混凝土的渗透结晶自修复试验与研究.pdf
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1、第 5卷第 1 期 2 0 0 8年 2月 铁道 科学 与工程学报 J OURNA L OF R Al l WA Y S CI EN CE AND ENGI NEE RI NG V o I 5 F e b N o 1 2 0 0 8 混凝土的渗透结 晶 自修复试验 与研究 匡亚川1 , 2 , 欧进萍 , 。 ( 1 中南大学 土木建筑学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ; 2 大连理工大学 土木水利学院 , 辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ; 3 哈 尔滨工业大学 土木工程学院, 黑龙 江 哈 尔滨 1 5 0 0 9 0 ) 摘要: 针对混凝土结构的渗漏以及防水材料的老化, 提
2、出了一种渗透结晶自修复混凝土的方法。介绍 了渗透结晶材料的 性能及渗透结晶自修复混凝土的制备方法; 通过试验研究了渗透结晶材料的掺量对混凝土性能的影响, 得到 了其掺量合理 的使用范围; 分别进行 了混凝土抗压、 抗拉强度回复率试验和第2次抗渗试验, 根据渗透结晶材料的作用机理对试验结果 进行了分析。试验结果表明, 渗透结晶混凝土具有较强的自修复能力。 关键词: 智能混凝土; 渗透结晶; 自修复; 修复能力 中图分类号 : T U 5 02 6 文献标识码 : A 文章编号 : 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 0 8 ) O 1 一O O O 6 0 5 E x p e r i m
3、e n t a n d r e s e a r c h o n pe r me a b l e c r y s t a l l i z a t i o n s e l f r e p a i r i n g pe r f o rm a n c e o f c o n c r e t e K U A NG Y a c h u a n O U J i n p i n g 2 。 ( 1 S c h o o l o f C i v i l a n d A r c h i t e c tu r a l E n g i n e e r in g ,C e n t r a l S o u t h U n
4、i v e r s i ty ,C h ang s h a 4 1 0 0 7 5 ,C hin a ) ( 2 Sch ool o f C i vi l andH y d r a u l i cEngi n e e r i n g ,D a l ian U n i v e r s i t y 0 f T e c h n o l o g y ,D a l ian 1 1 6 0 2 4 ,C h i n a ) ( 3 Sch o o l o f C iv i l E n gi n eeri n g ,H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o
5、l o g y , H a r b i n 1 5 0 0 9 0 ,C h i n a ) Ab s t r a c t : Ac c o r d i n g t o t h e s e l f r e p a i r i n g t h e o r y,a t y p e o f p e r me a b l e c r y s t a l l i z a t i o n c o n c ret e ma t e ria l wi th c r a c k s e lf rep a i rin g pe r f o r ma n c e wa s d e s i g n e d t o a
6、 d d r e s s t h e l e a ka g e o f c o n c ret e s t r u c t u re a n d the a g l n g an d d e g e n e r a t i o n e f - f e c t s o f wa t e r p r o o fi n g ma t e r i a1T h e pe rfo r ma n c e o f pe rm e ab l e c rys t a l l i z a t i o n ma t e r i als an d the p rep a r a t i o n me tho d o f
