靳潔林,徐濤,劉曉鳳,李凱,徐沛保,

（1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽新基建有限公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

由于混凝土抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，開(kāi)裂是一種常見(jiàn)現(xiàn)象。高拉應(yīng)力可由外部荷載、施加的變形(由于溫度梯度、受限收縮和差異沉降)、塑性收縮、塑性沉降和膨脹反應(yīng)(如由于鋼筋腐蝕、堿硅反應(yīng)、硫酸鹽侵蝕)等造成。如果不立即進(jìn)行適當(dāng)?shù)男迯?fù)，裂縫會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，最終需要昂貴的修復(fù)費(fèi)用。混凝土的耐久性也會(huì)受到這些裂縫的影響，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)為含有有害物質(zhì)的液體和氣體的運(yùn)輸提供滲入的途徑。如果裂縫擴(kuò)展到鋼筋，不僅混凝土本身可能受到損傷，暴露在水和氧氣中的鋼筋，可能被含有二氧化碳和氯化物等物質(zhì)腐蝕。因此，微裂紋是結(jié)構(gòu)破壞的前兆[1]。對(duì)于裂縫的修補(bǔ)，有多種方法可采用，但傳統(tǒng)的修補(bǔ)方法有許多不利的方面。采用自修復(fù)方法修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)的固有裂縫是目前最有前途的方法之一，特別是近十年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)混凝土的自愈能力進(jìn)行了研究。

混凝土的自愈合是由以下兩種主要機(jī)制引起的：自體愈合和自主/工程愈合。混凝土中小裂縫的自愈是一個(gè)自然的過(guò)程，這與材料本身的性質(zhì)和組成有關(guān)。這主要是由水泥進(jìn)一步水化和碳酸鈣沉淀引起的。自主愈合是一個(gè)工程愈合過(guò)程，旨在提高混凝土元素的自我愈合能力。此外，自主/工程愈合可以進(jìn)一步分為“主動(dòng)”和“被動(dòng)”模式。“主動(dòng)”模式需要人的幫助來(lái)激活機(jī)制，而“被動(dòng)”模式則不需要人的干預(yù)。自主愈合的方法之一是使用自愈合外加劑，如納米填料、纖維等。

目前使用的混凝土自愈技術(shù)[2]大多是在混凝土中摻入一些纖維[3-6]、微生物[7-9]或者是摻入含有修復(fù)劑的微膠囊[10-12]。前兩種方法的目的是限制裂縫的寬度在混凝土內(nèi)，而后者的目的是通過(guò)破碎的修補(bǔ)劑膠囊直接粘結(jié)或填補(bǔ)裂縫。雖然這些方法能夠使得混凝土的裂縫在一定程度上愈合，但其缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的。如纖維增強(qiáng)自愈技術(shù)所需的時(shí)間[13]；混凝土內(nèi)部的高堿性和機(jī)械攪拌的無(wú)規(guī)則強(qiáng)作用力,會(huì)使得微生物處于無(wú)保護(hù)狀態(tài),進(jìn)而大面積死亡無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果[14]；微膠囊受力靈敏度的要求高[14-15]等問(wèn)題。

針對(duì)上述自愈技術(shù)存在的一些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始研究納米填料（二氧化硅、二氧化鋯等）對(duì)混凝土自愈性能的影響[16-17]。Huseien等人[18]將納米粒子稱為是由化學(xué)合成而產(chǎn)生的材料，因此，它們可以生成結(jié)構(gòu)均勻的產(chǎn)品和具有“完美原子和分子有序性”的納米級(jí)晶體，從而為納米顆粒用于自愈合水泥漿體提供了有力的證據(jù)；Stefanidou等人[19]在混凝土中摻入納米二氧化硅后，開(kāi)裂水泥漿體在水中浸泡七天可進(jìn)行自我修復(fù)，且二氧化硅的摻入有利于方解石的析出，顯著降低了水泥漿體在水中的開(kāi)孔率；Tsardaka等人[20]研究發(fā)現(xiàn)在水泥漿體中添加納米顆粒有利于水泥漿體的愈合，且在水中愈合速度加快；Gohar[21]研究發(fā)現(xiàn)加入納米顆?？墒够炷辆哂懈叩目箟簭?qiáng)度；Rajasegar[22]研究發(fā)現(xiàn)納米二氧化硅提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度；Evangelia[23]研究發(fā)現(xiàn)納米氧化鈣的添加減少了水通過(guò)裂縫的滲透，并提高了自愈效率，且自愈效果要好于納米二氧化硅。

