早龄损伤水工混凝土自然自愈合效果试验研究

李泽鹏，黄耀英，余正源，张 耀

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

在水工混凝土结构施工的过程中，受现场施工条件、施工工艺、施工管理等因素的综合影响下，水工混凝土常在早龄就出现损伤开裂[1-2]。在复杂的外部环境中，裂缝会进一步发展，严重威胁着混凝土结构的安全[3-4]。如果及时加强对早龄损伤开裂水工混凝土的养护，其后的自愈合效果对水工混凝土结构服役寿命的评价具有重要影响。

混凝土裂缝的修复方式通常可以分为人工修复和自愈合修复[5]，自愈合修复按其愈合机理又可分为内在愈合和外在愈合，其中内在愈合是指混凝土内部未水化胶凝材料的持续水化、Ca(OH)2的溶解和碳化以及硅酸盐晶体的浸出和沉积来修补裂缝的过程，也称为自然自愈合修复，因此损伤混凝土自然自愈合效果主要取决于原材料的组成成分、内部含水率、损伤龄以及裂缝宽度等[6-8]。国内外学者基于室内试验针对混凝土的自然自愈合效果开展了相关的研究工作，如Yuan等[9]通过超声波测试和光学显微观察，研究了不同水泥粒径分布、碳化和持续水化对水泥混凝土的自愈合性能的影响，研究结果表明，当含有更多粒径为30～60 μm的硅酸盐水泥时混凝土在28天时可以达到较好的自愈合能力，且混凝土的自愈合主要受早持续水化的控制，而碳化在自愈后起着重要作用；Reinhardt等[10]研究表明，裂缝的愈合速率随着养护温度的升高而加快；刘小燕等[11]基于抗压强度试验研究了水泥粒径和粉煤灰掺量对混凝土损伤自愈合性能的影响，指出未水化的水泥颗粒以及适量掺入粉煤灰对混凝土自愈合有较好的提升效果；Muhammad等[12]研究认为裂缝最大可愈合宽度为0.97 mm。

上述研究主要以富胶凝材料混凝土为研究对象，分别从愈合机理、温—湿度养护条件、表征方法和测试技术等方面对混凝土自愈合现象进行研究，但以抗压强度来表征3 d龄前损伤混凝土的自愈合效果报导的文献较少；此外，水工混凝土为贫胶凝材料，工程中常采用粉煤灰代替水泥用量，水泥用量通常为100～300 kg/m3，且粉煤灰掺量可占到水泥置换量的35，而迄今关于不同粉煤灰掺量对水工混凝土自愈合效果的影响鲜有报导。为此，本文设计并开展了基于不同预损伤龄和粉煤灰掺量下的预损伤抗压强度试验，并以损伤试件养护28 d龄后的不同受压面(A、B面)抗压强度增长率R1和恢复率R2为评价指标，同时结合损伤混凝土试件的微观孔结构测试结果，共同探究早龄损伤混凝土的自然自愈合效果。

2 水工混凝土自愈合试验方案设计

2.1 试验原材料及配合比试验使用P.O.42.5华新牌I型硅酸盐水泥；粗骨料使用粒径为5～40 mm的花岗岩破碎料；细骨料使用长江河口河砂，细度模数为2.03，含水率为3.27；粉煤灰选用宜昌地区生产的F类II级粉煤灰；减水剂采用青岛虹厦公司生产的HSC聚羧酸高性能减水剂；试验用水为实验室自来水。水泥和粉煤灰委托葛洲坝集团试验检测有限公司进行检测，化学成分和物理性能见表1。

试验所用配合比参考西南地区某典型高坝工程湿筛二级配混凝土配合比，基于试验室原材料设计了水胶比为0.50、粉煤灰掺量分别为0、15、35共计3组不同掺量水平的配合比，混凝土强度等级为C30，试验组分别编号为FA-0、FA-15、FA-35。配合比具体参数见表2。

