萬 洋，余劍英，何 鵬，曾尚恒

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

0 引 言

混凝土因其原料來源豐富,成本低,強度高，已成為使用最廣泛的建筑材料[1-2]。然而，混凝土自身抗壓不抗拉的特性，使其在服役過程中極易產(chǎn)生裂紋和損傷，不僅降低了力學(xué)性能，而且加劇了化學(xué)侵蝕，使混凝土耐久性顯著降低[3]。

傳統(tǒng)混凝土裂縫修補方法主要為表面涂敷、結(jié)構(gòu)加固和灌漿等[4-6]。這些方法均屬于混凝土損傷后修補，且混凝土內(nèi)部的裂縫難以被修復(fù)。為提高混凝土的耐久性，近些年來具有自修復(fù)功能的智能混凝土越來越受到重視?，F(xiàn)有的自修復(fù)混凝土主要有滲透結(jié)晶自修復(fù)[7]、微生物自修復(fù)[8]和微膠囊自修復(fù)[9]。滲透結(jié)晶自修復(fù)是通過添加到混凝土中的活性物質(zhì)促使游離鈣與碳酸根反應(yīng)生成碳酸鈣結(jié)晶來愈合裂縫[10];微生物自修復(fù)是利用微生物自身的新陳代謝誘導(dǎo)生成碳酸鈣來愈合裂縫[11];微膠囊自修復(fù)則是混凝土形成裂縫時產(chǎn)生的尖端應(yīng)力使微膠囊破裂，膠囊內(nèi)部的愈合劑流出，依靠與固化劑反應(yīng)形成的產(chǎn)物修復(fù)裂縫[12]。然而，這些方法均存在一些局限性。滲透結(jié)晶自修復(fù)和微生物自修復(fù)均需要潮濕環(huán)境，且裂縫修復(fù)時間長，而且在堿性環(huán)境下微生物存活期短；微膠囊自修復(fù)存在的主要問題則是裂縫形成時產(chǎn)生的尖端應(yīng)力難以使微膠囊破裂，修復(fù)效果差[13-16]。

熱膨脹微球是由熱塑性聚合物外殼和封入的液態(tài)烷烴氣體組成的。當加熱時，殼內(nèi)氣體壓力增大并且熱塑性外殼軟化，從而使熱膨脹微球外殼體積顯著增加，冷卻后熱膨脹微球外殼變硬，球體體積保持不變[17]。微波加熱具有快速、節(jié)能等優(yōu)點，已在瀝青路面養(yǎng)護等方面得到應(yīng)用[18]?；跓崤蛎浳⑶蝮w積膨脹這種特性，可以將其摻入混凝土中，利用微波加熱將其用于修復(fù)混凝土中的裂縫。但熱膨脹微球自身流動性差，且與混凝土黏接性較弱，不利于其對混凝土裂縫的修復(fù)。為解決這一問題，可將石蠟與熱膨脹微球進行混合，利用石蠟受熱后黏度快速降低的特性，增強熱膨脹微球的流動性和黏接性。此外，還可通過加入石墨，提高自修復(fù)材料的導(dǎo)熱性，加速熱膨脹微球在微波作用下的升溫速率，減少微波加熱的時間，并降低能耗。

本文以熱膨脹微球、石蠟和石墨為原料，制備了一種快速修復(fù)混凝土裂縫的新型微波加熱自修復(fù)功能材料(microwave heating self-healing functional material， MHSFM)，研究了熱膨脹微球摻量對MHSFM體積膨脹率的影響，測試了MHSFM和摻加MHSFM砂漿在微波作用下的升溫特性，評價了MHSFM摻量對砂漿抗壓強度和自修復(fù)性能的影響。

