馮竟竟， 張 鵬， 陳 偉， 楊進(jìn)波， 劉 虎

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院， 山東 泰安 271018； 2.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山東 青島 266033； 3.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430080)

混凝土材料的開裂直接影響到混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命.為了應(yīng)對(duì)混凝土開裂問題，節(jié)省裂縫修補(bǔ)費(fèi)用，同時(shí)盡可能減小因后期維護(hù)對(duì)結(jié)構(gòu)正常使用造成的影響，針對(duì)混凝土損傷的自愈合及裂縫自愈合性能的研究受到了越來越多學(xué)者的關(guān)注.活性氧化鎂具有延遲膨脹的特性，已被水利電力工程界所認(rèn)可，并應(yīng)用于補(bǔ)償大體積混凝土的溫降收縮和干燥收縮，以保持混凝土的體積穩(wěn)定性，減少裂縫產(chǎn)生[1].活性氧化鎂同時(shí)具有一定的促進(jìn)裂縫自愈合性能.近年來國外關(guān)于活性氧化鎂自愈合材料的研究相對(duì)較多，國內(nèi)尚無相關(guān)研究.

1)文中涉及的摻量、水灰比等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.

Qureshi等[2]研究了英國Richard Baker Harrison公司生產(chǎn)的2種活性的氧化鎂(M92/200，N50)及不同氧化鎂摻量1)對(duì)混凝土自愈合效果的影響，研究表明：當(dāng)M92/200摻量在8%左右、N50摻量在4%～6%時(shí)，混凝土自愈合效果最好，強(qiáng)度恢復(fù)率上升；微觀分析發(fā)現(xiàn)，在預(yù)制裂縫后，經(jīng)過28d養(yǎng)護(hù)，摻有2種活性氧化鎂的混凝土表面裂縫基本愈合，且裂縫處有水鎂石及其他不同組相的水化產(chǎn)物，甚至有鎂方解石的形成.Jin等[3]認(rèn)為活性氧化鎂顯示了有效的愈合性能，且對(duì)于優(yōu)化混凝土補(bǔ)償收縮性能有較好作用，并對(duì)14種工業(yè)氧化鎂的活性、材料特性、X射線衍射(XRD)圖譜、pH值及水合形態(tài)等進(jìn)行了對(duì)比分析.Kishi等[4]制備了混凝土立方體試件用于抗壓強(qiáng)度測(cè)試，并制備了帶有預(yù)制裂縫的長方體試件用于三點(diǎn)抗折試驗(yàn)，研究了活性氧化鎂M90/200及膨潤土對(duì)混凝土自愈合性能的影響，結(jié)果表明：氧化鎂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響較小，膨潤土在一定程度上降低了混凝土抗壓強(qiáng)度；初始寬度越小的裂縫自愈合速率越快，裂縫周圍的沉淀產(chǎn)物主要包括CaCO3，MgCO3，以及二者復(fù)合的沉淀結(jié)晶.Ahn等[5]研究了膨脹劑、硅質(zhì)礦物材料(蒙脫石、長石和石英等)、碳酸鹽(NaHCO3，Na2CO3和Li2CO3等)對(duì)混凝土自愈合性能的影響，結(jié)果表明：膨脹劑的膨脹作用可有效降低裂縫寬度；地質(zhì)材料的腫脹機(jī)理可有效促進(jìn)裂縫愈合；碳酸鹽對(duì)裂縫處的重結(jié)晶有促進(jìn)作用，適合水下快速愈合.Jasser等[6]將氧化鎂和硅灰以一定比例封裝于顆粒中并摻入混凝土內(nèi)部，結(jié)果表明：僅添加5%的顆粒即可獲得60%左右的28d抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率，該顆粒成分具有很好的裂紋自愈合性能.Alghamri等[7]用三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度來表征氧化鎂材料對(duì)混凝土自愈合的效果，對(duì)于摻10%活性氧化鎂的混凝土，其30，120d彎曲強(qiáng)度恢復(fù)率分別為14.6%和18.5%.Dung等[8]研究了水化催化劑HA和分散劑DA對(duì)摻活性氧化鎂膨脹劑混凝土自愈合性能的影響，結(jié)果表明：催化劑HA可促進(jìn)氧化鎂的溶解及水鎂石的沉淀，分散劑DA解決了氧化鎂需水量大的問題，并使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，對(duì)混凝土自愈合有良好效果.

