渗透结晶材料对混凝土裂缝宽度的修复性能.pdf

2 0 1 2年第 1期 1 月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C ONCRE T E AND CE MEN T P R0DUC T S 2 01 2 No 1 J a n u a r y 渗透结晶材料对混凝土裂缝宽度的修复性能 王可 良， 郑灿堂， 许尚杰 ( 山东水利科学研究 院； 山东济南 ， 2 5 0 0 1 4 ) 摘要： 为研 究渗透 结晶防水材料 对混凝土裂缝的 自修复功 能， 采用人为制造 裂缝后进 行混凝土抗渗的试验方 法， 结合扫描 电子显微镜 ( S E M) 对混凝土 的微观结 构进行 了分析和表征 。结果表 明， 在既定的混凝 土和 水泥浆配合 比下 ， 2 8 d龄期 时渗透 结晶防水材料对混凝 土小于 1 O m m 的裂缝具有很好 的 自修 复作 用。掺加 渗透结晶材料的水 泥浆与混 凝土 间的界 面结合 程度与表 面无 裂缝 的混凝土界 面过 渡区结构基本相 同。裂缝 宽度 大于 1 O mm， 水泥浆 与混凝土间的界 面处空 隙较大 ， 混凝 土抗 渗性 能降低 。 关键词： 混凝土 ； 渗透结 晶材料 ； 裂缝修 复 ； 微观 结构 Ab s t r a c t ：C r a c k s o f c o n c r e t e a r e h e a l e d a u t o ma t i c a l l y f r o m p r e f a b r i c a t e d c r a c k s w i t h p e r me a t e d c r y s t a l l i n e ma t e r i a l s b y i mp e r me a b i l i t y t e s t me t h o d s o f c o n c r e t e An d mi c r o s t r u c t u r e o f c o n c r e t e i s a n a l y z e d a n d c h a r a c t e riz e d wi t h s c a n n i n g _ 一 e l e c t r o n mi c r o s c o p y f S E M1 Th e r e s u l t s s h o w t h a t c r a c k s o f c o n c r e t e t h a t i s l e s s t h a n 1 O mm i s h e a l e d we l l a u t o ma t i c a l l y w i t h p e r me a t e d c r y s t a l l i n e ma t e r i a l s at 2 8 d a y s wi t h d e t e rm i n e d mi x p r o p o r t i o n s o f c o n c r e t e a n d c e me n t p a s t e I n a d d i t i o n ， i n t e r f a c i a l mi c r o s t m c t u r e b e t w e e n c o n c r e t e w i t h c r a c k s a n d c e me n t p a s t e w i t h p e r me a t e d c rys t Ml i n e ma t e r i a l s i s t h e s a me a s t h a t o f c o n c r e t e wi t h o u t c r a c k s I mp e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e wh o s e c r a c k wi d t h i s mo r e t h a n 1 O mm w i l l r e d u c e b e c a u s e i n t e r f a e i a l g a p b e t w e e n c o n c r e t e a n d c e me n t p a s t e i s q u i t e g r e a t Ke Y wo r d s ：C o n c r e t e ； P e r me a t e d c r y s t a l l i n e ma t e ria l s ； C r a c k s h e a l e d ； Mi c r o s t r u c t u r e 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 2 ) 0 1 - 2 1 - 0 3 0前 言 混凝 土渗 透结晶防水材 料 中含有 的活性化 学 物质通过载体向混凝土内部渗透 ， 并在混凝土中形 成不溶于水的结 晶体 ， 填塞混凝土中的毛细孑 L 道及 宏观微裂缝 ， 从而使混凝土致密 、 防水 。