内掺CCCW混凝土抗压强度和自修复性能研究.pdf

June2023年6 月Shanxi Science&Technology of TransportationNo.3第3期（总第2 8 2 期）山西交通科技内掺CCCW混凝土抗压强度和自修复性能研究郭赢赢（山西省交通科技研发有限公司，山西太原030032)摘要：为了研究自制水泥基渗透结晶防水材料（CCCW）对混凝土抗压强度、自修复性能的影响，制备了基准混凝土、CCCW掺量0.6%、0.8%、1.0%、1.2%的混凝土试件，通过抗压强度试验研究了不同掺量下自制CCCW对混凝土的抗压强度影响规律，通过抗压强度恢复率、抗渗恢复率研究了自制CCCW掺量为1%时对混凝土自修复性能的影响。结果显示：随着CCCW掺量的增加，混凝土的抗压强度不断增强，掺量达到1%后，强度增强效果趋于稳定；水泥混凝土自身具有一定的自修复能力，CCCW的加入可以明显改善混凝土自修复效果，且受损状态对后期强度恢复影响较大，受损越严重恢复率越低。关键词：水泥基渗透结晶防水材料；抗压强度；抗渗；自修复中图分类号：U414.18文献标识码：A文章编号：10 0 6-352 8(2 0 2 3)0 3-0 0 37-0 3Research on Compressive Strength and Self-repairing Properties ofConcrete with CCCWGUO Yingying(Shanxi Transportation Technology Research&Development Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030032,China)Abstract:To study the influences of the self-made cementitious capillary crystalline waterproof material(CCCW)on the compressive strength and self-repairing properties of the concrete,this paper preparedconcrete specimens with CCCW content of 0%,0.6%,0.8%,1.0%,and 1.2%.The influencing law ofdifferent contents of self-made CCCW on the compressive strength was studied by the compressive strengthtest,and the influence of 1%CCCW on the self-repairing properties of the concrete was studied by thecompressive strength recovery rate and impermeability recovery rate.The results showed that with theincrease of the CCCW content,the compressive strength of the concrete was continuously improved,andsince the CCCW content reached 1%,the improvement effect tended to be stable.The cement concrete hada certain self-repairing ability,however,adding CCCW could significantly improve