1 實 驗

1.1 原材料

熱膨脹微球：直徑10～20 μm，北京滬錦科技有限公司生產(chǎn)；切片石蠟：熔點56～60 ℃，國藥集團化學(xué)試劑有限公司提供；石墨：5 000目(2.6 μm)，鄭州大宇化工有限公司生產(chǎn)；普通硅酸鹽水泥：P·O 42.5，湖北亞東水泥有限公司生產(chǎn)；砂：細度模數(shù)2.36，武漢大禹采砂有限公司提供；水：實驗室自來水。

1.2 熱膨脹微球/石蠟/石墨自修復(fù)功能材料制備

將石蠟加熱至60 ℃，加入石墨后以400 r/min攪拌30 min。然后提高攪拌速率至800 r/min，加入熱膨脹微球，在60 ℃下攪拌10 min后取出樣品，待其冷卻后進行粉碎，即制得MHSFM顆粒。按照表1的組成制備了4組MHSFM樣品，粒徑分布范圍為0.60～4.75 mm。

表1 MHSFM的組成設(shè)計(質(zhì)量比)

1.3 摻加MHSFM的水泥砂漿試件制備

按照質(zhì)量比m(水泥) ∶m(砂) ∶m(水)=1 ∶3 ∶0.55以及水泥質(zhì)量的0%、3%、6%、9%、12%摻加MHSFM，分別成型40 mm×40 mm×40 mm、40 mm×40 mm×160 mm和φ100 mm×50 mm的試件。24 h后將拆模后的砂漿置于養(yǎng)護室中((20±2) ℃、濕度≥95%)標準養(yǎng)護3 d、7 d、14 d、28 d。

1.4 測試與表征

1.4.1 MHSFM體積膨脹率測定

將適量的MHSFM裝入量筒中，放入60 ℃的烘箱中，記錄初始熔化后的MHSFM體積。然后每10 min升溫2 ℃，記錄一次體積。按式(1)計算出不同溫度下的體積膨脹率。

(1)

式中：E為體積膨脹率，%；V1為初始融化時MHSFM的體積，mL；V2為測試溫度下MHSFM的體積，mL。

1.4.2 微波作用下溫度響應(yīng)行為

將裝有10 g MHSFM的坩堝、摻加MHSFM的砂漿試件(40 mm×40 mm×40 mm)置于功率為600 W的微波加熱箱中，用紅外攝像儀測試溫度。

1.4.3 砂漿力學(xué)性能測定

砂漿齡期達到后，參照《水泥膠砂強度試驗檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)進行抗折強度和抗壓強度測試。

1.4.4 砂漿氯離子擴散系數(shù)測定

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)，采用快速氯離子遷移系數(shù)法測試28 d齡期普通砂漿和摻加MHSFM砂漿試件微波加熱前后氯離子擴散系數(shù)。

1.4.5 砂漿裂縫自修復(fù)性能測試

標準養(yǎng)護28 d后，將圓形砂漿試件在室溫下放置7 d。然后將試件放置在圖1所示模具中，兩端夾緊以防止試件滑動。用WAY-300型砂漿壓力機對圓形試件的側(cè)面施加壓力，直至試件出現(xiàn)裂縫。

圖1 裂縫制備裝置示意圖

裂縫綜合測試儀(PTS-E40)用于測試預(yù)制裂縫后的砂漿初始寬度，然后將砂漿試件在微波加熱箱中加熱10 min后，取出放置1 d，再次測量表面裂縫寬度。

將預(yù)制裂縫的試件放入有機硅橡膠筒(內(nèi)徑100 mm、高度150 mm)底部，用伸縮不銹鋼箍緊固(如圖2所示)。將1 000 mL水注入有機硅橡膠筒內(nèi)，記錄水完全滲出所需的時間，按式(2)計算初始滲水率。取出試件，將其在室溫中放置7 d，然后放入微波加熱箱中加熱10 min，取出放置1 d后，再次測量試件的滲水率，若橡膠筒內(nèi)水未能在4 h內(nèi)全部滲出，記錄測試時間，并立即將橡膠筒內(nèi)水倒出，測量剩余水的體積，并按照式(3)計算試件的相對滲透系數(shù)。

