混凝土强度恢复能力试验研究.pdf

2 0 1 3年第 5期 5月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C0NC RE T E AND C EMENT P ROD UC T S 2 01 3 No 5 Ma v 混凝土强度恢复能力试验研究 李 军， 常 莉 ( 开封大学土木建筑工程学院， 4 7 5 0 0 4 ) 摘要 ： 通过在 水泥砂浆试件 中掺 入矿物质 ， 测定矿物质对混凝 土抗折 强度 的影响 。 在矿物质最佳掺量条件下 ， 加 入修 复液 ， 测其 强度恢 复率。 通过试验 对比 ， 可以得 出修复液的添加对混凝 土微裂纹的修补起到 了很好的作用 ， 利 用矿 物与修 复液的共 同作用可以修 复微 裂纹 ， 有利 于混凝 土抗折 强度 的恢 复。 关键词 ： 自修 复 ； 膨润土 ； 硅粉 ； 抗折 强度 ； 恢复 Abs t r a c t ：Thr o u g h mi x i ng mi n e r a l s i n t o t h e c eme n t mor t a r s pe c i me n ，t he e f f e c t s o f mi n e r a l s o n t h e fle x ur a l s t r e ng t h o f c o n c r e t e a r e t e s t e d I n c o n d i t i o n s o f o p t i mu m a d d i n g a mo u n t o f mi n e r a l s ， a d d i n g t h e r e p a i r l i q u i d ， t h e s t r e n g t h r e c o v e r y r a t e i s t e s t e d An d b y c o mp a r i s o n ，a d d i n g r e p a i r fl u i d ma y b e p l a y e d a v e r y g o o d r o l e o n t h e mi c ro c r a c k r e p a i r o f c o n c r e t e ， a n d b o t h a d d i n g mi n e r als a n d r e p a i r l i q u i d c a n r e p a i r mi c r o c r a c k s ， w h i c h i s c o n d u c i v e t o t h e r e c o v e ry o f c o n e r e t e S fle x u r a l s t r e n g t h Ke y wo r d s ：S e l f r e p a i r ； B e n t o n i t e ； S i l i c o n p o w d e r ； F l e x u r a l s t r e n gth ； Re c o v e ry 中图分类号 ： T O 5 2 8 。 1 文 献标识 码： A 文章编 号： 1 0 0 0 4 6 3 7 f 2 0 1 3 ) 0 5 - 2 1 0 3 0前 言 当前 ， 混凝土 自修复主要是在混凝土 中添加纤 维管或微胶囊 ， 这些添加修复材料具有很大的局 限 性 ， 不能很好地应用 于实 际生产 中 ， 例 如 ： 纤维管 的数量太少不能形成完全修复 ， 过多又可能对材料 的其他宏观性能产生影响 ； 纤维管或微胶囊 只有均 匀分 布才 能更好地进行裂纹修复 ； 同时 ， 纤维管与 微胶囊的生产 比较 复杂 ， 在混凝土中的添加工艺也 比较麻烦 ， 尚不能形成商业化生产。 本文将修复剂直接加人混凝土中， 同时在混凝 土 中掺入 部分矿物质 ，使修复液能 自然形成微胶 囊 。当混凝 土出现微裂纹 时 ， 气泡破裂 ， 修复液流 出 ， 与混凝土中的矿物质共 同修补微裂纹。