近年来 ， 混凝土渗透结晶防水材料在地铁 、 隧道 、 大坝 、 地下 室等混凝土结构 防水工程 中应用越来越广泛【5 ， 并 取得 了较显著的经济效益及社会效益。尽管工程实 践上应用较广泛 ， 但对混凝土裂缝 修复的宽度仍存 在不 同见解。 因此 ， 采用扫描 电子显微镜( S E M ) 研究 表征 自制 的混凝土渗透结 晶材料对混凝土裂缝 的 自修复性能 ， 具有重要 的理论和实际意义。 1 试 验 1 1 混凝土渗透结晶防水材料的制备 1 1 1 制备机理 水泥混凝 土 中一般含有 2 5 左右 的未水化水 泥和一些具有水化活性 的物质 ，在一定的条件下 ， 这些未水化的水泥和活性物质可继续反应 ， 形成结 晶体沉淀 。如果能够通过一定的反应机制使这些未 水化 的水泥和活性物质在孑 L 隙和裂缝中反应 ， 利用 所形成的结晶体堵塞孔 隙与裂缝 ， 则可实现渗透结 晶 ， 达到混凝土裂缝 自修复的目的。基于这一思路， 笔者提出了化学转换渗透结晶反应机理。渗透结 晶 防水 机理的具体设 想是通过制备一种可与混凝土 中存在 的钙离子反应形成水溶性不稳定络合物、 与 硅酸根形成水溶性 不稳定 络合物但与钙离子不络 合 、 不发生化学反应形成沉淀的化合物 ， 该化合物 具有亲水性 ， 可随水在混凝土内部孔 隙与裂缝 中迁 移渗透 ，遇到未水化水泥和其它可水化物质后 ， 发 生化学转换 ， 生成硅酸钙结 晶体 ， 该结 晶沉淀物可 堵塞孔隙与裂缝 ， 实现裂缝 自修复。而活性化合物 在反应转换后 ， 恢复原态 ， 又可重新参与下一轮 的 反应 。混凝土渗透结晶防水材料制备可用下述机理 模型来表达 ： 催化剂( 1 ) + C a 催化剂 ( 1 ) 一 C a ( 络合物) 催化剂( 2 ) + S i O 催化剂 ( 2 ) 一 S i 0 3 2 - ( 络合物 ) 催化剂 ( 1 ) 一 C a +催化剂 ( 2 ) 一 S i 0 3 2 C a s i 0 3 + 催化剂( 1 ) +催化剂( 2 ) 1 1 2 混凝土渗透结晶防水材料的制备 按质量百分 比将 2 0 的胆碱和 2 3 的柠檬 酸 钠加水溶解 ， 配制成溶液 ， 向溶液 中缓慢滴加 3 7 的三异丙醇胺和其它可溶性有机小分子物质 ， 混合 一 21 2 0 1 2年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 9期 均匀 ， 静止至溶液透明。 1 2 试验原材料及配合比 硅酸盐水泥 ： P I 4 2 5级水泥 ，山东青州某公 司产 ； 细集料 ： 中粗砂 ， 细度模数 2 6 ， 山东青 州产 ； 粗集料 ： 5 3 1 5 ra m碎石 ，山东青州产 。混凝土渗透 结 晶防水材料 ： 自制 。水泥熟料化学成分及矿物组 成见表 1 ， 试验所用配合比见表 2 。 l _ 3 抗渗试件制备 在成型混凝土抗渗试件中， 在 圆台中心 由上而 下贯穿一条宽 4 0 mm， 厚分别为 0 5 mm、 1 O mm的铁 片 ， 在 临近终凝前将 铁片拔 出 ， 即人工制造一条裂 缝 ，向裂缝 内灌人掺有渗透结 晶材料 的水泥浆 ， 1 d 后拆模 ， 送标准养护室养护 。水 泥浆配 比按照渗透 结晶材料 ： 水 ： 水泥=0 2 5 ： 4： 1 0的比例配制。 表 1 水泥熟料化学成分及矿物组成 1 4试验 方法 抗渗性能测试按照 S L 3 5 2 2 0 0 6 水工混凝土试 验规范 规定进行 ， 将试件养 护到规定 的时间取 出， 表面风干， 用蜡密封 ， 每次测试试件为一组六个 。试 件测试 的初始压力为 0 1 MP a ， 加压后保压 1 h ， 如果 没有渗水现象发生 ，以后每 隔 1 h加 0 1 MP a的压 力 ，直至第二个试件的端面出现渗水现象为止 ， 记 录此时的压力值作为该组试件的抗渗压力 。