圖2 抗?jié)B性試驗示意圖

(2)

式中：K為透水率，mL/min；Vt有機硅橡膠筒內(nèi)剩余水的體積，mL；t為水滲出的時間，min。

(3)

式中：β為相對滲透系數(shù)，%；K0為初始透水率，mL/min；K1為微波加熱10 min后的透水率，mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 MHSFM體積膨脹率

圖3顯示了放置在量筒中的MHSFM隨溫度的體積變化情況。由圖3可以直觀地看到，溫度升高后MHSFM的體積發(fā)生了膨脹。圖4顯示了熱膨脹微球摻量對MHSFM體積膨脹率的影響。由圖4可見，不同熱膨脹微球摻量的MHSFM的體積膨脹率均隨溫度升高先增加后降低。熱膨脹微球摻量越大，MHSFM的體積膨脹率越高。當溫度達到72 ℃時，A1、A2、A3、A4體積膨脹率分別為67%、100%、157%、230%,但當溫度高于72 ℃后，MHSFM的體積膨脹率出現(xiàn)下降。這是因為當溫度超過微球外殼的玻璃化溫度之后，球體的氣體壓力使微球破裂，膨脹率反而降低。

圖3 MHSFM的熱膨脹行為

圖4 熱膨脹微球摻量對MHSFM體積膨脹率的影響

2.2 MHSFM和摻加MHSFM砂漿的升溫特性

2.2.1 MHSFM的升溫特性

圖5顯示了微波作用下A4的熱紅外圖像。由圖5可見，隨著微波作用時間的延長，MHSFM的溫度逐漸升高。微波作用8 min時，MHSFM出現(xiàn)局部熔化；當微波作用10 min后，MHSFM全部熔化。

圖5 A4的升溫行為

圖6反映了不同熱膨脹微球摻量的MHSFM在微波作用下的升溫曲線。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著熱膨脹微球摻量的增加，MHSFM在微波作用下的升溫速率降低。A1在微波作用下4 min，溫度達到60 ℃；A4在微波作用下8 min后，溫度才達到60 ℃。

圖6 微波作用下含不同摻量熱膨脹微球的MHSFM升溫特性

2.2.2 摻加MHSFM砂漿的升溫特性

圖7顯示了不同MHSFM摻量的砂漿在微波作用下的升溫曲線。從圖7可以看出，無MHSFM的空白砂漿試件微波加熱10 min，砂漿溫度達到82.4 ℃。這是

圖7 微波作用下MHSFM摻量對砂漿升溫速率的影響

由于砂漿含有一定量的水分，極性分子易吸收微波使試件升溫。隨著MHSFM摻量增加，砂漿在微波作用下的升溫速率加快，摻加A1的砂漿升溫速率最快。在微波作用10 min后，摻加12%A1的砂漿溫度可升至117.4 ℃。

2.3 摻加MHSFM砂漿的力學(xué)性能

圖8顯示了MHSFM對砂漿力學(xué)性能的影響。由圖8可知：當MHSFM摻量低于6%時，砂漿的抗折強度和抗壓強度僅有較小幅度的降低；摻量超過6%之后，砂漿的抗折強度和抗壓強度有較明顯的下降。這表明MHSFM摻量較低時對砂漿的力學(xué)性能影響較小。從圖8中還可以看出，熱膨脹微球摻量越多，MHSFM對砂漿的力學(xué)性能影響越小。圖9反映了摻加6%和12%A3的砂漿和普通砂漿的力學(xué)性能隨齡期的變化。從圖9可以看出，在不同齡期時，摻加A3的砂漿抗壓強度和抗折強度均低于普通砂漿，但摻加6%A3的砂漿抗壓強度和抗折強度降低很小。