这样可 以较好地解决胶囊的生产与分布不均的难题 。 1 试 验 原材 料 水泥 ： 新乡某水泥厂生产的 P O 4 2 5级水泥。 砂 ： 开封黄河河砂 ， 细度模数 3 O ， 级配合格。 膨润 土 ： 钠基质膨 润土 ， 粒 度 3 0 0目， 白度 7 5 ， 质量等级优。 硅粉 ： S i O 2 9 0 的硅 粉 。 环氧树脂 E 5 1 ： 透明液体 ， 无 明显杂质 ， 和固化 剂 T 3 1 ( 十二烷基苯磺酸钠 ) 混合后作为修复液。 2试验方案 本试验选用钠基膨润土 ， 同时在混凝土 中加入 硅粉与生石灰 。由于膨润土的膨胀作用 ， 可 以减少 混凝 土的早期 收缩裂纹 。当混凝土后期 出现裂纹 时 ， 空气 中的水汽进入 ， 膨润土膨胀 可以修补 2 t x m 以下 的细小裂纹 。膨润土除 了 自身具有修复功能 外 ， 其对修复液的 自然包裹起 到很大 的作用 ， 由于 膨润土 的膨胀作用 ，可 以使混凝土 中形成很多空 隙， 修复液进入空隙使其被包裹 。硅粉与生石灰在 水泥水化初期可 以参 与水化反应 ， 提高混凝土早期 强度 ， 使混凝土结构更加密实。同时， 在水化后期混 凝土中出现微裂纹时 ， 生石灰 中的钙离子会置换膨 润土 中的钠离子 ，被置换出来 的钠离子与硅粉反 应 ， 生成水玻璃 ， 水玻璃有一定 的粘结性 ， 进入裂缝 中可以粘结裂纹。这些矿物产物可以与修复液共同 作用实现对裂纹的修复 。当裂缝出现时 ， 修复液被 释放流入裂缝 中， 与周围的固化剂接触发生 固化反 应 ， 固化物与水玻璃共 同作用能较好地修复较大的 裂缝 。本方法从理论上可以达到预期修复效果。首 先对修复液进行选择与处理 ， 然后在混凝土 中掺入 矿物质 ， 测定矿物质对混凝土的影响。在矿物质最 佳掺量条件下 ， 加入修复液 ， 测其强度恢复率。一次 修复试验成型 2 4组试件 ， 其 中 1 2组为未加修复液 试件 ， l 2组加入修复液 。成型好 的未加修复液组试 件在养护室 中养护 7 d ， 作抗 折强度试验 ， 得 出平均 值 ； 然后将其 中 6组试件进行预压( 剩余 6组未预 压) ， 预压荷载为平均抗折强度值 的 7 0 ， 使试件 内 部微裂纹增加 ；最后所有未加修复液 的 1 2组试件 一 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 5期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 5期 全部养护 6 d ， 进行对 比试验。 含有修复液的 1 2组试 件与未加修复液组试件使用同样方法进行处理。 3 矿物掺合料对强度的影响 、 3 1 膨润土对抗折强度的影响 按照试验方案 ，测得加入膨润土砂浆试件 的 3 d 、 7 d抗折强度 ， 结果见图 1 。 8 7 善 6 s 妻4 3 2 O 2 4 6 8 l 0 膨润土掺量， 图 1 加入膨润土试件的抗折强度 由图 1 可 以看 出 ， 加入膨 润土后 ， 试件抗折强 度都有不同程度的提高。这主要是由于膨润土的膨 胀性减少了试件 的早期收缩裂纹 ， 对试件早期强度 有一定贡献 2 1 。加入 4 - 8 的膨润 土时 ， 砂浆试件 3 d抗折强度提高约 2 6 ， 掺量大于 7 后 ， 试件强度 有下降趋势 。从 7 d抗折强度看 ， 膨润土掺量为 6 时强度达到最大值。由于膨润土的存在吸收了大量 的水 ， 使水泥水化初期水化速度减慢 ， 因此 ， 3 d抗折 强度 比较稳定 ； 随着水化进行 ， 膨润土层间水逐渐 放出， 水泥水化继续进行， 氢氧化钙浓度增加， 各种 水化产物构成 了强度 ，因而 7 d抗折 强度变化比较 大 。在满足试件强度要求 的基础上 ， 膨润土的最佳 掺量为 6 。 3 2 硅粉对抗折强度的影响 按照试验方案 ，测得加入硅 粉后砂浆试件 的 7 d 、 2 8 d抗折强度 ， 结果见图 2 。 