the self-repairing effect.The damage situation had a great influence on the later strength recovery,and the more serious the damage,the lower the recovery rate.Key words:cementitious capillary crystalline waterproof material;compressive strength;impermeability;self-repairing0引言水泥混凝土材料在结构工程领域发挥着重要作用，随着技术发展和性能提升，其应用领域越来越广泛。作为一种水硬性材料，加上其收缩大、抗拉强度低、韧性差的特点，水泥混凝土材料在服役过程中不可避免地会产生裂纹。这一现象，在降低混凝土力学性能的同时也为外部有害介质尤其是水的侵人提供了通道。水的侵人，后续会引发诸如钢筋锈蚀、冻融破坏、碳腐蚀、碱石料反应等一系列问题，最终造成混凝土结构破坏，不仅影响其耐久性，同时给结构安全带来巨大威胁-5。为此，如何防止外来水分的入侵，一直是混收稿日期：2 0 2 2-10-31；修回日期：2 0 2 3-0 1-11作者简介：郭赢赢（19 8 8 一），男，山西临汾人，工程师，大学本科，2 0 14 年毕业于大连理工大学高分子材料与工程专业。基金项目：山西交科集团创新发展计划项目一新型水泥基渗透结晶型防水材料在公路工程中应用研究（2 0-JKCF-36）382023年第3期山西交通科技凝土研究者面临的重要课题。混凝土防水的传统做法主要有：提升混凝土的密实性；表层做防水保护。这两种方式都有其局限性，无论如何提高混凝土的密实性，内部空隙是无法完全消除的；表层做防水处置，治标不治本，随着表层防水措施的失效，需要不断地重复操作。裂纹是外来水侵人混凝土的前提，且混凝土早期的裂纹较小，如果能在混凝土最初出现微裂纹时，及时封堵修复，就能阻断裂缝的发展，达到自愈防渗的效果。水泥基渗透结晶防水材料就是在这样的背景下研发出来的。水泥基渗透结晶防水材料（以下简称CCCW），是由硅酸盐水泥、其他外加剂配制而成的粉料。在水的作用下,CCCW中的活性组分会和混凝土中的Ca2+等发生反应生成络合物，当遇到硅酸根、铝酸根时，络合物将会释放出Ca+与其生成针状结晶物封堵孔隙和裂缝，同时活性组分又可以参与到新一轮的络合沉淀反应中去，当无水的时候，活性组分处于休眠状态，一旦有水进入，活性材料立刻被激活，通过络合沉淀反应完成渗透结晶。因此，CCCW能有效封堵早期孔隙和裂纹，并且具有永久的防水效果6 CCCW同水泥混凝土具有很好的适应性，且具有永久的防水效果，激起了广大研究者的研究热情。姚嘉诚 等研究了CCCW与纳米二氧化硅（NS）对混凝土自修复性能的影响，结果表明，CCCW和NS能显著改善水泥混凝土的自修复性能。李冰3 等研究了不同水胶比、不同养护时间、不同养护条件下内掺CCCW混凝土裂缝愈合性能，结果显示水胶比对混凝土自愈性能有较大影响，标准养护有利于混凝土的自愈合，随着养护时间延长混凝土自愈性能逐渐趋于稳定。逢锦伟4 1通过预留裂缝混凝土抗压强度试验及混凝土抗渗压力试验对掺加CCCW混凝土自愈合行为进行了研究，结果显示CCCW能明显提升预留裂缝混凝土抗压强度和抗渗性能。研究者们针对CCCW开展了大量研究工作，却鲜有将抗压强度恢复率和渗透恢复率结合起来研究混凝土自修复行为的报道，且现有的研究大多都是利用进口材料在做探索性研究，对CCCW进行自主研发的则很少。本文是在自主研发的材料基础上，通过抗压强度恢复率和抗渗恢复率对其自愈合及防渗性能进行考察。1试验1.1原材料a）水泥P.042.5普通硅酸盐水泥，山西万荣神力水泥厂b)渗透结晶型防水材料自制。