不同摻量滲透結晶材料水工混凝性能影響研究

張行衍

(瓦房店市水務事務服務中心,遼寧 瓦房店 116300)

混凝土屬于一種非均質多孔復合材料,其內部連通性、微損傷、孔隙分布、數量和大小等性質,都會在一定程度上影響外界有害介質的侵蝕和混凝土力學性能,在不利環境下裂縫擴散、貫通呈宏觀裂縫還會降低混凝土耐久性[1]。因此,如何降低內部微結構受不利環境及服役荷載作用,有效改善內部缺陷和耐久性能已成為混凝土技術研究的重要課題。

滲透結晶材料(CCCW)是一種具有無毒無害、防水性能優異的防水材料,現已在大壩、地鐵和房屋建筑等領域得到廣泛應用[2-4]。目前,對滲透結晶混凝土性能國內外學者開展了深入探究,如Liu等認為混凝土摻滲透結晶能夠明顯改善其抗氯離子侵蝕、抗碳化和力學性能,可有效提高抗凍能力;Ferrara等探討了纖維增強水泥基復合材料自愈能力和普通強度混凝土受結晶外加劑的影響,發現摻結晶材料加速了強度的發展和裂紋愈合速度,對實體質量具有積極作用;王可良等利用抗滲壓力和抗壓強度試驗,分析混凝土自修復能力受滲透結晶材料的影響規律,發現滲透結晶可以修復裂縫增強基體抗滲性和強度,微觀試驗表明滲透結晶中的活性物質可以生成填充于宏觀裂縫與毛細孔的產物,增強水泥基體強度;陳曉雨等通過對比復摻滲透結晶、礦物摻合料與單摻滲透結晶對抗侵蝕性的影響規律,發現復摻配制的試塊性能明顯更優;姚嘉誠等研究認為單摻納米SO2或滲透結晶材料的增強效果不如兩者的復摻。因此,滲透結晶能夠有效改善混凝土性能,而現有研究較少考慮水工混凝土,并且滲透結晶主要是與水反應生成晶體填充內部孔隙及裂縫。因此,這是一種較理想的裂縫修復摻合劑,研究水工混凝土性能受滲透結晶材料的影響就顯得非常重要[5-9]。文章結合水電站面板工程特點設計C30W12F200等級水工混凝土,試驗探究了水工混凝土強度和耐久性受不同摻量滲透結晶材料的影響規律,以期為水利工程裂縫修復及滲透結晶材料的研究應用提供科學依據。

1 試驗方法

1.1 原材料測試

1)水泥:撫順大伙房水泥廠生產的P·O42.5級水泥,初、終凝時間145min和600min,標準稠度28%,安定性合格,比表面積390m2/kg,密度3.11g/cm3,3d、28d抗壓強度28.8MPa和9.5MPa。

2)粗、細骨料:大連建材廠生產的Ⅱ區天然河砂和人工碎石,經檢測砂的堆積密度1600kg/m3,表觀密度2620kg/m3,細度模數2.7,孔隙率40%,吸水率0.6%,硫酸鹽及硫化物含量0.41%;碎石粒徑為20～40mm中石和5～20mm小石,其力學性能參數如表1所示。

表1 碎石的力學性能參數

3)纖維:通過對比經濟指標和力學性能,最終選擇徐水正達鋼纖維廠生產的防銹鍍銅鋼纖維,長度12mm,直徑0.7mm,密度7.7g/cm3,彈性模量210MPa,抗拉強度2640MPa,體積摻量1.0%。

4)滲透結晶:從市場上購買水泥基滲透結晶,以石英砂、普通硅酸鹽水泥等為基材摻入滲透結晶配制成的粉末狀材料作為受檢砂漿。經檢測滲透結晶氯離子含量0.018%,細度0.07mm,受檢砂漿的28d收縮率比100%,透水壓力比235%,抗壓強度比104%。

1.2 配合比設計

設計二級配C30W12F200等級水工混凝土,水膠比0.4,小石∶中石=45∶55,砂率35%,減水劑和引氣劑摻量1.2%、0.1%,滲透結晶摻量為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%,試驗配合比如表2所示。

表2 試驗配合比

1.3 制作養護

根據《水工混凝土試驗規程》進行試件的制作與養護,具體流程為:將粗、細骨料倒入強制攪拌機干拌60→加入滲透結晶、水泥和纖維干拌60s→加水濕拌180s→拌合均勻后裝模,移到振動臺振動30s→養護室標養24h拆模成型。

2 結果分析

2.1 抗拉與劈拉強度

將成型后的邊長150mm立方體試件標養28d,采用微機控制壓力試驗機按照試驗規程測定各組試件的劈裂抗拉強度和抗壓強度,如圖1所示。

(a)抗壓強度 (b)劈拉強度

從圖1可以看出,未摻滲透結晶P0組的劈拉、抗壓強度為2.24MPa和42.6MPa,摻P0.5～P2.5%滲透結晶組劈拉、抗壓強度處于2.10MPa～2.78MPa和44.3MPa～53.7MPa。劈拉、抗壓強度最大值為摻1.0%滲透結晶組的2.78MPa和53.7MPa,相較于未摻基準組分別提高24.1%和26.1%。滲透結晶占膠材用量最多只有2.5%,膠材仍然是試件強度的主要來源,且膠凝材料水化產物強度遠高于滲透結晶,故滲透結晶對混凝土強度發展的促進作用有限。