l 1 1 0 藿9 釜s 爨7 6 5 O 2 4 6 8 硅粉掺量， 图 2 掺有硅粉试 件的抗折 强度 由图 2可以看到， 加入硅粉后试件抗折强度均 有提高， 7 d 抗折强度提高 5 - 2 9 不等， 掺量为5 时对强度贡献较大 ， 7 d抗折强度提高 2 6 。2 8 d抗 折强度呈逐渐上升趋势 ， 强度可提高 3 0 - 4 8 。当 硅粉掺量大于 7 时 ， 强度变化趋于稳定 。加入硅粉 后试件强度得到了提高 ， 主要是由于硅粉在混凝土 一 2 2一 中能很好地填充水泥颗粒之间的空隙 ， 使浆体更加 致密网 。另外 ， 硅粉与游离的 C a ( O H) z 反应 ， 可形成 稳定的硅酸钙水化物。该水化物凝胶 的强度要高于 C a ( O H) ： 晶体。 早期水泥水化不完全 ， 硅粉与水泥反 应也不完全 ， 导致试件早期强度提高较小 。当硅粉 掺量为 5 时， 强度达到最高。后期 由于水泥水化完 全 ， 硅粉 与水泥反应形成了致密的网状结构 ， 强度 得到了很大的提高 。随着硅粉掺量增加 ， 强度也逐 渐增强， 掺量 3 - 7 时强度增 幅比较大 ， 随后强度 变化不大。根据 7 d与 2 8 d抗折强度综合考虑， 硅粉 的最佳掺量为 5 。 3 - 3 生石灰对抗折强度的影响 按照试验方案 ，测得加人生石灰砂浆试件 的 7 d 、 2 8 d抗折强度 ， 结果见 图 3 。 罨 嚼 辖 O l 2 3 4 生石灰掺量， 图3 掺有生石灰试件的抗折强度 、由图 3可以看出， 生石灰对砂浆早期强度有很 大的贡献 ， 掺量为 1 - 3 时 ， 试件强度都有提高 ； 掺 量为 4 时 ， 强度与空白对 比实验结果相当。因此 ， 混凝土 中生石灰的掺量不能大于 4 。图 3中还显 示 ， 加入生石灰后 ， 试件 2 8 d的抗折强度 比空 白试 件强度低。特别是生石灰掺量为 1 时强度降低很 大。综合分析 ， 生石灰加快 了水泥水化 ， 使试件早期 强度的形成加快 ， 水泥水化的同时 ， 生石灰与硅粉、 膨润土发生反应 ， 使试件 的结构更加致密 。但过 多 的生石灰会产生过多的水化热 ， 使试件内部裂纹增 多 ， 特别是对后期的强度影响很大。综合考虑 ， 生石 灰掺量为 2 较为合理。 4 强 度恢 复能 力试验 结果分 析 强度恢复率计算公式如下 ： ：p , - ( e ,- e _ , ) -o一3 P , 1 0 0 l 式 中， 为强度恢复率 ； P J 为 7 d抗折强度 的平 均值； 尸 2 为未预压试件养护 6 d后的抗折强度平均 值 ； 只为预压试件养护 6 d后的抗折强度平均值。 4 1 修复液对添加膨润土与硅粉试件强度恢复率 的影响 先前试验测试结果表明 ， 加入膨润土 、 硅粉 ， 未 5 D 5 5 0 5 n n m m & 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李军 ， 常莉 混凝土强度恢复能力试验研究 加修复液时试件 的 7 d抗折强度 P 。 为 9 0 M P a ， 而含 有修复液的试件抗折强度 P 。 只有 3 8 MP a ，其原因 主要是 由于 固化剂使用 了十二烷基苯磺酸钠进行 处理 ， 而表面活性剂有起泡作用 ， 导致含有修 复液 的试件 内部空隙较多 ， 强度下降较多。按先前试验 方案 ，预压过 的试件与未预压试件在养护室养 护 6 d ， 其 中包括水养护 3 d 、 常温养护 3 d 。养护好后对 试件进行抗折试验， 观察恢复能力。 表 1为添加膨润土与硅粉 的试件( 未加修 复液 及加入修复液时) 强度恢复率试验数据 。由表 1 可 知 ， 未加修复液的试件强度恢复率为 6 6 7 ， 含有修 复液的试件强度恢复率为 7 2 6 。 表 1 添加膨 润土 与硅 粉的试件 强度 恢复 率试 验数 据 未加 修复液试件 的强度恢复 主要是 由于水泥 水化作用。养护前期( 7 d ) ， 水泥水化不完全 ， 在后期 养护中水泥继续水化 。由于在试件 中加入 了膨润 土与硅粉 ， 在后期养护 中膨润土与硅粉参与 了水化 反应 。