高级脂肪酸盐对水泥砂浆自愈合性能的影响_李悦.pdf

第 49 卷 第 2 期2023 年 2 月北京工业大学学报JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.49No.2Feb.2023高级脂肪酸盐对水泥砂浆自愈合性能的影响李摇 悦,谢摇 东,李洪文,林摇 辉(北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京摇 100124)摘摇 要:为了改善水泥基材料中微裂缝的自愈合性能,采用高级脂肪酸盐对水泥砂浆进行改性,对高级脂肪酸盐作用下砂浆的力学性能、工作性能和渗滤性能的变化规律进行研究,结合裂缝处产物的 XRD、SEM鄄EDS 等分析探讨高级脂肪酸盐对水泥砂浆微裂缝自愈合性能的影响.结果表明:高级脂肪酸盐的掺入一定程度上能缩短砂浆的凝结时间,但对砂浆抗压抗折强度和流动度影响不大;适量固液比的高级脂肪酸盐能改善水泥砂浆的密实性,增加基体裂缝处碳酸钙的生成量,加速裂缝的自愈合效果,提高抗渗性.关键词:高级脂肪酸盐;水泥砂浆;自愈合;渗滤试验;抗压强度;微观结构中图分类号:TU502文献标志码:A文章编号:0254-0037(2023)02-0213-06doi:10.11936/bjutxb2021110015收稿日期:2021鄄11鄄15;修回日期:2022鄄02鄄21基金项目:北京市自然科学基金资助项目(8202005);国家自然科学基金资助项目(52078015)作者简介:李摇 悦(1972),男,教授,主要从事建筑材料方面的研究,E鄄mail:liyue 通信作者:谢摇 东(1998),男,硕士研究生,主要从事建筑材料方面的研究,E鄄mail:Effects of Higher Fatty Acid Salt on Self鄄healing Propertiesof Cement MortarLI Yue,XIE Dong,LI Hongwen,LIN Hui(Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering,Ministry of Education,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)Abstract:To improve the self鄄healing performance of micro cracks in cement鄄based materials,higherfatty acid salt was used to modify cement mortar to study the changes of mechanical properties,workingproperties and percolation properties of mortar under the action of higher fatty acid salt.The effect ofhigher fatty acid salt on the self鄄healing performance of micro cracks in cement mortar was discussedcombined with the analysis of XRD and SEM鄄EDS of products at the crack.Results show that the additionof higher fatty acid salt can shorten the setting time of mortar to a certain extent,However,has littleeffect on the compressive flexural strength and fluidity of mortar.An appropriate amount of higher fattyacid salt with solid鄄liquid ratio can improve the compactness of cement mortar,increase the generation ofcalcium carbonate at matrix cracks,accelerate the self鄄healing effect of cracks,and improve theimpermeability.Key words:higher fatty acid salts;cementmortar;self鄄healing;percolation test;compressive strength;microstructure摇 摇 水泥基材料在服役过程中,由于各种因素(外部荷载、环境作用等)的影响,会导致其基体开裂,进而对其耐久性产生不利影响1.传统的裂缝修复方法包括:1)对于结构表面的微裂纹,通常在裂缝表面涂刷涂料对其进行修复;2)对于细小裂缝,通常采用注浆技术进行修复;3)对于较大裂缝或严重网络首发时间：2023-02-08 17:50:19网络首发地址：https:/ 京摇 工摇 业摇 大摇 学摇 学摇 报2023 年的损 伤,通 常 采 用 纤 维 增 强 复 合 材 料(fiberreinforced plastics,FRP)进行加固,或剔除损伤部位的旧混凝土,采用修补砂浆进行修复.然而,上述传统方法均有其不足之处,例如:1)涂料存在老化的问题,导致后期需要重新涂刷,并且部分涂料对环境存在潜在危害;2)注浆修复对测量裂缝位置和注浆点很难把握,导致裂缝难以完全修复;3)剔除损伤部位或采用 FRP 修补时,施工难度大,会改变结构原有外形.针对上述问题,通过调节水泥基材料粒径分布、配比或通过掺入一定量的修复材料,可以有效改善水泥基材料的自愈合性能,防止微细裂纹进一步扩展,延长水泥基材料安全使用寿命和减少维修费用2.