圖8 含不同摻量MHSFM的砂漿力學(xué)性能

圖9 摻加MHSFM砂漿在不同養(yǎng)護齡期時的力學(xué)性能

2.4 摻加MHSFM砂漿的氯離子擴散性能

圖10反映了摻加A3的砂漿在微波加熱前后的氯離子擴散系數(shù)。由圖10可知，微波加熱前后，A3摻量為3%時，氯離子擴散系數(shù)均降低，砂漿的抗?jié)B性能提高，但隨著A3摻量增加，氯離子擴散系數(shù)均增大，砂漿的抗?jié)B性能下降。摻加少量A3使砂漿的抗?jié)B性能提高是由于MHSFM對砂漿中的空隙有一定的填充作用，增加密實度，但隨著A3摻量增加，粒徑范圍在0.60～4.75 mm的MHSFM在一定程度上會降低砂漿的密實度，使砂漿抗?jié)B性能降低[19]。從圖10中還可以看出，相比微波加熱前砂漿的氯離子擴散系數(shù)，微波加熱后摻加MHSFM砂漿的氯離子擴散系數(shù)有較大幅度的降低。這是由于微波加熱使MHSFM融化，包含熱膨脹微球的石蠟流入周圍的空隙，增加了砂漿整體的密實度。

圖10 微波加熱前后含MHSFM砂漿的氯離子擴散系數(shù)

2.5 MHSFM砂漿的自修復(fù)性能

2.5.1 表面裂縫自修復(fù)性能

圖11反映了在微波作用下含不同熱膨脹微球的MHSFM摻量對砂漿表面裂縫自修復(fù)效果的影響。由圖11可見，隨著MHSFM摻量的增加，砂漿表面更寬的裂縫能在微波加熱后得到愈合。熱膨脹微球摻量越大的MHSFM，砂漿表面裂縫愈合效果越好。這是因為熱膨脹微球摻量越多的MHSFM受熱后體積膨脹率越大，對裂縫的愈合效果越好。

圖12為微波加熱前后未摻加MHSFM的對比砂漿和摻加12%A1、A2、A3、A4砂漿的裂縫變化。由圖12可發(fā)現(xiàn)，對比砂漿在微波加熱前后，裂縫寬度未發(fā)生改變，而分別摻加12%A1、A2、A3、A4的砂漿中0.15 mm、0.24 mm、0.35 mm、0.53 mm的裂縫在微波加熱10 min可完全愈合。

圖12 微波加熱前后砂漿的裂縫寬度變化

2.5.2 相對滲水系數(shù)

圖13為摻加不同量A1、A2、A3、A4的砂漿在微波作用后的相對滲水系數(shù)變化曲線。圖13顯示，摻加MHSFM的砂漿在微波加熱后，相對滲水系數(shù)均出現(xiàn)不同程度的降低。MHSFM的摻量越高，砂漿的相對滲水系數(shù)降低越大，其中A3對砂漿的相對滲水系數(shù)降低最有效。摻加熱膨脹微球含量更多的A4對砂漿相對滲水系數(shù)的降低值反而低于A3，這可能是因為A3中熱膨脹微球摻量相對較少，其流動性優(yōu)于A4，受熱后易流動進入裂縫中，通過體積膨脹修復(fù)裂縫。

圖13 微波作用下MHSFM砂漿相對滲水系數(shù)

3 結(jié) 論

(1)隨著熱膨脹微球摻量的增多，MHSFM的體積膨脹率增大。在微波作用下，MHSFM的升溫速率隨熱膨脹微球摻量增多而降低，砂漿的升溫速率則隨MHSFM摻量的增加而加快。

(2)MHSFM摻量在0%～6%內(nèi)，對砂漿的力學(xué)性能和抗?jié)B性能影響較小。在微波作用下，MHSFM可快速愈合砂漿表面裂縫，有效降低其相對滲水系數(shù)。隨MHSFM摻量增加，砂漿的自修復(fù)能力顯著增強。摻加12%MHSFM的砂漿，微波作用10 min即可愈合0.53 mm的裂縫。