其中 ， 二氧化硅可与 C a ( O H) 反应生成水性 硅酸钙 ， 膨润土与 C a ( O H) ： 反应 ， 发生离子交换 ， 钙 离子会置换膨润土 中的钠离子 ， 游离的钠离子会与 一 部分 S i O z 生成水玻璃 ，水玻璃有一定的粘结性 ， 硅酸钙与水玻璃可以填补一些微裂纹 ， 对强度恢复 有一定的促进作用 。含有修复液的试件强度恢复率 高于未加修复液的试件 ， 其强度恢复除了水泥水化 与矿物质 的反应外 ， 还有修复液的粘结作用嘲 。 4 2 修复液对添加膨润土 、 硅粉与生石灰试件强度 恢复率 的影响 加入膨润土 、 硅粉与生石灰的试验 中， 对于含 修复液 的试件 ，固化剂使 用无水乙醇进行稀释处 理 ， 没有表面活性剂 ， 试件空隙率减少 ， 强度得到 了 一 定提高。试验数据显示 ， 未加修复液的试件 7 d抗 折强度 P 为 8 2 MP a ， 含有修复液的试件 7 d抗折强 度 P 。 为 5 6 MP a 。添加膨润土 、 硅粉与生石灰的试件 ( 未加修复液及加人修复液时)强度恢复能力 的试 验数据见表 2 。 由表 2可知 ， 未加修复液的试件强度 恢复率为 6 7 6 ，含有修复液的试件强度恢复率为 7 8 9 。其 中， 生石灰可提高水泥水化强度 ， 对裂纹 修复起到一定的积极作用 。 表 2 添加膨润土 、 硅粉 与生石灰 的试件 强度恢 复率试 验数据 5结论 ( 1 ) 加入膨润土 、 硅粉与生石灰 等矿物 ， 抗折强 度有所提高 ， 同时这些矿物质能修复一部分混凝土 裂纹， 使混凝土强度得到恢复。本文试验数据表 明， 矿物质使混凝土强度有 6 6 7 - 6 7 6 的恢复。 ( 2 ) 修复液在混凝土 中 占有一定空 间 ， 使混凝 土结构不够致密 ， 导致混凝土早期强度降低。当混 凝土中出现微裂纹时， 修复液被释放。被释放 的修 复液与矿物质共 同修 复微裂纹 ，使混凝土强度有 7 2 6 一 7 8 9 的恢复。 ( 3 ) 矿物质与修复液对混凝土裂纹均有修复能 力 ， 但含有修复液 的试件 ， 其强度恢复率 比只掺矿 物质的试件强度恢复率提高了 5 9 一 1 1 3 。 参考文 献： 1 】 罗素蓉 ， 刘承 超自修复 智能混 凝土 简支梁试 验研究 J 福州大学学报：自然科学 版， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 1 5 0 - 1 5 3 【 2 】 李元杰， 律微波， 孟 宪铎 微 胶囊 自修复 聚合 物材料 的研 究进展 J 工程塑料 应用 ， 2 o o 5 ( 1 ) ： 6 8 - 7 0 【 3 】 欧进萍， 匡亚川 内置胶囊混凝 土的裂缝 自愈 合行为分析 和试验 J 固体力学学报， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 3 2 0 - 3 2 2 f 4 】 匡亚川 I ， 欧进萍 混凝 土裂缝 的仿 生 自修 复研究 与进 展 J 力学进展， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 4 0 6 - 4 0 8 【 5 】 赵斌 元， 胡克 鳌， 吴人 洁 复合 材料 与环境 的关 系及具有 环境意识的复合材料 J 】 材料导报， 1 9 9 7 ( 5 ) ： 6 2 - 6 6 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 2 2 1 作者 简介 ： 李军 ( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 讲师 。 通讯 地址 ： 开封市 ， 开封大学 土木建筑工程学院 联系电话 _ I 3 9 3 8 6 0 2 7 1 3 E ma i l ： L 1 9 7 9 3 9 41 6 3 c o m 一 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m