c）水自来水。d）砂河砂，细度模数为2.7。e）碎石压碎值9.6，5 2 0 mm的连续级配，山西喜悦发石料厂。f)减水剂聚羧酸高效减水剂，江苏苏博特新材料股份有限公司1.2配合比表1给出了混凝土配合比C40，砂率为35.6%，水胶比为0.4 5。表1配合比单位:kg/m编号水泥水砂石子减水剂CCCWJ;JZ1;JZ2;JZ3;JZ-K370.0166.5725.01311.43.30A367.8166.5725.01311.43.32.2B367.0166.5725.01311.43.33.0C;NC1;NC2;NC3;NC-K366.3166.5725.01311.43.33.7D365.6166.5725.01311.43.34.41.3试验方案该方案中抗压强度试验所用试件均选用10 0 mmx100mm100mm立方体试块，每组成型3个试件；抗渗试验用试件均采用顶面直径为17 5mm，底面直径为185mm，高度为150 mm的圆台试件，每组成型6 个试件。CCCW掺量指等质量替代水泥，配合比参照表1。1.3.1抗压强度试验参照混凝土物理力学性能试验方法标准（CB/T50081一2 0 19）相关规定进行抗压试件的制备、养护、测试。制备基准混凝土试件、掺加CCCW0.6%、0.8%、1.0%、1.2%的混凝土试件各一组，编号分别为J、A、B、C、D，成型1d后拆模，随后将试件置于标准养护室养护至2 8 d，测试极限抗压强度。1.3.2抗压强度恢复率试验制备基准混凝土试件3组（编号JZI、JZ 2、JZ 3）、掺加CCCW1.0%混凝土试件3组（编号NC1、NC 2、NC 3），成型1d后拆模，置于标准养护室养护至2 8 d；之后，对JZ1、NC 1进行极限抗压强度测试，对JZ2、NC 2 分别施加极限抗压强度8 0%的压力，对JZ3、NC 3分别施加极限抗压强度6 0%的压力；随后，将经过第一次受压的试件置于标准养护室继续养护2 8 d，进行极限抗压测试。前后两次抗压强度的比值，即抗压强度恢复率，其计算公式如式（1）：RK,=X100%(1)式中：K,为抗压强度恢复率；I为各自养护龄期恢复后抗压强度，MPa;l为标准养护2 8 d的抗压强度，MPa。1.3.3抗渗试验参照水泥基渗透结晶防水材料（CB18445一2012)相关规定进行抗渗试件的制备及测试。制备基准混凝土试件（编号JZ-K）、掺加CCCW1.0%混凝土39郭赢赢：内掺混凝土抗大强度和自修复性能研究2023年第3期试件（编号NC-K）各1组，成型1d后拆模，于2 0 水中浸水养护至2 8 d，进行第一次抗渗试验，之后带模标准养护2 8 d，进行第二次抗渗试验。前后两次抗渗压力的比值，即为抗渗恢复率，其计算公式如式（2）：PMPx100%(2)P2式中：M,为抗渗恢复率；P,为一次抗渗压力，MPa;P2为二次抗渗压力，MPa。2结果与讨论2.1抗压强度试验结果不同CCCW掺量混凝土抗压强度测试结果如图1，掺加CCCW混凝土试件2 8 d抗压强度均高于基准混凝土，且随着CCCW掺量的增加，混凝土试块抗压强度先增加后逐渐趋于稳定，当CCCW掺量为1%时，混凝土抗压强度增强效果最为理想。这主要是因为CCCW中含有的外加剂粒度较小，加入混凝土后，可以起到物理填充作用，减小混凝土内部空隙大小及孔隙率，从而增强混凝土的致密性，使其强度有所增强7 。同时该物理填充效应随着CCCW掺量的增加，逐渐达到饱和，所以会出现试验结果中抗压强度随着CCCW掺量增加不断增强，当CCCW增加到一定量时，混凝土抗压强度趋于稳定不再随CCCW掺量增加而增强。