與傳統(tǒng)自愈合技術(shù)相比，納米填料的摻入可以改善混凝土空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在微尺度上控制水化產(chǎn)物的形態(tài)。反過(guò)來(lái)又影響混凝土裂縫的空間分布。有研究表明，納米填料具有成核效應(yīng)、吸水效應(yīng)及很好的填充效應(yīng)，因此，當(dāng)在混凝土中摻入適量的納米填料時(shí)，納米粒子可以填充混凝土內(nèi)部的孔隙，提高其密實(shí)度，進(jìn)而提高混凝土強(qiáng)度，且納米填料能夠促進(jìn)混凝土裂縫的自愈，但研究成果相對(duì)較少[24]。對(duì)此，本文試驗(yàn)研究納米二氧化硅(NS)和納米二氧化鋯(NZ)對(duì)混凝土自愈性能的影響。通過(guò)在混凝土中分別摻入質(zhì)量含量α=1.5%、2%、2.5%的NS和NZ制備得到了納米活性粉末混凝土(NRPC)，對(duì)其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率的試驗(yàn)研究，探索納米填料的含量與種類(lèi)對(duì)混凝土自愈性能的影響變化趨勢(shì)。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料及試件制備

2.1.1 原材料

本文采用的原材料包括：水泥選用中材安徽水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，密度3050kg/m3,比表面積332m2/kg，初凝時(shí)間為194min，終凝時(shí)間為261min；粉煤灰選用安徽省聯(lián)合發(fā)電有限公司生產(chǎn)的F類(lèi)Ⅰ級(jí)粉煤灰，密度2280kg/m3，細(xì)度6.1%，燒失量2.95%；細(xì)骨料選用安徽中砂細(xì)骨料，細(xì)度模數(shù)2.7；粗骨料選用巢湖散兵5mm～31.5mm連續(xù)級(jí)配的天然碎石，其中小石子∶大石子=20%∶80%；礦渣粉選用安徽長(zhǎng)江規(guī)格型號(hào)為S95的礦渣粉；膨脹劑選用萊陽(yáng)龍升的UEA混凝土膨脹劑，混凝土的15天縱向限制膨脹率＞0.02%,180天縱向限制干縮率＜0.02%，防水性能良好，達(dá)到標(biāo)號(hào)P12以上；納米SiO2選用河北柯澤金屬有限公司20nm的納米SiO2，平均粒徑純度為99.9%，比表面積為240m2/g，體積密度為0.06g/cm3，密度為2.2g/cm3～2.6g/cm3；納 米ZrO2選用河北柯澤金屬有限公司20nm的納米ZrO2，平均粒徑純度為99.9%，比表面積為95m2/g，體積密度為1.98g/cm3，密度為6.0g/cm3。

2.1.2 試件制備

本文NRPC配合比按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011)來(lái)制定，分別摻入三種不同含量的NS和NZ來(lái)測(cè)定其抗壓強(qiáng)度。具體配合比如表所示。成型的NRPC試塊尺寸為150mm×150mm×150mm。每種納米填料摻量制得三個(gè)試塊，以三個(gè)試件測(cè)值的平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)三個(gè)試件強(qiáng)度中的最大值或最小值之一，與中間值之差超過(guò)中間值的15%時(shí)，取中間值。當(dāng)三個(gè)試件強(qiáng)度中的最大值和最小值，與中間值之差均超過(guò)中間值的15%時(shí)，該組試驗(yàn)應(yīng)重做。

