氯化钠溶液环境下混凝土的自愈合性能.pdf

2 0 1 6年 第 1期 (总 第 3 1 5 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 6( T o t a l N o 3 1 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORET1 CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 6 0 1 0 1 9 氯化钠溶液环境下混凝土的 自愈合性能 刘素瑞 ， 杨久俊 ，王战忠 ， 张磊 ，荣辉 ( 1 天津城建大学 材料科学与工程学院， 天津 3 0 0 3 8 4； 2 中铁十八局集团第四工程有限公司， 天津 3 0 0 2 2 2 ； 3 天津市软土特性与工程环境重点实验室， 天津 3 0 0 3 8 4 ； 4 天津市建筑垃圾与燃煤废弃物利用技术工程中心， 天津 3 0 0 3 8 4 ) 摘要 ： 通过分析混凝土裂缝愈合前后的力学性能 、 裂缝宽度、 物相组成和组织结构， 研究了不 同浓度 N a C 1 溶液( 0 、 2 、 4 、 6 ) 环境下混凝土裂缝的自愈合性能。 结果表明 ： N a C 1 溶液对混凝土裂缝的 自愈合效果明显优于水 ； 不 同浓度 N a C 1 溶液环境 下， 混凝土的强度、 波速均随龄期延长逐渐增大 ， 且增长速率前期较大， 然后 随龄期的延长趋于平缓 ； 6 N a C 1 溶液环境下， 混凝土 强度恢复效果最明显， 3 5 d时完全恢复， 6 0 d时强度恢复率增至 1 0 8 3 。 2 N a C 1 溶液环境下 ， 混凝土强度 6 0 d时接近完全恢 复， 强度恢复率为 9 6 2 。 4 N a C 1 溶液环境下， 混凝土强度恢复效果处于两者之间； 随 N a C 1 溶液浓度的增大 ， 裂缝中 C S H凝 胶、 钙矾石 、 F盐等水化产物逐渐增多 ， 体积增大， 三者通过填充作用和胶结作用， 使裂缝逐渐愈合。 关键词 ： 氯化钠溶液 ； 混凝土； 裂缝；自愈合 ； 强度 ； 裂缝宽度 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) O 卜0 0 7 9 0 5 Se l f h e a l i n g c a p a c it y o f c on c r e t e i n t h e s o d i u m c h l or i d e s o l u t i o n e n v i r on me n t UU S u r u i ， Y A N G J i u j u n 1 ,3 , 4 ， WA NG Z h a n z h o n g ， Z H AN G L e i 1 , 3 ,4 ， R O NG Hu i ( 1 C o l l e g e o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， T i a n j i n C h e n g j i a n U n i v e r s i t y ， T i anj i n 3 0 0 3 8 4 ， C h i n a ； 2 C hi n a R a i l w a y 1 8 th Bu r e a u Gr o u p t h e 4 th E n g i n e e ri n g Co mp any L i mi t e d， T i a n j i n 3 0 0 2 2 2， C h i n a ； 3 K e y La b o r a t o r y o f S o f t S o i l E n g i n e e r i n g C h a r a c t e r a n d E n g i n e e ri n g E n v i r o n me n t o f T i a n j i n ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a ； 4 E n g i n e e ri n g R e s e a r c h C e n tr e o f C o n s t r u c ti o n Wa s t e a n d C o a l Wa s t e R e c y c l e T e c h n o l o g y o f T i a n j i n ， T i a n j i n 3 0 0 3 8 4 ， C hi n a ) Ab s t r a c t ： Co n c r e t e s e l f h e a l i n g p e r f o r manc e u n d e r d i f f e r e n t c o n c e n tr a ti o n o f s o s i u m c h l o ri d e s o l u ti o n ( 0， 2 ， 4 ， 6 ) o n c o n c r e t e s e l f h e a ti n g c a p a c i ty we r e s t u d i e d b y a n al y z i s i n g me c h a n i c a l p r o p e r t y ， c r a c k wi d th， p h a s e c o mp o s i t i o n and mi c r o s t r u c t u r e b e f o r e and a ft e r the r e p alr me n t o f c o n c r e t e c r a c k T