文一鳴

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

混凝土對現(xiàn)代建筑建造至關(guān)重要，由于水泥基體具有先天的多孔隙、低抗拉強度等固有缺陷，所引發(fā)的裂縫會增加混凝土的滲透性、氯化物進入和碳化風險，加快內(nèi)部鋼筋腐蝕，降低結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性。若混凝土裂縫不及時修補，會影響混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用，造成建筑物全面破壞甚至倒塌[1]。因此，研究混凝土材料在早期開裂后及時恢復失去的力學性能和滲透性勢在必行。以下研究通過評價混凝土恢復后的力學和耐久性性能以及閉合裂縫作為愈合參數(shù)，評價結(jié)晶外加劑（CA）、粉煤灰（FA）和PVA纖維對混凝土早期裂縫自愈能力的影響。主要研究了控制混凝土、PVA纖維混凝土、粉煤灰（FA）混凝土和結(jié)晶外加劑（CA）混凝土等四種混凝土的愈合行為。通過對比分析，以了解結(jié)晶外加劑（CA）、粉煤灰（FA）和PVA纖維增強混凝土早期裂縫自愈的有效性，旨在為結(jié)晶外加劑（CA）、粉煤灰（FA）和PVA纖維在各種混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用提供理論與實踐支持。

1 試驗方案

1.1 材料和配合比

研究所用材料為水泥、粉煤灰、高效減水劑、水、粗骨料、細骨料、PVA纖維。在該研究中制備了四種不同混合配比混凝土試樣，控制混凝土混合配比（M1）、0.1%的PVA纖維體積混合配比（M2）、20%的粉煤灰混合配比（M3）部分替代水泥以及2%的結(jié)晶混合料（CA）（按水泥混合料質(zhì)量計）配比（M4）。配合比見表1。原材料的化學成分和物理性能見表2。制備了尺寸為100 mm3的混凝土立方體模具，用于測定混凝土的力學和耐久性能。

表1 混凝土配合比（kg/m3）

表2 OPC、FA和CA的元素含量

1.2 試驗方法

評價所有混凝土試件的自愈合效果需要標準步驟[2-5]：第一，在試樣中產(chǎn)生裂縫；第二，利用材料力學試驗機、電阻測試儀分別測量混凝土單軸抗壓強度、電阻值；第三，混凝土自愈合；第四，對恢復的混凝土試件進行性能評價。采用4個方法學階段來研究混凝土樣品的自愈效應(yīng)，分別為試樣早期產(chǎn)生裂紋、評價開裂混凝土的恢復力學和耐久性、裂紋表面的形態(tài)、顯微組織分析。

1.2.1 制備混凝土試樣早期裂紋

在第三天齡期，利用壓縮試驗機在中等加載速率（20kN/min）下對立方體試件產(chǎn)生早期裂紋預(yù)裂紋。開始時，施加載荷直到第一條裂紋出現(xiàn)，這允許裂紋張開不超過0.4 mm。由于裂縫寬度無法通過荷載控制，因此，決定所有試樣的裂縫寬度從小裂縫到大裂縫不等。每個樣品上的表面裂紋寬度由裂紋鏡儀器測量。

1.2.2 開裂混凝土恢復的力學和耐久性評價指標

混凝土開裂前后的單軸抗壓前度和電阻率計算如公式（1）和公式（2）所示，以此來評價自愈性質(zhì)的改善。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 力學性能恢復分析

根據(jù)單軸抗壓強度來確定混凝土材料在輕微損壞后是否恢復了部分強度。以第三天開裂的摻雜不同混合比例的混凝土試樣為例，即控制混凝土試樣（M1）、摻有0.1% PVA纖維體積的試樣（M2）、摻有20%粉煤灰的試樣（M3）和摻有2% CA水泥的試樣（M4），以計算抗壓強度恢復率，然后將試樣放置42天以恢復。與開裂的控制混凝土（M1）相比，開裂的CA混凝土（M4）抗壓強度增加了36.6%。與開裂混凝土（M1）相比，PVA2（M2）和FA20（M3）試樣28天后的強度分別提高了17.61%和22.79%，如圖1所示。開裂混凝土愈合后的強度恢復率相對于M1、M2、M3和M4的未開裂混凝土分別為原抗壓強度的78.51%、84.37%、85.95%和93.98%，如圖2所示?？箟簭姸然謴椭饕獨w因于因C-S-H凝膠、孔隙堵塞沉積物和未水合水泥顆粒發(fā)生水合反應(yīng)。因此，混凝土開裂之后強度恢復是由于自愈合導致裂紋閉合的緣故。研究還發(fā)現(xiàn)，試樣中一些未水化材料由于開裂而暴露在環(huán)境濕度下，這也在CA的幫助下激活了具有自愈現(xiàn)象化學反應(yīng)，最高強度恢復率反映在樣品M4中。