活性氧化鎂對(duì)混凝土裂縫自愈合性能的作用機(jī)理目前有多種解釋.部分學(xué)者認(rèn)為氧化鎂與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成氫氧化鎂結(jié)晶沉淀，從而填充裂縫，其反應(yīng)方程式見式(1).Dung等[8]認(rèn)為，在裂縫周圍的氧化鎂可發(fā)生水化反應(yīng)生成三水碳酸鎂及富鎂方解石，在裂縫處結(jié)晶沉淀，產(chǎn)生自愈合作用，其反應(yīng)方程式見式(2)，(3).Vandeperre等[9]研究了氧化鎂和水泥水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)，通過XRD分析發(fā)現(xiàn)其中有部分水合鎂鋁化合物Mg6Al2(CO3)(OH)16(H2O)4的生成.此外，Ramm等[10]認(rèn)為混凝土裂縫自愈合主要包含4個(gè)階段：(1)未水化水泥的繼續(xù)水化；(2)裂縫處的膨脹；(3)碳酸鈣結(jié)晶；(4)水中固體物質(zhì)閉合裂縫.

(1)

(2)

(3)

氧化鎂活性一般采用檸檬酸滴定法進(jìn)行測(cè)定，氧化鎂的活性及摻量對(duì)混凝土自愈合效果影響較大[11]，需要進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)與控制才能達(dá)到最佳效果，并避免負(fù)面影響.2017年中國建筑材料協(xié)會(huì)編制了CBMF 19—2017《混凝土用氧化鎂膨脹劑》，對(duì)混凝土用氧化鎂膨脹劑的性能指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定.為驗(yàn)證國內(nèi)活性氧化鎂產(chǎn)品對(duì)混凝土裂縫自愈合性能是否同樣具有促進(jìn)作用，有必要進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究.在無養(yǎng)護(hù)措施或養(yǎng)護(hù)不到位的情況下，混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫多發(fā)生在早期，主要為溫度收縮裂縫及干燥收縮裂縫.本文通過試驗(yàn)對(duì)比了2種型號(hào)的氧化鎂膨脹劑在不同摻量下對(duì)混凝土早期裂縫自愈合性能的影響.

1 試驗(yàn)

1.1 材料

2種氧化鎂膨脹劑(R型和M型)均為武漢三源特種建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)，檸檬酸反應(yīng)法測(cè)定其活性分別為70s(R型)及130s(M型).水泥選用華新P·O 42.5水泥，骨料粒徑為5～20mm，水灰比為0.45，砂率為45%.混凝土配合比如表1所示.

圖1為2種氧化鎂膨脹劑的XRD圖譜.由圖1可知：氧化鎂膨脹劑主要由方鎂石、菱鎂礦、石英和白云石等組成；隨著活性的增大，方鎂石衍射峰(MgO主峰)有所增大，菱鎂礦(MgCO3)衍射峰有所降低，表明隨著活性的增大，方鎂石含量有所提高，菱鎂礦含量有所降低.表2，3給出了本文所用2種氧化鎂膨脹劑與國外2種常用活性氧化鎂產(chǎn)品的化學(xué)組成及物理特性.由表2,3可知：M型氧化鎂膨脹劑與M92/200性能較為類似，R型氧化鎂膨脹劑性能則介于M92/200與N50之間；隨著活性的增加，氧化鎂膨脹劑燒失量均有所降低，比表面積也隨之下降.

表1 混凝土配合比

圖1 不同類型氧化鎂膨脹劑的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of different magnesium oxide expansive agents

TypeSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3ILM92/2002.250.220.530.8793.182.59N500.030.5097.700.805.40R type1.080.090.711.6590.123.96M type1.240.180.521.5990.881.83

表3 各氧化鎂的物理特性

表4給出了各組試件編號(hào)及其氧化鎂膨脹劑摻量，其中空白組(CON)的膠凝材料只有水泥，其余組則摻有不同摻量的不同型號(hào)氧化鎂膨脹劑，均為外摻.通過調(diào)整減水劑摻量使混凝土坍落度控制在180mm左右.

1.2 測(cè)試方法

1.2.1限制膨脹率

限制膨脹率根據(jù)中國建筑材料協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CBMF 19—2017進(jìn)行測(cè)試.試件全長158mm(含兩端金屬測(cè)頭)，其中膠砂試件尺寸為40mm×40mm×140mm.按要求測(cè)量完初始長度后，將試件立即放入20℃恒溫水槽內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并分別測(cè)試其3，7，14，28d齡期的限制膨脹率.