7、 pe rm e a b l e c rys t a l l i z a t i o n c o n c ret e wi th s e lf rep a i r i n g we re i n t r o d u c e dTh e i n flu e n c e o f v o l u me r a t i o o f pe rm e ab l e c rys t a l l i zat i o n ma t e rials o n c o n c ret e p e rfo r ma n c e wa s an aly z ed b ase d o n e x pe ri me n t
8、s an d a r a t i o n al r a n g e o f v o l u me r a ti o Was s u g g e s t e dTh e s t ren g t h r e c o v e rin g r a t i o t e s t s an d the s e c o n d i mpe rm e ab i l i t y t e s t s we re c o n d u c t e d Ac c o rdi n g t o the f u n c t i o n me c h ani s m o f perm e ab l e c rys t all i
9、 zat i o n ma t e ri als ,e x peri me n t res u l t s we re analy z ed Th e res et s h o w t h a t the pe rm e ab l e c rys t a l l i z a t i o n c o n c ret e i t s e lf h as the c r a c k s e lfrep a i rin g f u n c t i o n Ke y wo r d s : i n t e l l i g e n t c o n c ret e ;perm e abl e c r y s
10、t a l l i z a t i o n ;s e lfrep a i ri n g ;rep air abi l i ty 随着人类社会 的高度发展 , 现代建筑对混凝土 材料提出了新 的挑 战, 要求混凝 土材料 不仅要 承 重 , 还应具有声 、 光 、 电、 磁 、 热等功能 , 以适应多功 能和智能建筑的需要 。自2 0 世纪 9 0年代 中期 , 国 内外先后开展 了功能型和智能型水泥基材料 的研 究 , 并取得了一些有价值的成果_ 1 J 。如相继出现的 水泥基导 电复合材 料, 水泥基磁性复合材料 , 能够 屏蔽磁场和电磁波的水泥基复合材料 , 材料应力 、 应变和损伤 自检
11、测水泥基复合材料和温度 自测水 泥基复合材料等。但是 , 如何使混凝土及其结构能 够 自动适应环境 , 在受到损伤后 自行愈合 , 以及对 自修复混凝土的机理研究 , 目前只有美国、 日本等 收稿 日期 : 2 0 0 一0 90 6 基金项 目: 博 士后科学基金资助项 目( 2 0 0 7 0 4 2 1 0 5 0 ) ; 国家 自然科学基金重点项 目资助( 5 0 5 3 8 0 2 0 ) 作者简介 : 匡亚川 ( 1 9 7 5 一) , 男 , 湖南衡 阳人 , 讲师 , 博士 , 从事混凝 土结构损伤 自修复 、 耐久性方面的研究 维普资讯 http:/ 第 1 期 亚川 ,
12、等: 混凝土的渗透结晶 自修复 试验 与研究 7 少数 国家处于实验室探索阶段l 2 J , 尚未取得具有 实用意义的研究成果 。三桥博三_ 4 J 以水玻璃 、 稀释 水玻璃和环氧树脂等材料作为修复剂 , 将其注人空 心玻璃纤维 中并掺人混凝土材料中, 研究了经不 同 修复剂在开裂修复后 , 混凝土材料的强度 回复率 ; 沼尾达弥和福尺公夫对 自修 复混凝土 中不 同的纤 维掺量和不同的水灰 比等性能对混凝土修复后产 生的影响进行了研究_ 5 ; DC a r o l y n在空心玻璃纤 维内注人缩醛高分子溶液作为修复胶粘剂 , 埋人混 凝土中, 使混凝土产生 自修复效果。欧进萍和匡亚 J
13、I I 根据生物骨骼组织损伤愈合的原理 , 设计了一种 内置胶囊 自修 复混凝土 , 利用 A N S Y S对修复胶囊 进行了有限元分析 , 确定 了其合理 的壁厚 , 通过试 验验证 了其 自修复能力 一 。 但是, 这些修复方法都是将内含高分子修复剂 的修复容器预埋在混凝 土中, 当混凝土开裂时, 修 复容器随之破裂 , 修复剂流出, 填充 、 修复裂缝。从 混凝土 自修复的发展和应用看, 尚有许多问题需要 解决和完善。例如 , 高分子修 复剂属于有机材料 , 不耐久 、 容易老化 ; 修复容器的制备复杂 , 与混凝土 材料共 同搅拌 、 振捣而破碎等。为此 , 本文作者针 对混凝土结构