47.847.943.541.640.500.0060.0080.010.012CCCW掺量图1不同CCCW掺量混凝土试块抗压强度测试结果2.2抗压强度恢复率试验结果如图2 所示，基准混凝土试件JZ1（施加极限抗压强度）JZ2（预压8 0%极限抗压强度）、JZ3（预压6 0%极限抗压强度）二次抗压强度分别为33.5MPa、34.4 M P a、34.8MPa，抗压强度恢复率分别为8 2.1%、8 4.3%、85.2%；掺加1%CCCW的混凝土试件NC1（施加极限抗压强度）、NC2（预压8 0%极限抗压强度）、NC3（预压60%极限抗压强度）二次抗压强度分别为4 3.2 MPa、47.7MPa、52.4 M P a，抗压强度恢复率分别为9 0.5%、99.3%、10 9.2%。从试验结果可知，基准混凝土本身具有一定的自修复能力，加人CCCW使得混凝土的自修复能力得到明显改善。无论是基准混凝土还是掺加了CCCW的混凝土，受损状况对其自修复效果有很大影响。受损越严重，后期抗压强度恢复率越低。混凝土内部通常会存在一定量的未水化和水化不完全的水泥颗粒，当外来水分通过裂缝或空隙进人混凝土内部，此部分水泥颗粒将会进一步水化形成水泥石，从而填充封堵空隙和裂缝，达到自愈合的效果。掺加了CCCW后，混凝土的自愈合性能明显改善，一方面，CCCW本身会额外供给一定量Ca2+及水泥颗粒，使得混凝土自修复能力变强；另一方面，CCCW内部的活化成分可以催化混凝土内部的Ca2+同硅酸根离子、铝酸根离子等发生络合沉淀反应，生成针状晶体，从而封堵空隙和裂缝，而且该络合沉淀反应可以在较低浓度下进行8-10 。由于混凝土所受预压力不同，受损程度也不同。受压力越大，破损越严重，表现为裂缝长度、宽度及数量不同。无论是基准混凝土自身修复行为还是CCCW的渗透结晶修复行为，对混凝土产生的过长过宽裂缝的修复效果都有限。二次抗压强度一抗压强度恢复率6012050100408030602040102000JZ1JZ2JZ3NCINC2NC3样品编号图2CCCW掺量及不同程度预压处理对混凝土二次抗压强度及抗压强度恢复率影响2.3抗渗试验结果不同CCCW掺量混凝土抗渗试验结果如表2 所示。表2不同CCCW掺量混凝土抗渗试验结果编号一次抗渗压力/MPa二次抗渗压力/MPa抗渗恢复率%JZ-K0.60.466.6NC-K1.31.292.3结果显示，基准混凝土具有一定的抗渗恢复能力，抗渗恢复率为6 6.6%；掺加CCCW后，混凝土的抗渗性能明显提升，且自我修复能力也大为改善，一次抗渗压力是基准混凝土抗渗压力的2 倍，二次抗渗压力是基准混凝土抗渗压力的3倍，抗渗恢复率提升至9 2.3%。一次渗水试验后，混凝土内部的空隙因为水压力形成贯穿孔道，经过再次养护后，原本已出现渗水的混凝土会借助未完全水化的水泥颗粒进一步水化，添加CCCW的混凝土则借助未完全水化的水泥颗粒进一步水化以及CCCW渗透结晶的力量自动愈合，达到封堵防渗的效果，因此经过二次渗水试验，可以了解试件的自愈防渗情况，且该试验主要考察渗透结晶材料对混凝土内部空隙的封堵防渗效果3结论a）自制CCCW的加人可以明显提升混凝土的抗压强度，随着CCCW掺量的增加，混凝土抗压强度不断增强，掺量达1%之后抗压强度增强效果趋于稳定，建议最佳掺量为1%。（下转第4 4 页）上接第39 页442023年第3期山西交通科技起到增稠、阻尼、限位的作用，使基质沥青的自由流动更加困难，在宏观上表现为掺橡胶沥青的混合料感温性能降低，高温抗车辙性能大幅度提升。此外，从水稳定方面看，掺橡胶的基质沥青稠度明显增加，裹覆集料的沥青膜厚度增大，抗水损坏能力提升效果明显。