表2 水工混凝土自愈合试验配合比

2.2 自愈合混凝土试件的制备试验依据第2.1节配合比，在3种粉煤灰掺量(0、15、35)下，参照《水工混凝土试验规程》[13](SL 352-2020)成型基于各设计预损伤龄(1 d、2 d、3 d)和空白对照组立方体混凝土试件，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。每种粉煤灰掺量下基于设计预损伤龄每组分别成型8个试件，空白对照组每组分别成型3个试件，试件成型24 h后脱模。

待各设计预损伤龄下的混凝土试件分别养护至设计预损伤龄1 d、2 d、3 d时进行抗压强度预损伤试验。为对比损伤混凝土试件内部裂缝垂直于和平行于试件受力方向的自愈合情况，将预损伤试件分为A、B两组，其中试件预损伤时的受压面记为A面、垂直于预损伤受压面的表面记为B面，放置于标准养护室养护至28 d龄后，挑选出6个试件用于测试不同受压面下的损伤试件自愈合后的二次抗压强度，其余2个试件则用于测定损伤试件养护至28 d龄后的微观孔结构参数；空白对照组试件直接养护至28 d龄，用于测定标准抗压强度。具体的试件成型数量见表3，A、B面示意图如图1所示。

图1 第二次抗压强度测试A、B受压面示意图Fig.1 Schematic diagram of the compressed surface of A and B for the second compressive strength test

2.3 损伤试件自愈合效果评价

2.3.1 强度性能 对比各粉煤灰掺量及设计预损伤龄下的损伤试件自愈合前后的强度特征来衡量自愈合效果。当试件分别养护至设计预损伤龄1 d、2 d、3 d时进行抗压强度预损伤试验。为保证试件的完整性，在试验过程中，当压力-位移曲线出现峰值拐点后立即停止加载，并将预损伤抗压强度记为F1。此时，试件承受的破坏荷载为极限荷载，内部裂缝处于完全贯通状态；损伤后的试件与对照组继续同时放置于标准养护室养护至28 d龄后，测试自愈合抗压强度F2及标准抗压强度F0。根据试验结果并结合式(1)和式(2)对损伤试件自愈合后的抗压强度增长率R1和恢复率R2进行计算：

(1)

(2)

式中：F1为试件在不同预损伤龄下的抗压强度平均值，MPa；F2为预损伤试件在养护至28 d龄时的二次抗压强度平均值，MPa；F0为对照组试件在养护至28 d龄时的抗压强度平均值，MPa。

2.3.2 微观性能 将养护至28 d龄后的A、B两组损伤混凝土试件进行破碎，然后采用铁凿分别凿取距受压面中心2～3 cm处大小约为1 cm左右片状砂浆试样和0.5 cm颗粒砂浆试样；将试样分别放置于丙酮溶液浸泡48 h后再放入50℃的烘箱进行干燥处理[14]，使试样终止水化反应；最后采用一次性塑料袋将待检测试样封装并标号后分别采用压汞法和氮气吸附法对试样进行微观孔结构测试，根据检测样品的孔结构参数和孔径分布作为自愈合效果的微观评价指标探究损伤混凝土的自愈合效果。压汞试验委托江苏尊荣环保材料有限公司进行，试验采用美国康塔公司生产PoreMaster GT/60型全自动压汞仪；氮气吸附法委托三峡大学分析测试中心进行检测，试验采用Quantachrome公司生产的Novatouch比表面及孔径分析仪。

3 试验结果及分析

3.1 水工混凝土自愈合的规律

3.1.1 预损伤龄对水工混凝土自愈合过程的影响 各设计预损伤龄及粉煤灰掺量下的水工混凝土预损伤抗压强度F1、养护28 d龄后的二次抗压强度F2以及空白对照组抗压强度F0测试结果见表4，损伤试件自愈合后的强度增长率R1和恢复率R2随预损伤龄的变化规律如图2所示。

图2 不同预损伤龄下各试验组强度增长率R1和强度恢复率R2Fig.2 Strength growth rate R1 and strength recovery rate R2 of each test groups under different pre-damaged ages