h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s i n dic a t e tha t the s e l fh e a l i n g c a p a c i ty o f c o n c r e t e c u r i n g i n s o d i u m c h l orid e s o l u tio n i s mu c h be t t e r than tha t o f c o nc r e t e c u r i n g in wa t e r I n a c e rta i n r an g e o f c u r i n g a g e， the e arl y ris ing r a t e o f s t r e n g th a n d u l t r a s o n i c v e l o c i ty o f c o n c r e t e s a mp l e i s h i g h， a l o n g wi th the p r o l o n g a ti o n o f c u r i n g a g e ， the ris i n g r a t e o f s t r e n g t h and u l t r a s o n i c v e l o c i ty l e v e l l e d o ff Co n c r e t e c u r i n g i n the 6 s o d i u m c h l o r i d e s o l u ti o n s h o we d the b e s t s e l f h e a l i n g p e rfo r ma n c e a n d i t s c o mp r e s s i v e s tre n g t h r e c o v e r e d c o mp l e t e l y i n the c ur i n g a g e o f3 5 d and the s t r e n g th r e s t o r a tio n r a ti o i s 1 0 8 3 i n the c u rin g a g e o f60 d T he 4 s o d i u m c h l o ri d e s o l u ti o n s h o w a mid d l e s e l f h e al i n g p e r f o rm anc e The a m o u n t and s i z e o f h y d r a ti o n p r o d u c t s ， s u c h a s e t t r i n g i t e 、 C S H g e l and Fr e i d e s a l t i n c r e a s e d wi t h the i n c r e a s e o f s od i u m c h l o rid e s o l u tio n c o n c e n tra tio n Th e s e h y d r a t i o n p r o d u c t s ma d e the c r a c k h e a l e d g r a d u l l y t h r ou g h f i l l i n g a c tio n an d c e m e n t a t i o n a c t i o n Key wor ds： s o dium c h l o rid e s o l uti o n； c o nc r e t e； c r a c k s； s e l fh e ali n g； s tre n gth； c r a c k wi d t h 0 引 言 在我 国有相当一部分混凝土结构处于氯盐 环境 中， 如 东南沿海岸 、 内陆甘肃青海等 盐湖地 区的混凝 土工程 等 ， 混凝土结构 在此类 环境 中遭 受 C 1 一 侵蚀 极 为严重 。 通 常 ， c 1 一 是 以扩散 、 渗透 、 吸附、 毛细管作用或其组合方式侵 入混凝土 一 z ， 并对 混凝土造 成侵蚀 ， 从 而导致混凝 土结 构开裂破坏 。 国内铁道科学研究所 的研究人 员 认为 ： 氯 盐是一把“ 双刃剑 ” ， 当 c 1 一 含量较低时 ， c l 一 对水泥石 的水 化具有促进作用， 而含量过高时， 就会使混凝土结构发生 各种腐蚀和溃坏的现象。 叶东忠 发现掺入适量 N a C 1 可 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 3 0 1 基 金 项 目 ： 国家 自然科 学基 金资助( 5 1 3 7 2 1 6 3 ) 以不 同程度地提高粉煤灰水泥 的水化程度与抗压强度 。 王 复生等 “ 研究了 N a C 1 对 普通硅酸盐 水泥和矿渣水 泥 的影响 ， 研究结果发现 ： 将少量 N a C 1 掺入普通硅酸盐水泥 中， 可 以产生 明显 的早强作 用 ， 掺 量过 多时 ， 强 度有所 下 降。 将 0 5 4 的 N a C 1 掺人矿渣粉配制的硅酸盐混合水 泥中， 当掺量低于 l 时 ， 水泥石早期强 度显著提 高 ， 具 有 明显 的活性激发和早强作用 。 目前有关氯盐对混凝土性能 影响方面的研究主要集中在氯盐对混凝土腐蚀破坏方面， 而有关氯盐环境下混凝土 自愈合性 能方面 的研究 尚没 有 相关报道 。 尽管混凝土裂缝具有 自我愈合的能力 ， 但仅靠 79 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 其 自身条件使裂缝愈合还不能达到现代混凝 土应 用技术 的指标， 因此需要创造各种有利于 昆 凝土裂缝 自愈合的激 励条件， 使 昆 凝土能够主动、 自主的对损伤部位进行修复， 恢复并提高混凝土结构的性能。 