复合矿物掺合料对砂浆自修复性能的影响_常洪雷.pdf

，.，.基金项目：山东省自然科学基金（）；国家自然科学基金（）（）（）：.复合矿物掺合料对砂浆自修复性能的影响常洪雷，李晨聪，王晓龙，王剑宏，王云飞，曲明月，刘 健，山东大学齐鲁交通学院，济南 山东大学土建与水利学院，济南 为了增强水泥基材料的自修复能力，通过在砂浆中复掺三种不同类型的矿物掺合料探究其共同作用的效果。通过对比裂缝宽度、透水率以及抗压强度恢复情况评估试件的自修复效果，并利用扫描电镜能谱分析（）研究裂缝处自修复物质的物相组成及微观形貌。掺加复合矿物掺合料可有效提升砂浆的自修复能力，具体表现为裂缝宽度减小、透水性降低和抗压强度显著恢复。其中，掺料组合膨胀剂 硅灰 生石灰和膨胀剂 生石灰 的修复效果最好，裂缝在 内可以实现完全愈合，透水率分别降低 和 ，在养护 后抗压强度分别恢复和，且浸水环境更有利于提高砂浆的自修复效果。而掺料组合膨胀剂 硅灰 和膨胀剂 偏高岭土 的修复效果较差，不利于砂浆裂缝的修复和抗压强度的恢复。此外，微观分析结果显示，裂缝中的修复物质除含有水化生成的 和 外，碳化生成的碳酸钙也是主要的修复物质之一。关键词 砂浆 自修复 矿物掺和料 裂缝 修复程度中图分类号：文献标识码：，（），引言在大量基础设施的修建中，混凝土成为应用最广泛的建筑材料。但混凝土在成型和服役过程中会出现裂缝增多，耐久性降低，最终其因开裂而失效的事故屡屡发生。受到长期力学荷载及环境因素的影响，混凝土中会出现不同程度的微裂缝并慢慢连通形成更大的裂缝。裂缝的存在使混凝土透水性增加，导致外界有害离子（如氯离子、硫酸盐离子和碳酸盐离子等）渗透进混凝土内部，引起钢筋锈蚀，加速混凝土结构的破坏，严重影响到基础设施的安全性及耐久性。对裂缝的处理方式通常为人工修复，该方法是在人为可以发现和探测到裂缝的前提下对裂缝进行修补，虽然可以在一定程度上延长建筑结构的使用寿命，但存在一定的滞后性。因此，探索出一种可以及时发现混凝土中的微裂缝并实现快速修复的方法格外重要，混凝土自修复技术应运而生。相较于中空纤维管自修复、微胶囊自修复和微生物矿化自修复等方式，在混凝土中直接添加矿物掺合料的方式具有成本低、操作难度低等优势，在工程实践中应用的可能性最大。等研究了膨胀矿物对硅酸盐水泥早期自愈合能力的影响，发现膨胀矿物的水合和膨胀产物有效地促进了材料的愈合。等的研究发现，在水泥基材料中添加适量的硫铝酸盐类膨胀剂可以增强基体表面微裂缝愈合的效果，同时对基体的透气性也有一定的作用。等对胶凝材料的自修复能力进行了研究，结果表明，在 的裂缝宽度范围内，对于 开裂龄期，含硅灰的砂浆在自裂缝闭合能力方面更为突出。研究发现，偏高岭土与水泥的水化产物（）发生二次水化作用，可改善浆体的微观结构，提高水泥基材料的性能。等研究发现 有利于提高砂浆早期强度和促进孔隙结构的细化，并且可以降低砂浆的吸水率、碳化率和收缩率，而不影响砂浆的凝固时间和和易性。已有的研究主要集中在一种或两种掺合料在混凝土自修复中的作用，然而，单一或两种掺合料往往难以实现水泥基材料实现完全自修复。等研究了在浸水环境下单一矿物掺合料试件的自修复情况，发现分别掺入石灰石、水泥、膨润土和偏高岭土的试件的愈合率分别为 、和，均未实现完全愈合。等探究了复掺聚乙烯醇（）和膨润土与纳米二氧化硅和稻壳灰（）对混凝土自愈合能力的影响，研究表明纳米二氧化硅和 的复合掺入可以提高材料的抗压强度，而 和膨润土的存在则降低了抗压强度。每种掺合料自身性质和特点有所不同，复掺可发挥多种掺合料的综合作用，弥补掺合料单一性的缺点，利用多种掺合料之间的协同作用，可促进水泥基材料的自修复。本研究选择了生石灰（）、膨胀剂（）、硅灰（）、偏高岭土（）、碳酸钠（）共五种来源广泛且价格相对较低的掺合料，评估不同三掺组合对基体自修复性能的影响。主要通过对比裂缝宽度、透水率以及抗压强度恢复情况评估试件的自修复效果，分析掺合料组合方式及养护条件对自修复效果的影响；并利用扫描电镜能谱分析（）研究裂缝处自修复物质的物相组成及微观形貌，从微观角度阐释其修复机制。