14、的渗漏 以及防水材料的老化 , 探索一 种主动激发 自修 复技术 : 渗透结晶 自修 复, 在混凝 土传统组分中复合无机渗透结晶材料 , 通过其含有 的特殊活性组分在混凝土 内部渗透和反应 , 生成一 种不溶于水 的硅酸盐晶体填充 、 修复裂缝 。 1 渗透结晶 自修复混凝土的制备 1 1 制备 原理 渗透结 晶 自修复混凝土是在混凝土传统组分 中复合无机渗透结 晶材料或在外 部涂敷一层 含渗 透结晶材料 的涂层 , 在潮湿 条件 或水 中养护 条件 下 , 以水为载体 , 通过渗透作用 , 使渗透结 晶材料中 的特殊活性化学物质在混凝土微孔及毛细孔中传 输 , 填充并形成不溶性 的枝蔓状结晶
15、体; 混凝 土干 燥时 , 该活性化学物质处 于休眠状态 ; 一旦混 凝土 基体开裂 , 有水或潮气浸人时 , 该活性化学物质再 次激活 , 催化、 加速混凝 土中未完全水化的水泥颗 粒继续水化 , 生成新 的结晶物 , 对裂缝进 行 自动填 充 、 密封 , 实现 自修复 1 1 2 渗透结晶材料的性能及其选择 渗透结 晶混凝土材料是一种 由波特兰水泥 、 极 细的硅砂和多种特殊的活性 化学物质组成的灰色 粉木状无饥材料 , 其 寿命与混凝 的基 一致 , 抗 老化 能力较强, 并且无毒性 , 施工工 艺简便。渗透 结晶混凝土材料 自 1 9 4 2年 由德 国化学家劳伦斯 杰逊( L a
16、u r i t z J e n s e n ) 发明以来, 由于其抗 渗性能与 自愈性能好 , 粘结力强, 防钢筋锈蚀等特点 , 广泛应 用于地下工程 、 水利工程蓄水池 、 污水处理等结构 , 获得了 良好 的效 果。本实验所用 的 X Y P E X( 赛柏 斯) 掺合剂是一种水泥基渗透结晶材料 , 采用加拿 大 X Y P E X化学公司的专有技术由北京城荣防水材 料有限公司生产 。 2 混凝土 的渗透结 晶 自修复试 验 2 1 试验方案 水泥基渗透结晶型材料其作用机理是“ 渗透结 晶” 、 “ 堵塞内部孔 隙” 、 “ 封 闭毛细孔道” , 生成 的结 晶体与混凝土结 为一体 , 从
17、而增加混凝 土的密实 度 , 提高其强度和抗渗能力 。而这种物理化学反应 在整个使用过程 中是持续进行的, 一旦混凝土表面 与内部出现微细裂纹与裂缝 , 材料中所含的活性化 学物质被水再次激活发生作用 , 修复裂缝。为了直 观表征渗透结晶混凝 土的“ 自动愈合 , 修复裂缝 ” 的 能力 , 这里进行压缩 、 劈裂和渗透 3 项试验, 分别测 试其抗压 、 抗拉强度的回复率和二次抗渗压力。 2 2 压 缩试 验及 抗压 强度 的 回复率 在混凝土材料 中分别掺人水泥用量 2 , 4 和 6 的 X Y P E X( 赛柏斯) 掺合剂 , 与混凝土材料一 起搅拌 、 振捣 成型 。压缩 试验 采
18、用 1 0 0 I n lT l 1 0 0 I n l T l 1 0 0 n l I n 立方体试件 , 试件浇注后在标准养护 条件( 温度为( 2 0 4 - 1 )o C, 相对湿度大于 9 0 ) 下养 护至 2 8 d龄期 , 在 MT S刚性试验机进行试验 , 如图 1 所示。试验时 由计算机 自动控制设定 的加载速 率 , 初始阶段 加载速率 为 3 k N s , 当载荷达 到 4 0 0 k N时 , 采用等 位移 速度加 载 , 其加 载速 率为 0 1 m r n m i n 。根据 工 程 一 般 早 期 裂 缝 情 况 , 试验 加 力 达到最大值时 , 继续加载
19、, 直到试 件表面上 出现第 一 条可见裂缝 , 即刻停止 。然后 , 将开裂后的试件 重新置人养护室养护 2 8 d , 使其恢复 , 进行第 2次 压缩试验 。记录第 1 次及第 2次 试验时的最 大荷 载 , 如表 1 所示。第 2次压缩荷载 与第 1 次压缩荷 载之比称为修复能力。 从表 1 可以看 出, 渗透结晶材料调动了水泥的 积极性 , 显著地提高 了混凝土的性能 , 其巾, X Y P E X 掺合剂的掺量为 2 的混凝土 试件 的强度较高 , 平 均抗压强度 比基准混凝 土试件提 高 1 3 ; 第 1次 压缩试验破坏后, 再新置入养护审中养护 2 8 c 1 , 由 维普资
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