针对上述 问题 ， 本试验通 过分析混凝土裂缝 愈合 前后的力学性能 、 裂缝宽度 、 物相 组成和组织结构 ， 研究 了不 同浓度 N a C 1 溶 液 ( 0 、 2 、 4 、 6 ) 环境下混凝土裂缝的 自愈合性能。 1 试验 1 1 材料 试验采 用的水泥为 P O 4 2 5 R级水泥 ， 化学成分如 表 1 所示 ； 砂为普通河砂 ， 表观密度为 2 6 3 5 k g m ， 含泥量 为 0 7 ， 细度模数 为 3 0 ； 碎石粒径 为 5 2 5 mm， 针片状 5 6 ； 拌和水为 自来水 ； 氯化钠为分析纯无水氯化钠 。 表 1 水泥化学成分 1 2试样制备 按表 2所示 混凝土 配合 比制备 混凝土试 样 ， 尺寸 为 1 0 0 m m1 0 0 m m X 1 0 0 m n l 。 将成型好 的试样置入标准养 护室 ( 温度( 2 01 ) ， 湿度为 9 6 ) 养护 2 8 d ， 然后 测其 抗压强度及波速 ， 并预制裂缝 ， 同时测其预制裂缝后 残余 抗压强度及波速( 如表 3 ) 。 预制裂缝 的方法为 ： 将试 样置 于 T Y E一 2 0 0 0 B型液压 机压力 台， 使其 侧面受压 ， 以 2 3 k N s 的速率缓慢匀速加载 ， 直至液压 机指针停止 ， 迅速 卸载 ， 以保证试样完整 ， 此时试样会 出现表面裂 纹、 内部裂 纹等损伤 ， 此时的载荷强度 即为试样的抗压强度 。 表 2混凝土配合比 k g m 表 3 混凝土标准浸泡2 8 d时预制裂缝前后的波速、 强度 1 3 测试与表征 将预制裂缝的试样置入 不同浓度 N a C 1 溶 液 ( 0 、 2 、 4 、 6 ) 中， 浸泡一 定龄期 ( 7 、 1 4 、 2 8 、 6 0 d ) 后 ， 分 别利用 T Y E一2 0 0 0 B型液 压 机 、 T I C O型 超声 波 检测 仪 、 G T J F K Y型裂缝宽度测宽仪对 昆 凝 土的抗压强度、 通过混凝土 的超声波波速 、 混 凝土愈合前后裂缝 的宽度进行测定 ， 然 后采用 P r m u s I I 型 x射线衍射仪和 Q u a n t a 一 2 0 0 F E G型场 发射扫描电镜分析裂缝处愈合产物 的矿 物成分 及裂缝 断 面的微观结构 。 利用强度恢复率 6 和裂缝宽度愈合率 来 表征混凝土在不同浓度 N a C 1 溶液环境下 的 自愈合能力 。 其中强度恢 复率 6的计算式为： 6 =( 一 L) ( ， 2 一 ， c ) 1 0 0 ( 1 ) 式中 ： 厂 2 R 标准浸泡 2 8 d时预制裂缝前的强度 ； 标准浸泡2 8 d 时预制裂缝后的残余强度； 预制裂缝后 在 N a C 1 溶液 中浸泡 n天 时的强 度 。 裂缝宽度愈合率 的计算式为 ： = ( Z 一f ， ) l 1 0 0 ( 2 ) 式中： Z 试样预制裂缝后的裂缝宽度 ； f ， 试样在 N a C 1 溶液 中浸泡 6 0 d时的裂缝宽度 。 8 0 2结果与讨论 2 1 力学性能 图 1 为 不同浓度 N a C 1 溶液环 境下混凝 土力学性 能 ( 抗压强度 和波速 ) 随龄期 的变化 曲线 。 图 中虚线是 试样 标准养护至 2 8 d预制裂缝之前 的强 度或波速。 图 2为不 同浓度 N a C 1 溶液环境下混凝土强度恢复率与龄期的关 系。 呈 商 养护龄 期 d fb ) 超声波波速 图 1 不同浓度 N a C I 溶液环境下混凝土力学性能与龄期的关系 1 2 。 1 0 0 基 8 0 o 嘎 4 。 20 7 1 4 21 2 8 3 5 4 2 4 9 5 6 6 3 养护龄 期 d 图2不同浓度 N a C I 溶液环境下混凝土强度恢复率与龄期的关系 ( 1 ) 随龄期 的延长和 N a C 1 溶液浓度的增大 ， 混凝土的 强度 、 波速的变化表现出良好 的一致性 ， 且 N a C 1 溶液环境 下混凝土裂缝的 自愈合效果明显优于水环境下的混凝土 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 大学学报( 自然乖 斗 学版) ， 2 O l O ， 3 8 ( 3 ) ： 4 3 7 4 4 1 1 0 3 王复生， 朱元娜， 孙胜泉 N a C l 对普通硅酸盐水泥的早强作用 和结合方式的试验研究 c 全国特种 混凝土技术及工程应 用学术交流会， 2 0 0 8 ： 1 7 5 1 8 0 E l 1 王复生， 朱元娜， 马金龙， 等 N a C 1 对掺磨细矿渣粉硅酸盐水泥 基材料活J性激发能力和结合方式影响的试验研究E J 硅酸盐 通报 ， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 4 ) ： 7 8 4 7 9 1 - 1 2 柴鹏 混凝土裂缝自愈合影响因素研究 D 武汉： 长江科学 院 ， 2 0 0 8 1 3 S T E F A N J ， J A C Q U E SM， H U G U E SH S E M o b s e r v a ti o n s o f t h e m i c r o s t r u c tu r e o f f r o s t d e t e ri o r a t e d a n d s e l f h e al e d c o n c r e t e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 8 ) ： 1 7 8 1 1 7 9 0 L 1 4 3 L I