水溶性渗透结晶材料对混凝土性能影响的研究_胡栋.pdf

新型建筑材料2023020前言耐久性影响混凝土结构的服役寿命，其配合比设计也正从传统的以强度目标为导向逐渐向以耐久性转变1。表面涂层防护技术是提高混凝土耐久性的重要手段之一，如氟碳涂层、聚脲涂层、环氧树脂涂层等2。但有机高分子涂层只能阻断基体与周围环境的接触，不能实现对混凝土损伤的修复，服役中也存在耐候性不足、大气稳定性不够、抗老化能力不强等问题。近年来，渗透结晶技术应用逐渐增多，包括水泥基渗透结晶（CCCW）材料、有机硅烷类浸渍材料等3，其活性物质能够激活和催化未水化的水泥颗粒，并与 Ca（OH）2、AFt 等水泥水化产物发生进一步反应，从而填塞毛细孔，增强基体的密实程度，达到损伤修复和表层强化的目的。同时，CCCW 材料可在休眠状态与启动状态之间多次转换4，具有同寿命服役和反复施效的能力。目前，CCCW 材料已在三峡枢纽、上海地铁、周宁抽蓄电站、南水北调中线渡槽等多个工程应用。传统的水泥基渗透结晶（CCCW）材料具有作用周期长、施工程序多、易爆皮开裂等不足2，并且只能在混凝土硬化拆模后进行涂刷。新型的水溶性渗透结晶（DPS）材料利用混凝水溶性渗透结晶材料对混凝土性能影响的研究基金项目：国家自然科学基金项目（U2040222）；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目 CKSF2021456/CL）；水利部示范项目（SF-2021-02）收稿日期：2022-09-23作者简介：胡栋，男，1989 年生，工程师，E-mail：。通讯作者：李杨，工程师，博士，E-mail：。胡栋1，左程1，宋嘉城1，李杨2，周世华2（1.湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南 岳阳414500；2.长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉430010）摘要：水溶性渗透结晶（DPS）材料是在传统水泥基渗透结晶（CCCW）材料基础上发展起来的新型混凝土表面修护材料。借助平板开裂试验、渗水高度试验和透水速率试验，研究了 DPS 材料对混凝土抗压强度、早期抗裂性能、裂后自愈合能力和抗渗性能的影响。结果表明：DPS 材料能够抑制混凝土的泛碱现象，降低早期裂缝的发生风险，提高混凝土抗压强度，并显著提高抗渗性能和裂缝自愈合能力；DPS 材料的裂缝修复效果与 DPS 材料用量、裂缝宽度、养护时间有关，在 DPS 材料用量为 250350 mL/m2时，早期裂缝降低率可达 88.2%95.0%，喷涂后比较经济的养护时长为 714 d。关键词：水溶性渗透结晶材料；养护剂；早期抗裂性能；自愈合性能中图分类号：TU57+2文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）02-0132-05Influences of water-soluble infiltration crystalline material on properties of concreteHU Dong1，ZUO Cheng1，SONG Jiacheng1，LI Yang2，ZHOU Shihua2（1.Hunan Pingjiang Pumped Storage Power Station Co.Ltd.，Yueyang 414500，China；2.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）Abstract：Water-soluble infiltration crystalline（DPS）material is a new type of concrete surface repair material developed onthe basis of traditional cement-based capillary crystalline waterproof（CCCW）material.The present paper focuses on the influencesof DPS material on properties of concrete，such as compressive strength，early age anti-cracking ability，anti-permeability capacity，and self-healing property with the help of plate cracking test，water penetration height test and water penetration rate test.Experimental results reveal that DPS material is able to suppress the efflorescence of concrete，reduce its early age cracking risk，enhanceits compressive strength，greatly improve its anti-permeability capacity and self-healing capacity.The crack repair effect of DPS material is related to the amount of DPS material，crack width and curing time.When the amount of DPS is 250350 mL/m2，the earlycrack inhibition rate can reach 88.2%95.0%，and the economical curing time is 714 d after spraying.Key words：water-soluble infiltration crystalline material，curing agent，early-age cracking resistance，self-healing properties中国科技核心期刊132NEW BUILDING MATERIALSNEW BUILDING MATERIALS土吸水动力学特性，克服了 CCCW 材料的缺陷和不足，喷涂时机不受混凝土硬化状态的限制，并且对基底的干燥程度无严格要求，可在混凝土自初凝后全寿命周期的各个阶段进行施工。