圖1 開裂混凝土的抗壓強度（42天）

圖2 混凝土強度恢復率R（S）

2.2 耐久性恢復分析

根據(jù)混凝土物理力學性能試驗方法標準（GB/T 50081—2019），使用電阻率計進行體電阻率測試。愈合期結(jié)束后，濕海綿將濕立方體放置在兩塊平行金屬板之間。澆筑混凝土試件后，施加擬定頻率的交流電，并計算混凝土試件兩端之間的電壓?；炷猎嚇拥碾娮杪嗜绻剑?）所示。

式中：ρ為混凝土樣品的電阻率（Ω·cm），A為混凝土試樣的橫截面積（cm2），L為混凝土樣本長度（cm），z為由電阻率計（Ω）測量的阻抗。

當28天時，計算具有不同樣品（即M1、M2、M3和M4）的開裂混凝土的電阻率。與開裂對照混凝土（M1）相比，含CA2（M4）的開裂混凝土電阻率增加了72.90%。而對于PVA2（M2）和FA20（M3）樣品，與開裂的對照混凝土（M1）相比，28天后電阻率分別增加了35.47%和14.80%，如圖3所示。開裂的M1、M2、M3和M4混凝土在早期愈合后電阻率恢復率分別為84.53%、90.49%、89.25%和94.43%，如圖4所示。這是因為加入鈣通過與氫氧化鈣反應(yīng)產(chǎn)生額外的C-S-H凝膠和孔鎖定沉積物。這明顯改善了膠凝晶格的微觀結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)是更致密的晶格形成，空隙減少，孔隙相互連接。一般來說，隨著混凝土的老化，由于水泥的進一步水化和混凝土的逐漸硬化，電阻率增加。

圖3 開裂混凝土的電阻率

圖4 電阻率恢復率R（r）

2.3 愈合裂紋形態(tài)

裂紋在水內(nèi)浸泡42天后形成白色裂紋密封而愈合，如圖5所示。同時還可以觀察到裂紋處的白色密封形成，M2和M4試樣比M1和M3試樣具有更高的愈合性能。即使在試樣M1和M3中，也觀察到裂紋密封，但裂紋愈合水平低于試樣M2和M4。CA在42天內(nèi)裂紋密封，還可觀察到白色裂紋密封結(jié)構(gòu)。與其他試樣相比，CA試樣在浸水條件下具有更高裂紋閉合能力。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

為觀察具有裂紋混凝土試樣分別混合M1、M2、M3和M4后，在水中養(yǎng)護42天后裂紋愈合情況，對所獲取的混凝土試樣裂縫表面碎片進行了SEM分析，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)所有試樣裂紋中具有C-S-H凝膠、方解石和鈣礬石形成，與其他M1、M2和M3混凝土混合物相比，經(jīng)過42天養(yǎng)護后，M4混合物表現(xiàn)出更好的性能，水化產(chǎn)物更致密，結(jié)構(gòu)更致密。觀察CA樣本中存在作為自愈合產(chǎn)物的CaCO3。

以上主要討論了使用結(jié)晶外加劑、粉煤灰和PVA纖維對混凝土早期裂縫自修復能力的研究結(jié)果。與FA和PVA纖維相比，為了恢復力學性能和耐久性，發(fā)現(xiàn)使用CA作為添加劑有利于閉合裂縫。在M4試樣混有CA的情況下，表面裂紋在42天內(nèi)閉合，并且在愈合后的裂紋處觀察到大量白色密封形成。考慮到CA的力學和耐久性能的恢復，抗壓強度恢復率為93.98%，電阻率恢復率為94.43%，與其他混合料相比，這是最高的強度恢復率。研究還發(fā)現(xiàn)，自愈產(chǎn)品為C-S-H凝膠和CaCO3。通過對鈣樣品SEM研究，可以證實大量的CaCO3沉淀。因此，與粉煤灰和PVA纖維相比，混凝土添加鈣顯著提高了混凝土的自愈合能力。

3 結(jié)論

以上通過對結(jié)晶外加劑、粉煤灰和PVA纖維對混凝土早期裂縫自愈能力的研究發(fā)現(xiàn)，與FA和PVA纖維相比，為恢復力學和耐久性，發(fā)現(xiàn)CA作為添加劑有助于閉合裂縫。在M4混合物（CA）的情況下，表面裂縫在42天內(nèi)閉合，并且在愈合后的裂縫處觀察到大量白色密封層。考慮到CA的力學和耐久性的恢復，抗壓強度恢復率為93.98%，電阻率恢復率為94.43%，這是與其他混合料相比強度恢復率最高的。研究還發(fā)現(xiàn)，自修復產(chǎn)物為C-S-H凝膠和CaCO3。CA樣品的SEM研究可以驗證CaCO3的大量沉淀。因此，與粉煤灰和PVA纖維相比，CA可以顯著提高混凝土的自修復能力。