mm的小石和20～40 mm的中石,表观密度为2.73 g/cm3,饱和面干吸水率为0.57%。小石和中石质量比为55%∶45%。

图1 人工砂粒径级配曲线

为改善混凝土拌合物和易性能,使用缓凝型PCA-1聚羧酸高性能减水剂进行试验,同时添加GYQ-1引气剂调整混凝土的孔结构特性。引气剂使用前需加水稀释,稀释倍数为100。

1.2 混凝土配合比及试样制备

使用强度等级分别为C20、C30和C40的二级配泵送混凝土进行试验,控制粉煤灰掺量均为20%,砂率为42%,减水剂掺量为0.8%,引气剂掺量为0.006%;调整混凝土坍落度为160～180 mm,含气量为3%～5%。3种混凝土原材料用量如表3所示,其中C20、C30、C40混凝土的水胶比分别为0.48、0.39、0.34。实测C20、C30、C40混凝土28 d抗压强度分别为26.5、39.3、51.2 MPa。

表3 混凝土原材料的用量

混凝土搅拌时先将粉料和骨料干拌2 min,然后倒入水和外加剂继续湿拌2 min,结束后将拌合物倒入边长为150 mm的立方体试模;保湿静置24 h后拆模并标养至28 d龄期;然后取部分试件进行钻芯或WCCW材料浸泡试验,其余试件作为对比试件继续进行标准养护。

为研究WCCW材料对混凝土抗压强度影响,将立方体试件直接在WCCW材料中浸泡24 h,结束后取出并再次标养7、14、28 d后进行抗压强度试验,相应对比组的实际养护龄期为35、40、56 d。

为研究WCCW材料对混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响,先对立方体试件进行钻芯,然后将芯样加工成Φ100 mm×50 mm的圆柱体,最后将圆柱体试件在WCCW材料中浸泡24 h,结束后取出并再次标养28 d后进行抗氯离子侵蚀性能试验,相应对比组在56 d时进行钻芯和试验。

采用平板开裂试验研究WCCW材料对混凝土早期抗裂性能的影响。人工用药壶分两次喷洒WCCW材料,两次的喷洒间隔为30 min,质量比例为60%∶40%左右。WCCW材料用量如表4所示。

表4 平板开裂试验中WCCW材料用量

1.3 试验方法

混凝土平板开裂试验的试模尺寸为600 mm(长)×600 mm(宽)×63 mm(高),周边布有L形钢筋网提供约束,内部底面铺双层聚乙烯薄膜作为隔离层。试验采用湿筛法剔除拌合物中粒径>20 mm的骨料,并控制环境温度为(20±2) ℃,相对湿度为60%±5%。试验步骤和参数计算方法见《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES 01—2004)。

采用氯离子扩散系数试验研究混凝土的抗氯离子侵蚀性能。试验控制直流电源的输出电压为30 V,环境温度为(20±2) ℃,KOH溶液浓度为0.2 mol/L,NaCl溶液浓度为5%。试验步骤和参数计算方法见《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2020)。

使用日本电子公司生产的JEOL JSM-6610LA型扫描电子显微镜(SEM)观察胶凝材料水化产物的微观形貌,并借助能谱分析技术(EDS)对样品的元素分布情况进行研究。样品采用无水乙醇终止水化,并在真空干燥箱中持续干燥7 d,控制干燥温度为40 ℃。试验前对样品采用喷金处理,并设定加速电压为15 kV。

借助美国热电公司Nicolet 5700型傅里叶变换红外光谱仪对胶凝材料水化产物的聚合情况进行分析,测试范围为波数为4 000～400 cm-1的中红外区域,反射附件为Ge晶体-ATR和金刚石-ATR。

2 结果与讨论

2.1 早期抗裂性能

平板开裂试验的试件照片如图2所示。试验采用强度等级为C20的混凝土进行。从图2可以看出,WCCW材料能减轻混凝土“泛碱”现象,改善混凝土的表观质量,这主要与WCCW材料具有养护和保水的作用有关。

图2 平板开裂试验的试件

平板开裂试验中裂缝的相关参数如表5所示。试验从混凝土水化2 h开始观测,一直持续到48 h,期间人工通过肉眼观察裂缝数量,并借助直尺和裂缝观测仪测定裂缝的长度和宽度。