但已有研究主要集中在 DPS 材料对混凝土硬化后期性能的影响3-6，在水化早期抗裂性能、养护保湿效果、裂缝修复能力等方面少有报道。针对上述问题，本文采用平板开裂试验、透水速率试验和渗水高度试验等方法，研究 DPS 材料对混凝土早期开裂敏感性、裂后自愈合能力、抗压强度和抗渗性能的影响，并分析DPS材料养护和保湿特性，从而为DPS材料的工程应用提供参考。1试验1.1原材料水泥：P O42.5，密度 3.02 g/cm3，比表面积 320 m2/kg，细度 0.3%；粉煤灰：F 类级，密度 2.39 g/cm3，烧失量 0.98%，细度 10.4%，需水量比 101%，28 d 活性指数 74.3%。水泥和粉煤灰的主要化学成分如表 1 所示。表 1水泥和粉煤灰的主要化学成分%人工砂：细度模数 2.90，表观密度 2.68 g/cm3，石粉含量7.3%，饱和面干吸水率 1.62%，级配曲线如图 1 所示；碎石：520 mm 小石和 2040 mm 中石，表观密度 2.73 g/cm3，饱和面干吸水率 0.57%。图 1人工砂的级配曲线DPS 材料：透明碱性液体，主要性能如表 2 所示，具有较好的耐热性能以及与混凝土的相容性，可在 160 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。表 2DPS 材料的主要性能减水剂：缓凝型 PCA-1 聚羧酸高性能减水剂，减水率28%，用于改善混凝土拌合物的和易性；引气剂：GYQ-1 型，用于调整混凝土的孔结构特性，使用前需加水稀释，稀释倍数为100 倍。1.2试验配合比混凝土配合比如表 3 所示。采用 WZ-60 型卧轴强制式搅拌机拌合，粉料和骨料先干拌 2 min，然后加拌合水继续湿拌2 min；结束后装入边长为 150 mm 的立方体抗压强度试模和尺寸为 175 mm185 mm150 mm 的圆台抗渗试模，并经振捣成型和保湿静置 24 h 后拆模，移入标准养护室养护。表 3混凝土配合比和原材料用量使用纯水泥砂浆研究 DPS 材料的裂缝修复效果，砂浆水灰比为 0.5，灰砂比为 13，搅拌和成型方法参照 GB/T 176712021 水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）进行。1.3试验方法（1）抗压强度。混凝土试件分成试验组和对比组，均标准养护 7、14、28、90 d 后，置于电热鼓风干燥箱中 105 下烘干24 h 至恒重，然后试验组在 DPS 溶液中浸泡 24 h 至吸收饱和，而对比组在纯净水中浸泡 24 h 至吸收饱和；将 2 组试件取出，表面擦干后再次标养 28 d；最后，按照 SL/T 3522020水工混凝土试验规程 进行抗压强度测试。（2）混凝土吸水率及 DPS 材料吸收率。混凝土试件标准养护 7、14、28、90 d 后，取出并置于电热鼓风干燥箱中，在 105下持续烘干 24 h 至恒重，然后浸泡于纯净水或 DPS 材料中，浸泡 24 h 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DPS 材料的吸收率。（3）抗渗性能。采用渗水高度和相对渗透系数研究 DPS材料对混凝土透水性能的影响，试验组和对比组的养护龄期分别为 7、28、90 d，参照 SL/T 3522020 进行测试。（4）早期抗裂性能。平板法开裂试验的试件尺寸为 600mm600 mm63 mm。试验步骤和环境要求按照 SL/T 3522020 进行。DPS 材料用药壶人工喷洒，用量分别为 50、150、250、350 mL/m2。喷洒分2 次进行，前后时间间隔为 30 min，喷洒量比例为 6040。（5）裂缝修复能力。使用尺寸为 160 mm130 mm40 mm的砂浆试件进行试验，研究 DPS 材料对水泥基材料裂缝的修复能力。砂浆试件的养护龄期为 28 d。DPS 材料用量分别为140311782.7220.047733615410水水泥 粉煤灰 减水剂 引气剂砂小石 中石0.36水胶比砂率/%42材料用量/（kg/m3）粉煤灰9.6446.58 18.709.573.091.99 0.02 1.71 0.98项目CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOSO3Cl-R2OLOI水泥55.2223.736.063.740.863.13 0.05 0.83 3.2218321300105凝胶化时间/s表面张力/（mN/m）抗透水压力比/%抗压强度比/%11.8pH 值密度/（g/cm3）1.21胡栋，等：水溶性渗透结晶材料对混凝土性能影响的研究133新型建筑材料20230210、20、30 mL。DPS 材料填塞后的试件再分别养护 3、7、14、28d。试验步骤按照 T/CECS 8482021 无机水性渗透结晶型材料应用技术规程 进行。1.4数据分析方法混凝土早期抗裂性能分别用每条裂缝的平均开裂面积、单位面积上的裂缝数目、单位面积上的总开裂面积和裂缝降低率进行表征，其中裂缝降低率 按式（1）计算。=C0-C1C0100%（1）式中：C0对比组单位面积上的总开裂面积，mm2/m2；C1试验组单位面积上的总开裂面积，mm2/m2。DPS 材料对砂浆裂缝的修复效果使用渗水速率和渗水速率比表征，计算方法如式（2）、式（3）所示。V=Qt（2）=VSVc100%（3）式中：Q渗漏量，mL；t试验持续时间，min；V渗水速率，mL/min；Vc未注入DPS材料溶液对比组的渗水速率，mL/min；VS注入 DPS 材料溶液试验组的渗水速率，mL/min；试验组和对比组的渗水速率比，%。2结果与讨论2.1DPS 材料对混凝土抗压强度的影响（见图 2）图 2DPS 材料对混凝土抗压