隨滲透結晶摻量的提高劈拉和抗壓強度均呈現出先上升后下降的變化趨勢,這是因為在硬化過程中滲透結晶會與水生成能夠填充孔隙或裂縫的結晶體,從而提高了水泥基體密實度和強度。摻量超過2.0%時滲透結晶的增強作用下降,這是因為滲透結晶摻量較高而基體內部的微裂縫、孔隙有限,多余的活性物質處于休眠狀態,分散在基體內部形成一定孔隙,從而使得基體強度增幅變緩。

2.2 極限拉伸值與彈性模量

將拌合物制成300mm×Φ150mm圓柱體標養28d,采用標準8字試樣按照試驗規程測定各組試件極限拉伸值和靜壓彈性模量,如圖2所示。

(a)壓縮模量

從圖2可以看出,摻P0.5～P2.5%滲透結晶組壓縮彈模、拉伸彈模、極限拉伸值處于32.1GPa～35.2GPa、32.4MPa～35.7MPa和1.22×10-4～1.34×10-4之間,壓縮彈模略低于拉伸彈模。滲透結晶的摻入在不同程度上提高了試件的極限拉伸值、拉伸彈模和壓縮彈模,隨著摻量的增大增幅表現出先上升后下降的趨勢,摻0.5%滲透結晶組的極限拉伸值、拉伸和壓縮彈模較基準組增大約10%。

2.3 抗滲性能

將拌合物制成高150mm×下口Φ185mm×上口Φ175mm的圓錐體標養28d,參照現行規范逐級加壓至1.3MPa,維持最大水壓力8h,觀察混凝土表面滲水情況,加壓后劈開試件測定平均滲水高度如圖3所示,依據規范計算各組試件均達到W12抗滲等級。

圖3 不同滲透結晶摻量的試件滲水高度

從圖3可以看出,P0～P2.5組試件的平均滲水高度處于25.0mm～65.2mm范圍,均低于試件高度150mm。隨滲透結晶摻量的增大水工混凝土滲水高度逐漸減小,表明摻入滲透結晶可以明顯改善抗滲性能。一方面,滲透結晶均勻分散到試件表面和內部,養護過程中表面的結晶能夠形成沉淀,從而發揮一定的防水作用;另一方面,通過混凝土中的微裂縫、毛細管等環境水逐漸向內部滲透,未完全水化的水泥膠凝體會與滲透結晶中的活性物質反應生成穩定的結晶體,對內部毛細孔道起到填充效用,有利于抑制外界水體的滲透。

2.4 抗凍性能

將拌合物制成400mm×100mm×100mm的棱柱體標養24d,然后取出浸入(20±2)℃的水中浸泡4d,總齡期達到28d時利用快凍法測定各組試件的抗凍性能,設定最大凍融次數200次,試驗數據如表3所示。

表3 抗凍試驗數據

由表3可知,在水工混凝土中摻入滲透結晶可以改善其抗凍性能,滲透結晶的作用效果隨凍融次數的增加而增大。隨滲透結晶摻量的增大各組試件的質量損失率逐漸減小,經200次凍融后摻2.5%滲透結晶組的質量損失率只有1.49%。隨滲透結晶摻量的增大各組試件的相對動彈模量逐漸增加,經200次凍融后摻2.5%滲透結晶組的相對動彈模量僅減小7%。這是由于滲透結晶的摻入可以明顯改善抗滲性能,均勻分布在試件內部和表面的沉淀晶體阻礙了環境水向內部的滲透,從而顯著改善了其抗凍性能。綜上分析,水工混凝土摻1.0%滲透結晶時具有較好的耐久性和強度,可以為水利工程裂縫修復及滲透結晶材料的研究應用提供科學依據[13]。

3 結 論

1)隨著滲透結晶摻量的增大試件劈拉、抗壓強度均表現出先上升后下降的變化趨勢,摻1.0%滲透結晶組相較于未摻基準組的劈拉、抗壓強度分別提高24.1%和26.1%,進一步增大摻量至2.0%后,滲透結晶對強度發展的促進作用減弱。

2)滲透結晶的摻入在不同程度上提高了試件的極限拉伸值、拉伸彈模和壓縮彈模,且隨著摻量的增大增幅均表現出先上升后下降的趨勢,摻0.5%滲透結晶組相較于基準組增大約10%。

3)在水工混凝土中摻入滲透結晶可以改善其耐久性能,隨著滲透結晶摻量的增大試件滲水高度和質量損失率均逐漸減小,相對動彈模量逐漸增大,混凝土摻1.0%滲透結晶時的耐久性和強度達到最優。