对于水泥基材料自愈合性能方面,国内外学者开展了大量研究,提出很多提高水泥基材料自愈合性能的方法.Yuan 等3、陈帅帅等4研究发现:30 60 滋m 的水泥颗粒较多,水灰比较大时,能显著提高水泥基材料的水化程度,增加水化产物中Ca(OH)2的含量,提高其可碳化性能,进而改善其自愈合能力.有学者提出微胶囊修复技术能够有效改善水泥基材料裂缝的自愈合性能,当裂缝产生时,在其周围会出现应力集中的现象,进而导致微胶囊破裂,将其内部的修复成分释放出来,对裂缝进行修复,提高裂缝愈合效率5鄄7.同时,也有学者采用微生物修复技术改善水泥基材料的自愈合性能,通过微生物能诱导碳酸钙的矿化沉积,形成与水泥表面黏结强度高的密实膜层,在裂缝形成早期对其进行愈合修复8鄄9.此外,也有研究表明在水泥基材料中掺入三乙醇胺可提高水泥基材料的自愈合性能,通过三乙醇胺的诱导作用,改变水化产物氢氧化钙的微观形貌,提高其碳化性能,加速裂缝愈合,改善基体自愈合能力10.高级脂肪酸盐是一种憎水性材料,当其作为防水剂掺入砂浆或混凝土中,使憎水物质沉积在基体材料的毛细孔中并在表面形成憎水层,阻止水的侵入,进而起到抗渗作用11.适量高级脂肪酸盐的掺入可优化水泥基材料基体孔结构12.此外,高级脂肪酸盐还能够降低水分及腐蚀性离子在混凝土中的渗透速率13.由此可见,在水泥基材料中加入一定的高级脂肪酸盐,能够有效改善水泥基材料基体的抗渗性能.但目前高级脂肪酸盐对水泥基材料微观缺陷的修复作用尚不明确,并且关于高级脂肪酸盐在影响水泥基材料微裂缝自愈合性能方面的研究尚无报道.因此,本文研究以高级脂肪酸盐作为外加剂改性水泥基材料,考察水泥砂浆的力学性能、工作性能及渗滤性能,并结合微观测试探讨高级脂肪酸盐对水泥砂浆微裂缝自愈合性能的影响.1摇 试验材料与方法1郾 1摇 试验原材料所用水泥为 P O42郾 5 普通硅酸盐水泥,密度为3郾 16 g/cm3,比表面积为 354 m2/kg,主要化学成分见表 1.所用砂子为符合 ISO9001 标准的中砂,外加剂为分析纯高级脂肪酸盐.表 1摇 水泥化学成分Table 1摇 Chemical composition of cement%w(SiO2)w(Fe2O3)w(Al2O3)w(CaO)w(MgO)w(SO3)22郾 93郾 85郾 763郾 52郾 21郾 91郾 2摇 配合比制作掺入不同用量高级脂肪酸盐的水泥砂浆试件,高级脂肪酸盐与拌和水的质量比称为固液比.各组砂浆配合比如表 2 所示.表 2摇 配合比Table 2摇 Mixture proportion编号固液比/%m/g拌和水水泥标准砂高级脂肪酸盐水灰比K鄄002254501 35000郾 5G鄄0郾 40郾 42254501 3500郾 90郾 5G鄄0郾 70郾 72254501 350X1郾 580郾 5G鄄1郾 01郾 02254501 3502郾 250郾 5G鄄1郾 31郾 32254501 3502郾 930郾 5摇 摇 注:编号中 K 代表不含高级脂肪酸盐,G 代表含高级脂肪酸盐,数字代表固液比.1郾 3摇 试验方法1郾 3郾 1摇 力学性能和工作性能测试参照水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)(GB/T 176711999)进行抗压抗折强度试验.参照水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法(GB/T 13462011)进行凝结时间测试.参照水泥胶砂流动度测定方法(GB/T 24192005)测试砂浆流动度.1郾 3郾 2摇 渗滤试验渗滤试验装置如图 1 所示.在砂浆试件居中位置垂直插入内径 120 mm、壁厚 2 mm、高度 150 mm的亚克力管,并使用铜片制作 4 条长 20 mm、宽0郾 2 mm 的垂直贯通裂缝,裂缝位置和尺寸如图 2 所412摇 第 2 期李摇 悦,等:高级脂肪酸盐对水泥砂浆自愈合性能的影响示.裂缝制作完成后,将试件放入水中养护至设定龄期后进行渗滤试验.试验时,向上部盛水装置倒入 10 cm 高度的自来水,覆盖保鲜膜防止水分蒸发和杂质进入,试验期间不再向容器中补水,静置 24 h后,测量并记录下部接水装置渗水量,测试结束后将试件重新放入水中养护至下个设定龄期,再重复上述试验.通过渗滤试验,比较每组试样的渗水量,对水泥砂浆裂缝的自愈合性能进行评估.图 1摇 渗滤试验装置Fig.1摇 Percolation test device摇图 2摇 裂缝位置与尺寸Fig.2摇 Crack location and size摇1郾 3郾 3摇 微观性能表征对渗滤试验中抗渗效果较好的试样,在其裂缝处取样,研磨、过筛后(45 滋m),将所得粉体置于真空干燥箱进行干燥,其中干燥箱的温度控制在25 益,压力设置为-0郾 1 MPa.真空干燥 3 d 后取出试样,置于密封袋中,随后进行 XRD 分析.同时,在裂缝内部切割取样,采用同样的方法干燥后进行SEM鄄EDS 分析.采用 Ultima 郁型 X 射线衍射仪进行 XRD 测试,使用 Cu 靶,X 光管最大输出为 3 kW,采用连续扫描的方式进行测试,扫描速率设置为 5(毅)/min,2兹角的采集范围为 5毅 90毅,所得结果采用 Jade 软件进行分析.采用 FEI Quanta 200 型扫描电子显微镜进行SEM鄄EDS 分析测试,工作电压为 20 kV,测试之前对样品表面进行喷金处理.2摇 结果与分析2郾 1摇 抗压和抗折强度高级脂肪酸盐的掺入对砂浆抗压抗折强度的影响如图 3 所示.可以看出,随着高级脂肪酸盐固液比的增加,砂浆的 3 d 和 28 d 抗压抗折强度逐渐降低.当高级脂肪酸盐固液比为 1郾 3%时,砂浆 28 d的抗压强度降低4郾 9%.结果表明:高级脂肪酸盐的掺入对砂浆强度的影响很小.引起上述试验现象的可能原因是高级脂肪酸盐对砂浆最终的水化程度影响不大.图 3摇 抗压抗折强度Fig.3摇 Compressive and flexural strength摇2郾 2摇 凝结时间高级脂肪酸盐的掺入对凝结时间的影响如图 4所示.可以看