水工混凝土喷涂渗透结晶材料的试验分析

赵志强

(凌源市水务事务服务中心,辽宁 凌源 122500)

混凝土是一种复合型非均质多孔材料,其内部孔隙数量、大小、分布特征、微损伤及其连通性等特性,对混凝土力学强度和抗侵蚀性能均会造成一定影响,不利条件下裂缝扩展、贯穿形成渗水通道,还会导致混凝土劣化问题。为解决水工混凝土抗裂抗拉性能以及抗压强度有限的问题,实际工程中通常掺入一定的掺合料[1]。渗透结晶是由活性化学物质、砂、水泥等原材料制成的防水材料,能够有效增强混凝土耐久性和强度,现已广泛应用于大坝、地铁、输水隧洞等工程领域[2-3]。因此,研究混凝土性能受渗透结晶的影响具有重要意义,如Jo等研究认为混凝土掺渗透结晶能够增强自愈合和力学性能;Cuenca等试验分析了不同养护方式下,混凝土裂缝修复能力受渗透结晶材料的影响;李冰等通过交叉试验,确定内掺1%渗透结晶时混凝土自修复能力、抗渗性及长期力学性能最优;丁向群等通过改变试验条件和渗透试验发现,渗透结晶能够改善混凝土抗渗性和力学强度;匡亚川等对比分析了渗透结晶掺量对水泥基体的影响,研究发现掺适量渗透结晶可以明显提升抗渗性与强度;陈晓雨等比较了复掺与单掺情况下,渗透结晶及掺合料对试块抗侵蚀性的影响特征,试验发现两者复掺具有更优的耐久性;王可良等采用抗压和抗渗试验研究了渗透结晶的裂缝自修复性能,试验发现渗透结晶可以生成填充宏观孔隙和微裂缝的水化产物,从而提高基体抗渗性及强度[4-10]。因此,现有研究大多集中于渗透结晶掺量对混凝土自愈合能力、抗渗性和力学强度的影响研究,对水工混凝土喷涂渗透结晶的力学性能研究较少。佳固士渗透结晶是以纳米级硅酸盐为主要成分,这种无机液态喷涂防水材料存在修复效果强、渗透速度快且范围深等特点,既可以填充修补混凝土内部的小孔隙及微裂缝,还可以在表面形成良好的防水层,全面提升混凝土的整体性能。鉴于此,文章使用佳固士渗透结晶喷涂水工混凝土表面,通过测试不同龄期、不同水胶比试件抗压强度,研究揭示水工混凝土强度受水泥基渗透结晶的影响规律。

1 材料与方法

1.1 原材料

水泥:凌源源泉水泥有限公司生产的P·O 42.5级水泥,细度0.6%,初、终凝时间140min和200min,标稠用水量28.2%,比表面积433m2/kg。粗细集料:凌源市建正砂石加工厂生产的5～25mm连续级配花岗岩碎石和天然河砂,砂的含水率4.8%,细度模数3.1,表观密度2650kg/m3。掺合料与外加剂:葫芦岛地区的F类Ⅱ级粉煤灰和S95级矿粉,粉煤灰细度20.2%。外加剂使用固含量35%的聚羧酸高效减水剂,减水率32%。渗透结晶:以纳米级硅酸钠为主要成分的佳固士牌增强修复养护一体剂,市场采购。

1.2 试验配合比

根据试验所用各原材料性能指标和配合比设计方法,初步确定4种强度等级的配合比,如表1所示。

表1 试验配合比

1.3 试块成型、养护

为探究不同水胶比和养护龄期下,水工混凝土抗压强度受水泥基渗透结晶材料的影响,参照《水工混凝土试验规程》中的流程制作150mm×150mm×150mm试件,按试验与基准两种类型,0.45、0.42、0.38、0.33四种水胶比,7d、14d和28d三个龄期,试验制作24组,每组3块共72个试块。

试验过程中不使用脱模剂,拌合物浇筑成型24h后拆模,将佳固士渗透结晶按200mL/m2的涂量均匀地喷涂在试验类试件的6个面,对基准类试件表面不做任何处理。然后移入标养室养护,环境湿度>95%,温度(20±2)℃,待规定龄期时取出测试相应的强度。

1.4 测试方法

依据《水工混凝土试验规程》中的操作流程,采用YAW-3000电液伺服压力试验机测定不同龄期各组试件的抗压强度。试验时控制应力加载速率为0.5MPa/s,依据规范规定计算确定每组试块的抗压强度值,精度为0.01MPa。

2 结果与分析

2.1 不同龄期试块强度

统计整理相关试验数据,确定7d、14d、28d不同龄期各组试块的抗压强度如图1所示。

(a)7d龄期

(b)14d龄期

(c)28d

由图1可知,渗透结晶可以在不同程度上提升各龄期混凝土的抗压强度,且混凝土强度在蒸汽养护条件下发展较快,各组混凝土的7d龄期强度均已达到设计值。

为了更加直观地进行数据化分析,采用平均增强率e反映不同龄期混凝土强度受水泥基渗透结晶的影响作用,其表达式为:

(1)

式中:fcd、fcs为龄期情况下,4种配合比试验组和基准组试块的平均抗压强度,MPa,平均增强率如图2所示。

图2 不同龄期增强率关系线

从图2可以看出,不同龄期混凝土增强率表现出显著变化特征,随着龄期的延长增强率呈下降趋势,说明渗透结晶的增强效果与养护龄期存在密切联系。根据图1和图2可知,7d龄期4种配合比试块的增强率最高为4.38%,试验组相比于基准组提高1.61MPa,并以设计强度C30的S2组增强效果最明显,该组较基准组强度增大1.67MPa;14d龄期4种配合比试块的增强率减小到为2.95%,试验组相比于基准组提高1.31MPa。随着时间的推移,混凝土强度增强率逐渐减小,28d龄期4种配合比试块的增强率下降到2.54%,并以设计强度C50的S4组增强效果最低,该组较基准组强度增大0.71MPa[11-12]。

渗透结晶主要通过不断渗入填补内部孔隙、微裂缝以及修复混凝土表面影响基体强度,本试验所使用的渗透结晶以纳米级硅酸盐类为主要成分,该材料可以参与水化反应填补骨料缺陷及混凝土内部和表面的细微裂缝,从而使基体的渗透性下降,通过提供“额外强度”来达到一定的增强效果。结合试验数据可知,渗透结晶对混凝土早期强度的增强作用最明显,这是因为早期尚未充分完成水化,由渗透结晶填补内部孔隙及微裂缝所提供的强度更显著;随着时间的延长混凝土强度逐渐增大,渗透结晶的增强效果不断减弱,所以渗透结晶的增强效果与养护龄期存在密切联系,其增强效果随养护时间的增大逐渐减小。

根据上述试验数据可知,7d龄期时渗透结晶的增强效果最优,该龄期各组试块的增强率达到4.38%,试验组相比于基准组提高1.61MPa。

2.2 不同配比试块强度

不同配合比试块强度随养护时间的变化趋势如图3。

图3 不同配合比混凝土强度

由图3可知,试块自身强度增长速率受水泥渗透结晶的影响较低,随着龄期的增加试验组和基准组抗压强度变化趋势一致,早期(7d)各组抗压强度增速较高;随着龄期的增大各组强度增幅趋于平缓。通过对比相同配合比基准组与试验组强度变化趋势可知,两者的变化速率基本相同,说明混凝土强度增长速度几乎不受渗透结晶材料的影响。

配合比不同的混凝土密实性与渗透性存在一定差异,相应的强度增长值也有所不同,对于28d龄期不同配合比试块抗压强度受渗透结晶材料的影响,如图4所示。

图4 不同龄期混凝土强度

从图4可以看出,设计强度较高的S4组相较于基准组试块的28d强度仅提升0.71MPa,这说明设计强度越高则渗透结晶的增强效果越弱;设计强度较低的S2组相较于基准组试块的28d强度提升1.74MPa,渗透结晶对该组试块的增强效果最优。总体而言,在喷涂量相同的情况下,混凝土自身强度越高则渗透结晶的增强效果越低。这是由于混凝土自身强度较低时,其初始密实性和渗透性较差,喷涂渗透结晶可以有效修复内部微裂缝,明显提升水泥基体密实度,与设计强度高的混凝土相比具有更好的改善效果,在宏观上呈现出渗透结晶提升低强度混凝土的作用更明显[13-14]。

水泥基渗透结晶对设计强度C30混凝土的增强效果优于C20,这可能与喷涂量的多少有关,未来可以调整喷涂量进一步揭示渗透结晶的作用机理。

3 结 论

1)不同龄期水工混凝土强度受水泥基渗透结晶的影响存在一定差异,渗透结晶对7d龄期混凝土的增强效果最好,该龄期各组试块的增强率达到4.38%,试验组相比于基准组可以提高1.61MPa。这是因为早期尚未充分完成水化,由渗透结晶填补内部孔隙及微裂缝所提供的强度更显著,随着时间的延长渗透结晶的增强效果不断减弱,所以渗透结晶的增强效果与养护龄期存在密切联系。

2)不同设计等级的混凝土强度受水泥基渗透结晶的影响作用不同,渗透结晶对C30混凝土的增强效果明显高于其它设计强度。在喷涂量相同的情况下,混凝土自身强度越高则渗透结晶的增强效果越低,渗透结晶对C30混凝土的增强效果优于C20,这可能与喷涂量的多少有关,今后仍需调整喷涂量进一步揭示渗透结晶的作用机理。