表4 水工混凝土抗压强度

由图2和表4可知：(1)各粉煤灰掺量下的水工混凝土试件预损伤抗压强度F1均随设计龄的增加而增大，表现为F1，3 d>F1，2 d>F1，1 d；损伤试件在标准养护至28 d龄后的二次抗压强度F2也随设计龄的增加而增大，且始终表现为F2，A>F2，B。其中，设计预损伤龄2 d和3 d下的A、B两组损伤试件二次抗压强度F2均较为接近，值在0.20 MPa～3.27 MPa范围内，设计预损伤龄1 d下的损伤试件二次抗压强度F2较小，较预损伤龄2 d下的损伤试件二次抗压强度F2低3.10 MPa～8.27 MPa，较预损伤龄3 d下的损伤试件二次抗压强度F2低3.60 MPa～10.10 MPa。

(2)各粉煤灰掺量下的损伤混凝土试件的抗压强度增长率R1均随着预损伤龄的增加而减小，具体表现为R1，1 d>R1，2 d>R1，3 d；损伤混凝土试件的抗压强度增长率R1随着粉煤灰掺量的不同而变化，0、15和35粉煤灰掺量下A组的R1分别为43.37～143.47、48.44～172.76和96.66～350.13，B组的R1分别为27.44～78.06、18.92～63.05和31.65～198.02；抗压强度恢复率R2均随着预损伤龄的增加而增大，其中，在3 d预损伤龄下A组损伤试件的R2均大于95，B组损伤试件的R2在60.72～86.84范围内。上述结果表明在及时加强养护的情况下，损伤混凝土试件能够得到较好的恢复，且裂缝平行于二次受压方向的损伤试件的自愈合情况较好。

由于早龄混凝土的水泥水化反应时间较短，水化产物较少，试件内部结构稳定性较，导致早龄混凝土试件预损伤强度值表现为F1，1 d2 d>3 d；当损伤后的混凝土试件在标准养护环境下继续加强养护，其内部裂缝内的未水化胶凝材料继续水化，水化产物的膨胀、CaCO3和硅酸盐晶体的析出和沉积等共同作用使得裂缝开始愈合，强度得以继续增长[8，15]，最终使各预损伤龄下的损伤混凝土试件在养护至28 d龄时的二次抗压强度F2较为接近，因此，损伤混凝土试件的强度增长率R1综合表现为R1，1 d>R1，2 d>R1，3 d。对于预损伤龄为1 d的损伤混凝土试件而言，由于水化产物和沉淀含量有限，且预损伤龄1 d的混凝土裂缝间隙较预损伤龄2 d和3 d的更大，自愈合效果相对更。因此，损伤混凝土强度恢复率R2综合表现为R2，3 d>R2，2 d>R2，1 d。

3.1.2 粉煤灰掺量对水工混凝土自愈合过程的影响 各设计预损伤龄及粉煤灰掺量下的水工混凝土预损伤抗压强度F1、养护28 d龄后的二次抗压强度F2以及空白对照组抗压强度F0测试结果见表4，损伤试件自愈合后的强度增长率R1和恢复率R2随粉煤灰掺量的变化规律如图3所示。

图3 不同粉煤灰掺量下各试验组强度增长率R1和强度恢复率R2Fig.3 Strength growth rate R1 and strength recovery rate R2 of each test group under different fly ash content

由图3和表4可知：(1)各设计预损伤龄下的水工混凝土试件预损伤抗压强度F1均随粉煤灰掺量的增加而减小，表现为F1，FA-0>F1，FA-15>F1，FA-35，其中，B组35粉煤灰掺量和0粉煤灰掺量混凝土在预损伤龄2 d下的F1值最大，为9.06 MPa；损伤水工混凝土试件在标准养护至28 d龄后的二次抗压强度F2也随粉煤灰掺量的增加而减小，最大值为9.00 MPa。(2)在同一预损伤龄下，A组损伤混凝土试件的抗压强度增长率R1随着粉煤灰掺量的增大而增大，其中，各粉煤灰掺量下的A组损伤试件在设计龄1 d、2 d和3 d下的强度增长率R1分别为143.47～350.13、68.85～116.77和43.37～96.66，强度恢复率R2则随着粉煤灰掺量的增大而呈现出逐渐增大的趋势；B组抗压强度增长率R1除2 d龄下的试验规律与A组相同，其余两组损伤混凝土试件均随着粉煤灰掺量的增大呈现出先减小后增大的趋势，具体表现为R1，FA-35>R1，FA-0>R1，FA-15，而强度恢复率R2则主要表现为随着粉煤灰掺量的增大而逐渐减小的趋势。