最终为不同矿物掺合料在水泥基材料中的合理使用提供依据。实验 原材料本研究采用（普通硅酸盐水泥）；细集料为粒径 且级配良好的天然河砂；掺合料包括（细度为 ）、（细度为 ）和（细度为 ）、（硫铝酸钙类膨胀剂）和纯度为 化学纯的 粉末。其中，主要成分为，与水反应不仅可以产生大量热还会导致体积膨胀 倍；在水化水泥体系中主要跟（）发生反应，除生成 凝胶外，还有一些铝相化合物，利于水泥基材料抗压强度以及耐久性的提高；发生膨胀的原因是其水化生成了硫铝酸钙水化物，其体积为水化前化合物体积的 倍。水泥和矿物掺合料的化学成分如表 所示。表 水泥和矿物掺合料的化学成分（质量分数，）（，）配合比选用六种配合比进行试验，如表 所示，其中以 为未添加矿物掺合料的对照试样，中每组实验试样水泥质量的 被三种矿物掺合料所取代。此外，试验采用的水胶比为 ，砂胶比为 。表 砂浆质量配合比 试件的制备本研究分别制备尺寸为 的圆柱体试件和 的长方体试件。圆柱体试件成型时，分别在浆体高度为 、处放置不锈钢网片。待浆体填满模具并振实后，将试件放置在温度为（），湿度大于 的养护室进行标准养护。待拆模养护至 时，取出试件并将其两端各切除 ，最后将原试件切成六个 的试件，如图 所示。长方体试件在成型后将模具放在室内静置 ，将钢片垂直插入砂浆中 ，钢片埋设位置如图 所示。图 圆柱体试件中不锈钢网片放置位置示意图 图 钢片埋设位置 复合矿物掺合料对砂浆自修复性能的影响 常洪雷等 试验方法 裂缝预制和观测切割完成的圆柱体试件达到龄期后，利用压力机制造裂缝，如图 所示，荷载施加速度为 。由于试件内部有不锈钢网片，与实际工程中类似，试件在承受压力时不会直接裂开，而是会形成正反两面裂缝宽度相似的纵向裂缝。长方体试件在成型后将模具放在室内静置 ，待稍些硬化后，将边长为 、厚度为 的钢片垂直插入砂浆 处的位置制造裂缝，如图 所示。圆柱体试件裂缝预制完成后用记号笔在裂缝处做五处标记，并分别记为裂缝。标记裂缝时，挑选裂缝较小处，保证这五个位置处的初始裂缝宽度为 。利用 型工业电子显微镜记录标记处的初始裂缝宽度。测试完两组试件初始裂缝宽度后，分别将试件放入水中和温度为 、湿度为 的恒温恒湿箱中养护，保证裂缝未被干扰。每组配合比试件单独放在一个容器中，避免互相干扰。在水中养护的试件将容器口暴露于空气中，且每周更换一次养护用水，以保证其自愈合所需的 供应。图 压力机制造裂缝示意图 因为采用该试验方法制造的初始裂缝宽度不同，很难比较不同样品的修复效果，所以采用相对裂缝宽度 来表征裂缝的修复效果。表面裂缝修复率 的计算方法见式（）。（）式中：为初始裂缝宽度，；为该裂缝修复 天后的裂缝宽度，。透水性试验在裂缝宽度观测完成后，用恒定水头法测试试样的透水性，测试装置见图。准备尺寸为 的有机玻璃管，并在高度 处做好标记。使用快硬性玻璃胶将试件与有机玻璃管进行粘连和密封，确保水分不会从周边渗出。在试验过程中始终保持有机玻璃管内 的恒定水头。从试件底部透水时开始计时，测量并记录 内由玻璃管渗透至烧杯内的总水量。由于裂缝初始宽度不同可能导致透水性试验结果的差异，利用式（）计算试件修复 、和 的透水率。（）式中：为试件透水率，（）；为试验过程中通过样品的水的体积，；为水流动方向上的试样厚度，；为试件透水面的横截面积，；为恒定水头，；为透水持续时间，。由于裂缝初始宽度的差异可能导致透水性试验结果的差异。因此，通过式（）来计算相对透水率，以更好地比较修复前后试件性能的变化。（）式中：为试件的相对透水率，；和 分别为开裂砂浆试件在初始和一定修复时间后的透水率，（）。图 透水性试验示意图 力学性能试验将 试件，分为三种工况，工况（）将试件在养护龄期达到 时，拔出钢片并切割为三个相同试件，立即进行抗压试验；工况（）将试件在养护至 时，拔出钢片并切割为三个相同试件后，将其放置于浸水环境中继续养护 ，随后进行抗压试验；工况（）为无损试件，即将试件养护 并切割为三个相同试件后，直接进行抗压试验，分别记录三种工况下试件的抗压强度值。