NRPC配合比

制備的試樣如圖1所示，具體步驟如下：

圖1 試樣

①將鋼板及鐵鍬清洗干凈并保持一定的濕潤(rùn)度；②將納米材料加入到稱好的拌合水中攪拌均勻備用；③在鋼板上用鐵鍬將其他材料拌至顏色均勻；④將拌至均勻的材料堆成錐形，然后將其中間挖成凹坑，向里面慢慢倒入含有納米材料的拌合水，將拌合水倒完之后再翻拌八次，從拌合水倒完時(shí)算起，翻拌過(guò)程應(yīng)在十分鐘內(nèi)完成；⑤將翻拌均勻的混凝土拌合物裝入已準(zhǔn)備好的模具中，放入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)；⑥24h后脫模，之后將試塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28d。

2.2 測(cè)試設(shè)備與數(shù)據(jù)處理方法

本試驗(yàn)以NRPC的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率為指標(biāo)來(lái)研究納米填料對(duì)混凝土自愈性能的影響，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5150-2017）[25]進(jìn)行，采用示值誤差不大于標(biāo)準(zhǔn)值±1%的壓力試驗(yàn)機(jī)，且具有加荷速度控制裝置，并能均勻、連續(xù)地加荷，試驗(yàn)機(jī)已定期校正。

目前，自愈混凝土的養(yǎng)護(hù)過(guò)程分為兩種，一種是在水中養(yǎng)護(hù)，另一種是在空氣中養(yǎng)護(hù)。根據(jù)已有研究表明，潮濕和水分充足的養(yǎng)護(hù)過(guò)程更有利于混凝土修復(fù)[26-28]。因此，本試驗(yàn)的試塊都是放在溫度為（20±2）℃的水中養(yǎng)護(hù)。具體試驗(yàn)步驟如下：

①將養(yǎng)護(hù)28d后的試塊取出進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以0.3MPa/s～0.5MPa/s的速度連續(xù)而均勻地加載，當(dāng)試件接近破壞而開(kāi)始迅速變形時(shí)，停止調(diào)整油門(mén)，直至試件破壞，記錄破壞荷載。每組三個(gè)試塊，先取一組試塊測(cè)得其極限抗壓強(qiáng)度f(wàn)c，剩下兩組試塊分別預(yù)壓至β=60%fc和β=80%fc[29-30]；

②試塊全部加載完后之后將其放入溫度為20℃左右的水中養(yǎng)護(hù)28d；

③將達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的試塊取出，再測(cè)其全部抗壓強(qiáng)度；

④通過(guò)比較NRPC的抗壓強(qiáng)度和修復(fù)后的抗壓強(qiáng)度，分析納米填料的摻入對(duì)混凝土自愈效果的影響。

數(shù)據(jù)處理公式如下：

納米填料凈恢復(fù)率ΚN按下式計(jì)算：

KN=Kc-Kc0。式中，Kc0是空白組的強(qiáng)度恢復(fù)率。

3 結(jié)果與討論

圖2給出了NS和NZ對(duì)混凝土試塊抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。從圖中可以看出NS和NZ的摻入都明顯地提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，且NS的提高效果更加明顯。此外NS與NZ的最佳摻量均為2%，其中NS最高提高了8.75%，NZ最高提高了4.69%。

圖2 納米填料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖3給出了NS對(duì)不同預(yù)壓強(qiáng)度的混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，從圖中可以看出NS的摻入提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。預(yù)壓60%fc與預(yù)壓80%fc的試塊放在水中養(yǎng)護(hù)28d后，NS摻量為1.5%時(shí)抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到了36.4MPa。總體而言，在預(yù)壓力作用下產(chǎn)生局部損傷時(shí)，NS的摻量為1.5%時(shí)對(duì)提高其抗壓強(qiáng)度效果最佳。