等所有 试件均被水击穿后 ， 将试件在原来 的养护环境中再 养护同样的天数 ， 然后进行试件的二次抗渗性能测 试。一次抗渗性能可以体现内掺渗透结晶防水材料 试件 的修复裂缝性能 ， 而二次抗渗性能体现的是 内 掺渗透结晶防水材料试件被击穿后重新养护其 防 水抗渗能力的恢复情况 ， 即二次抗渗性能反映了渗 透结 晶防水材料赋予混凝土试件 的 自修复能力大 小。通过一次和二次抗渗性能可以表征渗透结晶防 水材料对混凝土裂缝修复性能和 自修复能力的作 用效果 。 1 5 试验结果与讨论 养护 2 8 d后测试混凝土抗渗性能 ， 试验结果见 表 3 。 从表 3 可 以看出， 人为制造 1 O mm的裂缝 ， 灌 人掺有渗透结 晶材料的水泥浆后 ， 混凝土的一次和 二次抗渗压力与没有裂缝 的相 同。 裂缝大于 1 5 ra m， 混凝土的一次抗渗压力降低 ， 表面裂缝为 2 0 mm， 混 凝土的一次抗渗压力仅为 0 1 MP a ， 小于表面没有裂 缝的混凝土抗渗压力。因此 ， 可以看出， 渗透结晶防 水材料能够愈合混凝土小于 1 O m m的裂缝。 表 3 不同裂缝 的抗 渗性能 2 微 观 结构表 征 带有裂缝混凝土 的抗渗性能取决于修补后水 泥浆与界面的结合程度 吲。因此 ， 采用扫描 电子显 微镜 ( S E M) 对混凝土的微观结构进行测试分析 ， 有 利于诠释混凝土的抗渗性能。利用扫描电镜研究混 凝 土微观形貌并从微观结构层次上揭示材料的性 能是研究材料结构 的最基本方法。采用 S E M对 2 8 d 龄期 、 预制不 同裂缝宽度后掺加渗透结 晶防水材料 一 2 2一 的水泥浆 与混凝土界面进行微 观形貌观察 ，放 大 1 0 0倍 ， 结果见图 1 图 4 。 从图 1 一 图 4可以看 出， 2 8 d龄期 ，混凝土表面 预制裂缝宽度分别为 0 5 mm和 1 O m m时 ， 掺加渗透 结晶材料的水泥浆与混凝土间的界面结合程度较 好 ， 与表面无裂缝的混凝土界面过渡 区处骨料与水 泥石之间基本致密程度相差无几 。预制裂缝宽度为 1 5 m m时， 水泥浆与混凝土间的界面结合程度不好 ， 王可良， 郑灿堂 ， 许 尚杰 渗透结晶材料对混凝土裂缝宽度的修复性能 图 1 表面无裂缝 的混凝 土界 面过 渡区 图 2 表面裂缝宽度 0 5 m m 的混凝土界面过渡区 图 3 表面裂缝宽度 1 0 mm的混凝土界面过渡区 界面结合处有较大 的不规则空隙 ， 增加了混凝土 的 贯通能力 ， 降低 了混凝土的抗 渗性能 。这主要是 因 为 ， 混凝土裂缝较小时 ， 渗透结 晶材料 中的活性化 学物质和混凝土 中的 C a ( O H ) ： 能够反应 ， 消耗掉 的 C a ( O H) 转变为具有胶凝性 的硅酸钙 ， 填充 了界面 处 的空 隙 ，界 面结构得 到改 善。混凝 土裂 缝大于 1 5 mm时 ， 在一定的龄期 内， 渗透结晶材料 中的活性 化学物质和混凝土中 C a ( O H) ： 的反应物不能够填充 满界面 的空隙 ，水泥浆 与混凝 土间的界面结构薄 弱 ， 降低 了混凝土的抗渗性能。但 随着龄期 的延长 和掺加 较多 的渗透结 晶材料 ， 可使更多的反应物填 充界面处 的空 隙 ， 界面结构得 以改善 ， 混凝土 的抗 渗性能可能会有所提高。 3结论 ( 1 ) 在既定 的混凝土和水泥浆配 合 比下 ， 在一 定龄期 内 ， 渗透结晶材料能够修复一定宽度 的混凝 土裂缝 ， 水泥浆与混凝土间的界面结合程度较好 。 ( 2 ) 混凝土裂缝宽度增加 ， 延长龄期 或增 加渗 透结晶材料 的掺量 ，混凝土裂缝可能得以修复 ， 有 待进一步研究。 参 考 文 献 ： 1 王丹， 张玉 奇， 曾 昌洪， 等 水泥基 渗透结 晶型 防水 剂的生 能研究及微观分析 J 新型建筑材料， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 7 7 8 0 2 徐 明根 水泥基渗 透结 晶型防水材 料渗透 深度 扫描 电镜 和能谱分析 J 铁道科学与工程学报， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 6 8 7 0 3 陈光耀， 吴 笑梅， 樊粤 明 水 泥基渗透结 晶型 防水材料的作 用机理分析 J 新 型建 筑材 料， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 6 8 7 1 4 唐酞峰 水 泥基防水涂料 中低 钙粉煤灰活化性 能研究 J 图 4 