测试过程中，保证受压面为非浇筑面，且受压面保持一致，避免因浇筑面不平整而造成的偶然误差。微观形貌试验圆柱体试件修复到不同龄期后，将试件分别沿初始裂缝位置劈开，观察断面，并在修复物质明显的位置进行取样，样品为 的块体，注意对修复面做好标记，以便后续电镜观测。取样完成后，将样品放入真空干燥箱保持 ，干燥 ，然后使用 扫描电镜在 的加速电压和 的电流下，进行 检测以研究裂缝修复物质的不同微观形态和元素组成。结果与讨论 表面裂缝修复率（）不同矿物掺合料成分配合比采用工业电子显微镜观察试件裂缝修复情况，图 为不材料导报，（）：同配合比试件在养护龄期达到 时，制造裂缝后，相对裂缝宽度随修复时间的变化情况，由图 可知，不同配合比试件均具有自修复能力。由图 可以看出，未掺加矿物掺合料的试件在产生裂缝后，相对裂缝宽度呈现缓慢下降的趋势，且前 修复速度较快，前 相对裂缝宽度下降，后 修复效果减缓，修复只完成 ，试件在不掺加矿物掺合料的情况下，修复效果较差，仍有 裂缝无法实现愈合。这是由于砂浆内部在拌合时，内部存在一定量未水化的水泥，在裂缝处未水化的水泥与外界的水分继续反应形成水化产物，随着水化产物的生成与沉积，砂浆中剩余的未水化的水泥反应完全且水化产物的沉积阻碍了水化的继续发生，从而导致修复效果较差。图 为 三掺组合试件的相对裂缝宽度随修复时间的变化情况，由图可知，三掺组合修复效果裂缝在修复龄期前 变化很小，相对裂缝宽度只减少，但是在 裂缝修复较快，在 时达到 左右的修复率，而后相对裂缝宽度均减少至零。图 为 三掺组合的相对裂缝宽度变化情况，由图可知，该配比试件裂缝整体修复速率较慢且修复效果较差，裂缝在前 基本保持着未修复状态，相对裂缝宽度保持在 左右，经过 修复过程后，相对裂缝宽度仍然保持在 以上。和 试件的区别在于掺入的掺合料不同，分别为生石灰和，试件由于掺入了生石灰，为试件提供了弱碱性的环境，不仅促进裂缝内部未水化或水化不完全的水泥颗粒继续进行水化反应，还激发了硅灰的活性，使其快速填充孔隙，与水化产物生成凝胶体。同时，膨胀剂在该龄期下主要的膨胀相为钙钒石与无定形铝凝胶，生石灰的碳化反应生成的碳酸钙沉淀也可以很大程度上对裂缝进行修复，因此，试件修复效果很好。相比于，试件掺加 代替生石灰且配比中减少了水泥的用量，使得材料中严重缺少 等可以生成沉淀的离子，导致这三种掺合料不能与足够的离子反应，形成沉淀。由于初始裂缝宽度不一致或试件观测处的矿物掺合料分布不均匀，图 中裂缝愈合程度有所不同，但是裂缝的修复速率大致相同。对比 和 可知，生石灰比 对裂缝的修复效果更佳出色。图、分别为 和 的三掺组合试件的表面裂缝修复率。两者修复效果相差较大。试件裂缝在 内的修复速率很高，相对裂缝宽度下降 ，其中有三处观测点在修复 时裂缝修复率达到，另外两处观测点修复率达到 左右，并且该试件的修复能力一直存在，修复 时，所有裂缝实现完全闭合。试件的裂缝修复效果相对 较差，整体裂缝修复率小于。裂缝在修复期达到 后，裂缝的修复率便增长缓慢，不会出现明显增长。试件与 试件差别在于偏高岭土，偏高岭土的成分主要为，虽然其在一定条件下具有胶凝性，但是试件同样也失去了部分 等可以生成沉淀的主要离子，因此 试件修复效果比 试件也稍差一些。试件与 试件的区别在于掺入的掺合料不同，分别为 和硅灰，试件的早期裂缝的修复效果较好，这与掺入的 有关系，在早期基体中未反应的生石灰和膨胀剂遇水发生水化反应后，中的碳酸根与氢氧化钙凝胶、硅酸钙凝胶等快速反应生成不溶性物质沉淀于裂缝，从而对试件有一定程度的修复作用。生石灰的掺入不仅促进了试件基体内部的水化反应，同时促进了膨胀剂的膨胀作用，加快 沉淀。和 相比，前 的修复速率要快于，说明 在早期裂缝修复的效果要比硅灰效果好，而当修复期为 时，的修复效率要明显快于，说明，硅灰对中期试件的自修复效果要优于。图、为 和 的三掺组