表4 各組試件編號(hào)及其氧化鎂膨脹劑摻量

1.2.2裂縫形態(tài)

裂縫形態(tài)分析采用φ100×100mm的圓柱形混凝土試件.試件成型24h后拆模并通過劈裂抗拉試驗(yàn)制造初始裂縫，來模擬混凝土早期開裂情況.控制加載速率為1MPa/s，加載過程中時(shí)刻觀察試件兩側(cè)平面裂縫情況，當(dāng)其中一側(cè)裂縫出現(xiàn)貫通時(shí)，立即停止加載，并在圓柱試件的上下端部采用鋼箍約束.用MG10085-1型100倍讀數(shù)顯微鏡對(duì)裂縫形態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)比分析各組試件的開裂裂縫形態(tài)變化及自愈合情況.

1.2.3裂縫寬度變化

裂縫寬度變化亦采用φ100×100mm的圓柱形混凝土試件進(jìn)行測(cè)定，選擇初始裂縫寬度分別為0.05，0.10，0.20，0.30，0.40，0.70，1.00mm的裂縫部位，測(cè)點(diǎn)布置在裂縫寬度相對(duì)均勻的位置(即測(cè)點(diǎn)兩側(cè)1cm內(nèi)，裂縫寬度波動(dòng)較小處)，各組開裂試件的每個(gè)初始寬度的裂縫處各布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，并做好標(biāo)記，放入水中養(yǎng)護(hù)7，14，28d后取出，觀測(cè)裂縫寬度變化.裂縫寬度也采用MG10085-1型100倍讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)(含讀數(shù)系統(tǒng))，最小刻度間隔為0.02mm，結(jié)果取5個(gè)裂縫寬度的均值.

1.2.4抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率

制備尺寸為100mm×100mm×100mm的混凝土立方體試件.試件成型24h后拆模，其中一部分試件立刻進(jìn)行抗壓試驗(yàn)預(yù)破壞，預(yù)破壞判定依據(jù)為：當(dāng)前力值與試驗(yàn)階段最大力值之差達(dá)到50kN(即當(dāng)前強(qiáng)度較最大強(qiáng)度下降5.0MPa)時(shí)，則認(rèn)為試件在此時(shí)刻發(fā)生破壞，停止加載.將預(yù)破壞試件與未預(yù)破壞試件同時(shí)放置于20℃水中養(yǎng)護(hù)，測(cè)定其養(yǎng)護(hù)7，28d后的抗壓強(qiáng)度.試件抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率R通過式(4)計(jì)算：

(4)

式中：Frec為預(yù)破壞試件在相應(yīng)齡期的二次抗壓強(qiáng)度；F0為未預(yù)破壞試件在同齡期的抗壓強(qiáng)度.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 限制膨脹率

各組膠砂試件的限制膨脹率測(cè)試結(jié)果如圖2所示.由圖2可知：各組膠砂試件限制膨脹率的大小整體上呈現(xiàn)為R-10>R-5>M-10>M-5>CON；在氧化鎂膨脹劑摻量相同的情況下，氧化鎂膨脹劑活性越大，其對(duì)應(yīng)試件的限制膨脹率越大，在氧化鎂膨脹劑活性相同情況下(采用同種氧化鎂膨脹劑)，氧化鎂膨脹劑摻量越大，對(duì)應(yīng)試件的限制膨脹率越大；摻氧化鎂膨脹劑試件的限制膨脹率均高于空白組.

圖2 各組膠砂試件的限制膨脹率Fig.2 Restrained expansive rate for mortar specimens

2.2 裂縫形態(tài)