圖3 NS對(duì)不同預(yù)壓程度混凝土極限強(qiáng)度的影響

圖4給出了NZ對(duì)不同預(yù)壓程度的混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，從圖中可以看出預(yù)壓60%fc的試塊在水中養(yǎng)護(hù)28d后，NZ摻量為2%時(shí)抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到了 38.5MPa；摻量為 2.5% 時(shí)預(yù)壓 80%fc的試塊其抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到了34.5MPa。從整體上看，雖然圖中曲線存在交叉，但是整體變化趨勢(shì)一致，NZ的摻入對(duì)混凝土的極限抗壓強(qiáng)度均有一定的提高。

圖4 NZ對(duì)不同預(yù)壓程度混凝土極限強(qiáng)度的影響

圖5給出了納米填料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率的影響，從圖中可以看出摻入NZ對(duì)提高混凝土的強(qiáng)度恢復(fù)率比摻入NS要好，且2%NZ的強(qiáng)度恢復(fù)率最高，達(dá)到了123.4%，此外NZ的摻量低于2%時(shí)，其強(qiáng)度恢復(fù)率隨著NZ摻量的增加而提高，而摻量大于2%時(shí)，其強(qiáng)度恢復(fù)率有所降低。2%NS的強(qiáng)度恢復(fù)率最高，達(dá)到了118.8%，當(dāng)NS的摻量低于2%時(shí)，其強(qiáng)度恢復(fù)率隨著NS的增加而提高，當(dāng)摻量高于2%時(shí)，其強(qiáng)度恢復(fù)率隨著NS的增加而降低。因此，整體來(lái)說(shuō)，NS的最佳摻量為2%。但NS與NZ的摻入在整體上都不同程度地提高了混凝土抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率。

圖5 納米填料對(duì)混凝土強(qiáng)度恢復(fù)率的影響

圖6給出了納米填料的凈強(qiáng)度恢復(fù)率比較，從圖中可以看出2%NZ的凈強(qiáng)度恢復(fù)率提高最多，達(dá)到了10.8%，且摻量低于2%時(shí)，凈強(qiáng)度恢復(fù)率隨著摻量的增加而有所增加，但摻量高于2%時(shí)，凈強(qiáng)度恢復(fù)率有所降低。因此，NZ的最佳摻量為2%。2%NS的凈強(qiáng)度恢復(fù)率提高最多，為6.1%，但摻量高于2%時(shí)凈強(qiáng)度恢復(fù)率開(kāi)始顯著降低。因此，NS的最佳摻量為2%。但NS與NZ的加入都使得強(qiáng)度恢復(fù)率有所提高，可以看出NS與NZ的加入使得納米填料混凝土達(dá)到了一定自愈效果。

圖6 納米填料的凈強(qiáng)度恢復(fù)率比較

4 結(jié)論

本文主要探索了納米填料的含量與種類(lèi)對(duì)混凝土自愈性能的影響變化規(guī)律，以其28d的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率來(lái)表征其自愈效果。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：首先納米填料NS與NZ的摻入均使得混凝土的抗壓強(qiáng)度有所提高，兩者的最佳摻量均為2%，且NS的提高效果更加明顯；其次NS與NZ的摻入提高了預(yù)壓混凝土試塊的極限抗壓強(qiáng)度，當(dāng)強(qiáng)度預(yù)壓80%時(shí)1.5%NS混凝土抗壓強(qiáng)度最高，當(dāng)強(qiáng)度預(yù)壓60%時(shí)2%NZ混凝土的抗壓強(qiáng)度最高；最后納米填料的摻入均使得混凝土的強(qiáng)度恢復(fù)率在不同程度上有所提高，在強(qiáng)度自愈效果方面，兩者的最佳摻量都為2%。這些試驗(yàn)結(jié)果可為納米材料在自愈混凝土中的應(yīng)用提供參考。