表5 平板开裂试验中裂缝的相关参数

从表5可知,WCCW材料能有效减少裂缝的数量、平均长度和平均宽度,导致相关的裂缝参数降低,如对比组的平均裂缝面积为25.1 mm2/根,总开裂面积为417.8 mm2/m2;而试验组2的平均开裂面积为6.7 mm2/根,总开裂面积为37.3 mm2/m2,试验组较对比组的裂缝降低率为91.1%,说明WCCW材料能够有效提高混凝土的早期抗裂性能,减少早期裂缝的发生风险。

混凝土水化早期开裂主要与塑性收缩有关,水分蒸发、颗粒沉降和胶凝材料水化等都是诱发塑性收缩的重要因素。WCCW材料能够侵入到混凝土内部,封闭表层小尺寸毛细孔,降低水分蒸发速率并减少水分蒸发量,同时也有一定的裂缝修复能力,从而提高混凝土的早期抗裂性能。

2.2 抗压强度

WCCW材料对混凝土抗压强度的影响如图3所示,各试验组在WCCW材料中浸泡后的再养护时间均为28 d。从图3可知,各试验组的抗压强度均高于对比组,并且低强度等级试验组的相差幅度超过高强度等级试验组,如C20等级混凝土试验组的抗压强度为39.1 MPa,对比组为31.0 MPa,相差幅度为8.1 MPa;而C40等级混凝土试验组的抗压强度为56.3 MPa,对比组为54.3 MPa,相差幅度为2.0 MPa。这说明WCCW材料对混凝土的抗压强度有提升作用,但作用效果与混凝土的强度等级有关。姜骞等[6]也得出了相一致的结论。

图3 WCCW材料对混凝土抗压强度的影响

图4是WCCW材料对混凝土抗压强度发展特性的影响,对比组的强度等级为C20。

图4 WCCW材料对抗压强度发展特性的影响

从图4可知,试验组和对比组的抗压强度均随再养护龄期的延长而增长,两者间仍呈较好的对数函数关系。同时,试验组抗压强度在养护早期增加速度较快,增长幅度较大,而后期逐渐趋于稳定,导致试验组和对比组的抗压强度差在养护后期波动较小。如再养护3 d时,试验组的抗压强度为31.6 MPa,对比组为28.3 MPa;14 d龄期时,试验组为38.5 MPa,对比组为30.6 MPa。这说明WCCW材料对混凝土抗压强度的提升幅度与再养护龄期有关。

WCCW材料对混凝土抗压强度的影响规律与前期采用吸水动力学方法的研究结论相一致,材料主要由碱金属硅酸盐溶液、催化剂和助剂等材料组成[9],可随外部水分的渗透而侵入到混凝土内部,并通过化学反应、络合沉淀等方式增加混凝土的固相体积,从而提高整体的抗压强度。但渗透作用、化学反应等过程的进行程度与时间有关。因此,WCCW材料作用效果又存在时间依赖性。

2.3 抗氯离子侵蚀性能

WCCW材料对氯离子扩散系数的影响如图5所示,各试验组在WCCW材料中浸泡后的再养护时间均为28 d。从图5可知,随混凝土抗压强度等级的提高,对比组的氯离子扩散系数不断降低。同时,各试验组的氯离子扩散系数均小于对比组,并且强度等级越低,两者的差异越明显,如C20强度等级试验组的氯离子扩散系数较对比组降低了67.0%,C30强度等级降低了53.3%,C40强度等级降低了30.4%,说明WCCW材料对低强度等级混凝土抗氯离子侵蚀性能的提升效果优于高强度等级混凝土。

图5 WCCW材料对氯离子扩散系数的影响

氯离子扩散和传输与混凝土孔结构特性、微细裂缝密切相关,而胶凝材料水化产物对氯离子也存在吸附作用[10]。WCCW材料能够填塞小尺寸毛细孔、细化孔结构、修复微细裂纹,并增加混凝土中固相的含量,从而提高氯离子的扩散能垒,改善混凝土的抗氯离子侵蚀性能。但WCCW材料的作用效果与基体吸收量、渗透深度、养护时间、混凝土强度等因素有关。