圓柱形試件開裂后置于20℃水中養(yǎng)護(hù)，受氧化鎂膨脹及裂縫處水化結(jié)晶等作用，裂縫將產(chǎn)生自愈合效應(yīng).本試驗(yàn)中分析了具有不同初始寬度裂縫的各組開裂試件自愈合效果.表5給出了各組開裂試件典型裂縫的自愈合情況，其初始裂縫寬度均為0.20mm左右.由表5可知：R-10及M-10組開裂試件的裂縫在養(yǎng)護(hù)14d后愈合完全，愈合效果良好；R-5及M-5組開裂試件的裂縫在28d時(shí)基本愈合完全，其裂縫處晶體仍然有一定的發(fā)展空間；空白組開裂試件裂縫有一定的自愈合趨勢(shì)，裂縫處產(chǎn)生部分結(jié)晶，但養(yǎng)護(hù)28d后尚未愈合完全.從自愈合效果來看：當(dāng)氧化鎂膨脹劑摻量為5%時(shí)，經(jīng)過14d養(yǎng)護(hù)的R-5組開裂試件裂縫處已經(jīng)被初步的結(jié)晶產(chǎn)物填充完全，而M-5組開裂試件仍然存在一部分未填充裂縫；當(dāng)氧化鎂膨脹劑摻量為10%時(shí)，R-10組開裂試件裂縫自愈合速率也要高于M-10組開裂試件.各組開裂試件裂縫自愈合效果整體上呈現(xiàn)為R-10>M-10>R-5>M-5>CON，表明活性較高的R型氧化鎂膨脹劑對(duì)混凝土裂縫自愈合的促進(jìn)作用要高于活性較低的M型氧化鎂膨脹劑.

2.3 裂縫寬度變化

圖3給出了具有不同初始寬度裂縫的各組開裂試件在不同養(yǎng)護(hù)齡期的寬度變化值.由圖3可知，經(jīng)過7，14，28d養(yǎng)護(hù)后，各組開裂試件的裂縫寬度大小為R-10

圖4給出了具有不同初始寬度裂縫的R-10組開裂試件裂縫寬度發(fā)展情況.由圖4可知：對(duì)于初始寬度在0.40mm以下的裂縫，經(jīng)過28d養(yǎng)護(hù)后，該裂縫基本愈合完全，對(duì)于初始寬度為0.70mm及1.00mm的裂縫，在14d前有一定的愈合作用，14d 后，裂縫減小的速率變緩(曲線趨于平緩)；同時(shí)，摻氧化鎂膨脹劑的開裂試件在初始裂縫寬度相同的情況下，裂縫寬度在同等養(yǎng)護(hù)齡期后均小于相應(yīng)的空白組開裂試件，這表明氧化鎂膨脹劑對(duì)混凝土裂縫的自愈合具有良好的促進(jìn)作用.GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》針對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型及環(huán)境類別的混凝土結(jié)構(gòu)，規(guī)定了其最大裂縫寬度限值為0.10～0.30mm.根據(jù)上述分析結(jié)果可知，本文選用的氧化鎂膨脹劑對(duì)于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范允許寬度范圍內(nèi)的裂縫有較好的自愈合效果.

表5各組開裂試件的典型裂縫愈合情況

Table5Typicalcracksealingpatternsofdifferentspecimes

2.4 抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率

圖5給出了各組開裂試件的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率.由圖5可知：摻氧化鎂膨脹劑的開裂試件相對(duì)空白組開裂試件具有更高的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率；氧化鎂膨脹劑摻量為5%的開裂試件(R-5和M-5)抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率比氧化鎂膨脹劑摻量為10%的開裂試件(R-10和M-10)高，這表明摻加過量氧化鎂膨脹劑反而對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展不利，對(duì)于R型和M型氧化鎂膨脹劑，能獲得較高抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率的最佳摻量不應(yīng)大于10%.

圖3 不同初始寬度的裂縫在不同養(yǎng)護(hù)齡期的寬度變化Fig.3 Width of cracks at different curing ages with different initial crack widths

圖4 具有不同初始寬度裂縫的R-10組開裂試件裂縫寬度發(fā)展情況Fig.4 Average crack width variation for R-10specimens with different initial crack widths

圖5 各試驗(yàn)組混凝土的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率Fig.5 Compressive strength recovery rate of specimens

3 結(jié)論

(1)氧化鎂膨脹劑活性越高、摻量越大，試件的限制膨脹率越大；在相同齡期條件下，相同初始寬度的混凝土早期裂縫自愈合效果越好，且愈合后裂縫寬度越小.

(2)氧化鎂膨脹劑對(duì)初始寬度在0.40mm及以下的早期裂縫有較好的愈合效果，對(duì)初始寬度在0.40mm以上的早期裂縫，在14d前裂縫寬度有一定減小，但效果相對(duì)不明顯，在14d后裂縫寬度逐漸趨于穩(wěn)定.

(3)在相同摻量下，活性較高的氧化鎂膨脹劑對(duì)應(yīng)的混凝土抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率略高于活性較低的氧化鎂膨脹劑對(duì)應(yīng)的混凝土抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率；相同活性情況下，摻量為10%的混凝土比摻量為5%的混凝土抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率略低.