U X i a o y a n ， Y A O Wu ， Z H E N G X i a o f a n g ， e t a 1 E x p e r i m e n t a l s t u d y o n s e l f h e a l i n g p e r f o r m anc e o f c o n c r e t e J J o u rna l o f B u i l d i n g Ma t e ri a l ， 2 0 0 5 ， 8 ( 2 ) ： 1 8 4 1 8 8 1 5 R E I N H A R D T H W， J O O S S M P e r m e a b i l i ty a n d s e l f h e a l i n g o f c r a c k e d c o n c r e te a s a f u n c ti o n o f t e m p e r a t u r e a n d c r a c k w i d th J C e m e n t and C o n c r e t e R e s e ar c h ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 4 ) ： 9 8 1 9 8 5 1 6 3 G R A N G E R S A， L O U K I L I M， e t a1 E x p e ri m e n t a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f s e l f -h e a l i n g o f c r a c k s i n a n ul t r a h i g h pe r f o r ma n c e c e me n t i t i o us ma t e ria l s ： me c h a n i c a l t e s t s a n d a c o u s tic e mi s s i o n an a l y s i s E J C e m e n t and C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 0 7 ( 3 7 ) ： 5 1 9 5 2 7 1 7 E d v ard s e n C Wa m r p e r m e a b i l i t y and a u t o g e n o u s h e a l i n g o f c r a c k s i n c o n c r e te J A C I Ma t e r i a l s J o u r n al， 1 9 9 9 ， 9 6( 4 ) ： 4 484 5 5 1 8 J A c B O N s E N s S e l f h e al i n g o f h i g h s e n g h t h c o n c r e t e a f r e r d e 一 上接第 7 8页 应生成 F r i e d e l 盐 的过程 中， 需要消耗 C a ( O H) ， 也有更多 的氯离子参 与了生成 F r i e d e l 盐 的过程。 E 钙矾石；F 一 水化氯铝酸钙 ；G 一 石膏；P 一 氢氧化钙 5 6 7 8 9 1 0 l 1 1 2 1 3 1 4 1 5 l 6 1 7 l 8 1 9 2 0 2 0 ) 3 结 语 图6 不 同工况样品 X R D图谱 ( 1 ) 杂散电流 的存在 ， 一方面使得氯离 子的迁移机制 由般条件下的扩散过程为主转变成电迁移作用为主， 侵 入混凝土 中的氯离子含量大 幅提 升 ， 且 电流强度 越大 ， 累 计侵入的氯离子越多。 另一方面使得同一深度处氯离子含 量距离电场中心线方向越近， 电场强度越强， 氯离子含量 越高 。 ( 2 ) 杂散电流能够降低混凝土水化产物结合氯离子的 能力 ， 影响水泥材料对氯 离子形成 的物 理吸附作用 ， 释 放 结合氯离子 ， 提高孔 隙液 中自由氯离子含量 的能力 。 t e r i o r a t i o n b y f r e e z e th a w U 3 C e me n t and C o n c r e t e R e s e arc h ， 1 9 9 6 ， 2 6 ( 1 ) ： 5 5 6 2 1 9 A L D E A C， s 0 N G w， P 0 P 0 V I c s J S ， e t a1 E x t e n t o f h e a l i n g o f c r a c k e d n o r mal s tr e n g th c o n c r e t e I J 1 J o u r n a l o f Ma ter i a l s I n C i v i l E n g i n e e ri n g 2 0 0 0 ( 2 ) ： 9 2 9 6 I 2 0 l GL UKH0VS KY V D S l a ga l k a l i c o n c r e t e s p r o d u c e d fr o m fi n e g r a i n e d a g g r e g a t e M V i s h c h a S h k o l a y ， K i e v ， 1 9 8 1 J 2 1 J RAVI KI 7 MAR D。 