表面裂缝宽度 1 5 m m 的混凝土界面过渡区 建筑材料学报， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 4 ) ： 5 4 0 5 4 4 5 黄伟， 王平， 尹 万云， 等 渗透结 晶型裂缝 自愈合混凝 土的抗 渗性能及其机理 J 混凝 土， 2 0 1 0 ( 8 ) ： 2 8 - 3 0 6 黄蓓， 吴淼， 钱春香 混凝土裂缝 的表面处理方法对防水性 能的影响 J 】 混凝土 与水泥制 品， 2 0 1 0 ) ： 5 8 - 6 1 【 7 】 方永浩， 安普斌 ， 赵 伟， 等 裂缝水 泥基 材料 的渗 透溶蚀 及 其 自愈 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 8 ， 3 6 (4) ： 4 5 1 - 4 5 6 【 8 】 余安 明， 水中和， 王树和 干燥大 温差 条件下混 凝土界面过 渡 区的研究【 J J 建筑材料学报， 2 0 0 8 ， l 1 ( 4 ) ：4 8 5 4 8 8 9 何小芳， 缪 昌文， 张 云升， 等 水 泥基材 料界 面过渡 区结 构 及其性能 的分析方法综述 J 混凝 土， 2 0 0 9 ( 1 0 ) ： 1 9 2 2 1 0 】 G A R B O C Z I E J ， B E N T Z D P A n a l y t i c a l f o r m u l a s f o r i n t e r - f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e p r o p e r t i e s J A d v C e m B a s e d Ma t e r ， 1 9 9 7 ， 6 ( 3 ) ： 9 9 - 1 0 8 1 1 P R O K O P S K 1 G， H A L B I N I A K J I n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e i n c e m e n t i o u s m a t e r i a l s J C e m e n t C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 3 0 f 4 ) ： 5 7 9 5 8 3 1 2 C WI R Z E N A， P E N T r A L A V A g g r e g a t e - c e m e n t p a s t e t r a n s i t i o n z o n e p r o p e r t i e s a f f e c t i n g t h e s a l t - f r o s t d a ma g e o f h i g h p e rf o rma n c e c o fi c r e t e J C o n c r e t e a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 5 ) ： 6 7 1 6 7 9 1 3 L E E MA N N A， MU N C H B ， G A S S E R P ， e t a 1 I n fl u e n c e o f c o mp a c t i o n o n t h e i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n g o n e a n d t h e p e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e 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 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 1 1 ) ： 1 4 2 5 - 】 4 3 3 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 1 2 3 作者简 介： 王可 良( 1 9 7 2 一 ) ， 男 ， 博士 。 通讯地址 ： 济南市历山路 1 2 5号 联 系电话 ： 1 3 7 0 5 4 1 7 1 7 3 E- mai l： k e l i a n g wa n g 1 2 6 c orn 一 2 3