本文前期围绕混凝土对WCCW材料吸收特性的研究表明,高强度等级混凝土的吸收量小于低强度等级混凝土,这与高强度等级混凝土的密实程度较高、内部缺陷较少有关,导致WCCW材料在高强度等级混凝土中的渗透阻力也大于低强度等级混凝土。因此,WCCW材料对低强度等级混凝土抗压强度、抗氯离子侵蚀性能的提升效果优于高强度等级混凝土。

2.4 微观形貌与渗透深度

WCCW材料对硬化水泥石微观形貌的影响如图6所示,试验采用水灰比为0.4的纯水泥净浆试件进行,按照与混凝土相同的养护条件和龄期、WCCW材料浸泡制度进行试验。从图6可知,对比组内部存在微裂缝和孔洞,水化产物堆聚的致密程度较低;而试验组密实程度较高,内部整体性较高,说明WCCW材料对硬化水泥石的微观结构有较好的改善作用。

图6 WCCW材料硬化水泥石微观形貌的影响

图7是Si元素含量分布随深度的变化情况。纯水泥中Si元素的含量为10.64%,而WCCW材料含有大量的碱金属硅酸盐,其渗透将导致样品中Si元素含量发生变化,利用Si元素含量的变化情况可近似表征WCCW材料的渗透深度。从图7可知,Si元素含量分布服从Fick定律,即距离表面越近,样品中Si元素的含量越高,而随着与表面距离的增加,样品中Si元素的含量持续降低,最后稳定在10.5%左右,说明此区域暂未有WCCW材料渗入。试验测定的WCCW材料渗透深度在10～12 mm范围内,高于姜骞等[6]的试验结果。

图7 Si元素含量分布随深度的变化情况

图8是硬化水泥石在WCCW材料中浸泡并再养护28 d后,距表面不同深度处水化产物的FTIR图谱。各信号峰的归属情况如表6所示,其中信号峰h与CSH凝胶的聚合程度有关,试验测定的波数为958～977 cm-1。同时,随距表面深度的增加,信号峰h的波数减小,表明相应CSH凝胶的聚合程度降低,说明WCCW材料有利于提高CSH凝胶的聚合程度。这主要与WCCW材料含有碱金属离子和硅酸盐有关。碱金属离子能够促进CSH凝胶的聚合,而硅酸盐导致体系的Ca/Si降低,CSH凝胶的平均链长增加。

图8 距表面不同深度处硬化水泥石的FTIR图谱

表6 FTIR图谱上信号峰的归属情况

渗透深度影响WCCW材料的作用范围,而浓度和含量影响WCCW材料的修复能力。WCCW材料对硬化水泥石的修复作用可能与结晶沉淀作用、络合沉淀作用有关。前者认为WCCW材料通过自身水化反应以及WCCW材料与胶凝材料水化产物反应来发挥作用,典型的反应过程如式(1)—式(3)所示[11]。后者认为WCCW材料主要通过激活未水化水泥颗粒进一步发生反应来发挥作用[12],其中Ca2+络合物的形成和解体极为关键。

Na2CO3+Ca(OH)2→CaCO3+2NaOH;

(1)

Na2SiO3+Ca(OH)2→CSH+NaOH ;

(2)

NaAlO2+2H2O→Al(OH)3+NaOH 。

(3)

3 结 论

WCCW材料较CCCW材料在施工效率、作业面条件、人员技术要求等方面具有优势。本文研究了WCCW材料对混凝土宏观性能和微观结构的影响,得出以下结论:

(1)WCCW材料能够提高混凝土的早期抗裂性能,并具有养护减蒸的作用,可改善表观质量、降低裂缝尺寸,喷洒后的裂缝降低率可达91.1%。

(2)WCCW材料可提高混凝土的抗压强度和抗氯离子侵蚀性能,提高幅度与混凝土强度等级和再养护龄期有关,再养护14 d后的幅度变化较小。

(3)WCCW材料能够提高硬化水泥石的致密程度,渗透特点遵循Fick定律,最大渗透深度可以达10～12 mm。

混凝土耐久性破坏是损伤不断累积的结果,而长期服役老混凝土的耐久性问题更为突出,特别是溶蚀和碳化等现象会影响胶凝材料水化产物的稳定。WCCW材料对老混凝土的作用效果需要进一步研究。