与此同时，由于橡胶颗粒低温敏感性明显低于普通沥青、SBS改性沥青，所以，在低温性能方面也表现出橡胶沥青拌和的混合料最大弯拉应变大幅度提高3结论a）旧水泥路面采用抛丸及精铣刨工艺均可达到很好的凿毛效果，但精铣刨对薄层罩面的层间抗剪强度提升略占优势b)旧水泥路面薄层罩面选用层间黏结材料时，铣刨面构造深度在0.4 2 mm以上且较为均匀时，Novabond改性乳化沥青作为黏层为最佳选择；旧水泥路面构造深度控制不是非常精确时，橡胶沥青黏结性优且随构造深度降低衰减最小，选择橡胶沥青为最佳选择，其次为Novabond改性乳化沥青，再次为SBS改性沥青c)基于高温性能旧水泥路面薄层罩面沥青选择排序为：橡胶沥青 橡胶-SBS改性沥青 Novabinder改性沥青 SBS改性沥青d)橡胶粉改性的两种沥青混合料动稳定度均高于Novabinder改性沥青及SBS改性沥青拌和的混合料。b)基准混凝土具有一定的自修复能力，CCCW能使混凝土的自修复能力得到明显改善。混凝土受损状况对其自修复效果有很大影响，受损越严重，后期抗压强度恢复率越低c)CCCW的加人可以明显提升混凝土的抗渗性能参考文献：1 好姚嘉诚，延永东，徐鹏飞，等.水泥基渗透结晶型防水材料和纳米二氧化硅改性混凝土自修复性能的研究J.硅酸盐通报，2020,39(6):1772-1777.2 刘小艳，姚武，郑晓芳，等，混凝土损伤自愈合性能的试验研究J.建筑材料学报，2 0 0 5（2）：18 4-18 8.3 李冰，郭荣鑫，万夫雄，等，不同条件下内掺水泥基渗透结晶型防水材料混凝土自愈合性能研究J.硅酸盐通报，2 0 19，38(7):2208-2212.薄层罩面混合料性能排序为：橡胶沥青混合料 橡胶-SBS改性沥青混合料 Novabinder改性沥青混合料 SBS改性沥青混合料参考文献：I】李红.隧道水泥混凝土路面建造新技术J北京建筑工程学院学报,2 0 0 7(3):13-17.2付智，李红.隧道水泥混凝土路面施工技术J.公路交通科技（应用技术版）,2 0 11，7（4）：315-318.3陈华.水泥混凝土路面病害的防治与维修技术研究D.重庆：重庆交通大学，2 0 0 8.4 曹志远，张起森，郭忠印，等.旧水泥混凝土路面上沥青薄层罩面力学响应分析J.公路工程，2 0 10（4）：4 7-51.5虞将苗，陈富达，彭馨彦，等.高韧超薄沥青磨耗层在港珠澳大桥珠海人工岛通道上的应用J清华大学学报（自然科学版），2020,60(1):48-56.6祝斯月，秦先涛，姜艺，等.热拌超薄罩面Superpave-5抗滑性能影响因素分析J.材料科学与工程学报，2 0 18,36（4）：6 0 5-609,559.7音曾梦澜，彭良清，吴超凡，等.超薄磨耗层沥青混合料使用性能试验研究J.武汉理工大学学报，2 0 12,34（4）：2 7-31.8黄文元，陈李峰，潘炽光.橡胶沥青在水泥混凝土路面薄罩面工程中的应用J.公路，2 0 0 6（7）：2 2-2 6.9谭华，胡松山，刘斌清，等，基于流变学的复合改性橡胶沥青黏弹特性研究J.土木工程学报，2 0 17（1）：119-12 6.10】李运华，李珍，原华.基于Novachip超薄磨耗层的高速公路沥青路面养护技术应用研究J.公路工程，2 0 19，4 4（5）：156-16 1.4】逢锦伟.渗透结晶型混凝土裂缝自修复材料试验研究J.隧道建设,2 0 15（S2)：32-36.5傅杰，孙振平.水泥基渗透结晶型防水材料的种类及作用机理J.江西建材，2 0 2 0（S1)：4-5.6刘腾飞.水泥基渗透结晶型防水材料功能及组分作用分析D.北京：清华大学，2 0 11.7李广彦.水泥基渗透结晶型防水材料制备及其自修复性能D.广州：华南理工大学，2 0 18.8凌子枫，贺雄飞，侯世珺，等.水泥基渗透结晶型防水材料的性能及作用机理研究J.化工矿物与加工2 0 2 2,51（6）：17-2 0.9郭宁林，郭荣鑫，林志伟，等.内掺型CCCW混凝土在硫酸铵环境中抗腐蚀及自愈性能研究J.硅酸盐通报，2 0 2 0，39（4）：1107-1114.10杨敏毅，曾俊杰，王胜年，等.渗透结晶材料对混凝土裂缝自愈合的影响JI.硅酸盐报，2 0 17，36（10）：354 2-354 7.