P E E T HA MP A RAN S NE I THA LA T H N S t r u c t u r e a n d s e n g t h o f Na OH a c tiv a t e d c o n c r e t e s c o n t a i n i n g fly a s h o r G GBF S a s the s o l e b i n d e r l J 1 C e me n t a n d Co n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 6 ) ： 3 9 9 4 1 0 r 2 2 R OY D M Al k a l i a c ti v a t e d c e me n t s ： o p p o r t u n i t i e s and c h a n l l e n g e s J C e m C o n c r R e s ， 1 9 9 9 ( 2 9 ) ： 2 4 9 2 5 4 【 2 3】 P A L 0 M0 A， G R U T z E c K M w ， B L A N c O M T A lk a l i a c t i v a t e d fl y a s h e s ： A c e me n t f o r f u t a r e J J J C e m C o n c r R e s ， 1 9 9 9 ( 2 9) ： 1 3 2 31 3 2 9 I 2 4 J s A K u L I C H A R， A N D E R S 0 N E， s c H A R U E R c Me c h a n i c a l a n d mi c r os t r uc t u r a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f a n a lkali a c tiv a t e d s l a g l i me s t o n e fi n e a g g r e g a t e c o n c r e t e J C o n s t r u c ti o n a n d B u i l d i n g Ma t e d al s 。 2 o 0 9 ， 2 3 ( 8 ) ： 2 9 5 1 2 9 6 7 第一作者： 联系地址： 联系电话 ： 刘素瑞( 1 9 8 8 一) ， 女， 硕士研究生 ， 研究方向为高性能 水泥基材料。 天津市西青区津静公路 2 6 号 天津城建大学( 3 0 0 3 8 4 ) 0 2 2 2 3 0 8 5 2 3 9 参考文献： 1 周萍， 周乃君 ， 蒋爱华 ， 等 传递过程原理及其数值仿真 M 长 沙 ： 中南大学出版社 ， 2 0 0 6 2 - 1 B A S S E T T D C D e v e l o p me n t i n c r y s t a ll i n e p o l y me r s M- L o n d o n： Ap p l i e d S c i e n c e Pu b l i s he r s， 1 9 8 2 3 3朱瑶宏， 邹玉生 杂散电流对氯离子在混凝土内部迁移过程的 影响 J 武汉理工大学学报， 2 0 1 2 ， 3 4 ( 7 ) ： 3 2 3 6 4 3耿健， 丁庆军， 等 杂散电流影响下氯离子向混凝土内部的传 输特征 J 建筑材料学报， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 2 ) ： 1 2 1 1 2 4 5 胡曙光， 耿健， 丁庆军 杂散电流干扰下掺矿物掺合料水泥石 固化氯离子的特点 J 华 中科技大学 学报 ( 自然科学版 ) ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 3 ) ： 3 2 3 4 1- 6 马昆林， 谢友均， 刘灿， 等混凝土固化氯离子影响因素的研究 J - 1 混凝土 ， 2 0 0 4 ( 6 ) ： 2 0 2 1 7 1 T R I T T H AR J C h l o ri d e b i n di n g i n c e m e n t I I n v e s ti g a t i o n s t o d e te rmi n e the c o m p o s i t i o n o f p o r e w a t e r i n h a r d e n e d c e m e n t J C e me n t and C o n c r e t e R e s e arc h ， 1 9 8 9 ， 1 9 ( 1 2 ) ： 5 8 6 5 9 4 8 3 T R I T T H A R T J C h l o ri d e b i n d i n g i n c e m e n t I I T h e i n fl u e n c e o f the h yd r o xi d e c o n c e n tra tio n i n the p o r e s o l u t i o n o f h arde n e d c e me n t o n c h l o ri d e b i n d i n g J C e me n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 9 ， 1 9 ( 1 2 ) ： 6 8 3 6 9 1 9 3吴立朋 表层混凝土氯离子扩散性能及其测试方法研究 D 北京 ： 清华大学 ， 2 0 1 1 第一作者 联 系地址 联系电话 张雪勤( 1 9 8 9一) ， 女 ， 硕士研究生， 从事混凝土材料耐 久性研究。 南京工业大学江浦校区南京市浦珠南路 3 0号 8 0 2 0信 箱 3 2分箱( 2 1 1 8 1 6 ) 1 8 7 61 6 8 5 7 5 3 8 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m