由于粉煤灰活性较低，等量代替水泥后也导致水泥熟料含量相对减少，这将降低早龄混凝土的水化反应速率同时也会减少水化反应产物，使早龄粉煤灰混凝土预损伤强度值较低，表现为F1，FA-35

3.2 微观试验结果与分析参照2.3节的试验方案，当预损伤龄3 d下的A、B组损伤试件在标准养护至28 d龄后分别取样并终止水化反应，采用压汞法和氮气吸附法进行微观孔结构测试。其中，水泥混凝土试样采用压汞法检测其孔结构参数及孔径分布情况，15粉煤灰掺量混凝土和35粉煤灰掺量混凝土试样则采用氮气吸附法检测孔结构参数及孔径分布情况，孔径分布曲线如图4所示。

图4 孔径分布曲线Fig.4 Pore size distribution curves

参照吴中伟对孔径的分类，进一步将孔径分布检测结果，以20 nm、50 nm、200 nm为分界点，根据不同孔径对混凝土性能的影响程度分为无害孔(<20 nm)、少害孔([20，50)nm)、有害孔([50，200)nm)和多害孔(≥200 nm)[18]。孔结构参数及孔体积占比见表5。

表5 孔结构参数及孔体积占比

由表5和图4可知：(1)各检测样品在孔径区间内主要呈多峰分布，在相同粉煤灰掺量下，平均孔径、最可及孔径和分形维数主要表现为A组检测样品B组检测样品，但最大值仅为0.0089 cm3/g(水泥混凝土)，这表明B组检测样品的孔隙结构较为复杂，而且从微观的角度进一步表现出裂缝平行于二次受压方向的损伤混凝土试件的自愈合情况较好。(2)对于同一试验组而言，总孔体积、最可及孔径和分形维数均随着粉煤灰掺量的增加而减小，并且损伤混凝土的主要孔隙类型随着粉煤灰的掺入，由≥200 nm的多害孔过渡为<20 nm的无害孔和[20，50)nm的少害孔，其中，15粉煤灰混凝土无害孔占比最高，较水泥混凝土分别高39.85和49.19，较35粉煤灰混凝土则分别高10.97和14.33，这表明适量掺入粉煤灰可降低孔隙结构复杂程度的同时，也对损伤混凝土的自愈合效果有良好的促进作用。

4 结论

(1)各粉煤灰掺量下的损伤混凝土试件的抗压强度增长率R1均随着预损伤龄的增加而减小，强度恢复率R2均随着预损伤龄的增加而增大，其中在3 d预损伤龄下A组损伤混凝土试件的R2均大于95，B组损伤混凝土试件的R2在60.72～86.84范围内。这表明后加强养护，早龄损伤混凝土试件的强度能够较好的恢复。

(2)各损伤混凝土试验组的28 d二次抗压强度值均随着预损伤龄的增加而增大，且在相同预损伤龄下，各损伤混凝土的二次抗压强度均表现为F2，A>F2，B，平均孔径、最可及孔径和分形维数主要表现为A组检测样品B组检测样品，但最大值仅为0.0089 cm3/g，这表明B组检测样品的孔隙结构较为复杂，且损伤混凝土试件内部裂缝平行于二次受压方向的损伤混凝土试件的自愈合情况较好。

(3)掺入粉煤灰能够使损伤试件抗压强度增长率R1和恢复率R2得到提升，降低孔结构复杂程度，并且使主要孔隙类型由≥200 nm的多害孔过渡为<20 nm的无害孔和[20，50)nm的少害孔。当粉煤灰掺量为15时，在预损伤龄3 d下损伤混凝土试件自愈合后的无害孔占比最高，其内部损伤后的自愈合效果更好。