1、154 Industrial Construction Vol.53,No.4,2023工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期 基于不同湿度环境下高分子修复剂对混凝土裂缝自愈合性能的影响研究石宝存陈景雅朱润禹孙睿王方伟(河海大学土木与交通学院,南京210098)摘要:通过检测表观形貌特征、气体渗透性、水分传输性和抗压强度的变化,系统研究了不同湿度环境下混凝土损伤劣化规律和裂缝修复机理,揭示了在不同湿度环境下环境响应型高分子修复剂对损伤混凝土自愈合的激励机制;同时,结合扫描电子显微镜、能谱分析和 X 射线衍射研究了裂缝自愈合的微观结构和演变机理。结果表明:自然空气和相对湿度 30%的养护环境
2、不利于混凝土裂缝的自修复行为;随着养护湿度的增加,混凝土裂缝修复率不断增大,潮湿环境有利于环境响应型高分子修复剂充分发挥激励作用,促进裂缝自愈合特性,延长服役寿命;浸水环境下高分子修复剂的修复效果最佳,裂缝愈合率可达 70.38%,其耐久性和抗压强度等性能都明显优于素混凝土;裂缝愈合的主要原因是修复剂吸水膨胀,大量碳酸钙和钙矾石等凝胶沉淀物填充裂缝;混凝土裂缝自修复行为是物理变化和化学变化共同作用的结果。关键词:混凝土裂缝;湿度环境;干湿循环;高分子修复剂;自愈合 DOI:10.13204/j.gyjzG22063018国家自然科学基金项目(52078190);教育部人文社会科学研究规划基金项
3、目(18YJAZH119)。第一作者:石宝存,男,1997 年出生,硕士研究生,。通信作者:陈景雅,女,1967 年出生,教授,13805151397 。收稿日期:2022-06-30 Research on Effect of Polymer Repair Agent on Self-Healing Performance ofConcrete Cracks Based on Different Humidity Environments SHI BaocunCHEN JingyaZHU RunyuSUN RuiWANG Fangwei(College of Civil and Transp
4、ortation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)Abstract:The damage deterioration law and crack repair mechanism of concrete under different humidity environments were systematically studied by the changes of apparent morphological characteristics,gas permeability,moisture transport and c
5、ompressive strength,and the incentive mechanism of environmental responsive polymeric repair agents on the self-healing of damaged concrete under different humidity environments was revealed;meanwhile,the microstructure and evolution mechanism of crack self-healing were studied by combining scanning
6、 electron microscopy,energy spectrum analysis and X-ray diffraction.The microstructure and evolution mechanism of crack self-healing were also investigated by combining scanning electron microscopy,energy spectrum analysis and X-ray diffraction.The results showed that the natural air and 30%relative
7、 humidity curing environment were not conducive to the self-healing behavior of concrete cracks;with the increase of curing humidity,the concrete crack repair rate increased continuously,and the humid environment was favorable for the environmentally responsive polymeric repair agent to give full pl
8、ay to the stimulating effect,promote the crack self-healing characteristics,and prolong the service life;the best repair effect of polymeric repair agent was achieved under the water immersion environment,and the crack healing rate could reach 70.38%,the durability and compressive strength of the re
9、paired concrete were significantly better than those of plain concrete.The main reason for crack healing was that the repair agent absorbed water and swells,and a large amount of gel precipitates such as calcium carbonate and calcium alumina filled the cracks;the self-healing performance of concrete
10、 cracks was the result of both physical and chemical changes.Keywords:concrete crack;humidity environment;dry-wet cycle;polymer repair agent;self-healing 0引言随着科技的进步和发展,混凝土已被广泛地应用于各类工程领域中,对改善人民生活和建筑行业的发展起到了极大的促进作用1-3,因此对于不断完善和优化混凝土优良特性的研究也逐渐成为土建行业发展的重点。基于不同湿度环境下高分子修复剂对混凝土裂缝自愈合性能的影响研究 石宝存,等155 混凝土作为一种
11、准脆性材料,服役期间的开裂现象加速了各种有害离子对混凝土结构的劣化作用,极大地降低了混凝土材料服役寿命4-6。而湿度环境贯穿了混凝土整个服役周期,若混凝土内湿度高于外界湿度时,会造成水分的扩散和流失,从而出现干缩现象。同时混凝土结构的应力状态也会随湿度的变化产生显著影响,导致对结构完整性和稳定性威胁较大的宏观裂缝不断出现7。因此对湿度环境下混凝土裂缝的扩展规律和自愈合机理的研究十分有意义8。Wang 等研究了硫酸盐和干湿循环作用下混凝土孔隙结构的变化,发现在硫酸盐的作用下体积较小的微孔逐渐闭合9。欧阳威研究了四种不同风和湿度环境下裂缝宽度对混凝土碳化性能的影响,发现无风潮湿环境下碳化速率最大,
12、湿度环境对开裂混凝土性能有较大影响10。Bary 等进行了复合盐与干湿循环耦合作用下的混凝土性能变化试验,发现干湿循环加剧了有害离子对混凝土的侵蚀作用11。马强等设计了四种不同湿度环境,研究发现液态水有利于水化产物碳酸化产生结晶沉淀弥补 裂 缝 孔 隙,提 高 裂 缝 愈 合 率,而 相 对 湿 度95%和自然空气环境下的裂缝修复效果较差12。Liu 等研究发现浸泡在海水的水泥浆体裂缝修复率高于标准养护环境,同时干湿循环可以提高水泥基材料密实度13。陈海涛等对温、湿度梯度引起的构件应力问题进行数值模拟,发现早龄期裂缝主要以横向裂缝为主,且集中出现在水化热反应最剧烈的阶段14。目前关于不同湿度环
13、境对混凝土裂缝的影响机理和劣化过程的探究较少,并且相应环境下通过添加环境响应型高分子修复剂来促进混凝土裂缝自修复特性的研究较为匮乏。因此,模拟 6 种不同湿度环境(自然空气,相对湿度 30%、60%、90%,干湿循环,浸水),通过混凝土裂缝愈合前后的表观形貌特征变化、水分传输性测试、气体渗透性检测和抗压强度来展现混凝土裂缝的劣化演变规律和自修复特性,并且利用 SEM、能谱分析和 X 射线衍射等多种微观技术来进一步揭示在不同湿度环境下环境响应型高分子修复剂对损伤混凝土自愈合的促进机理。1试验材料与方法1.1试验原材料试验采用 PO 42.5 中联牌硅酸盐水泥,其化学成分见表 1;粗骨料采用级配良
14、好的普通碎石;细骨料采用细度模数为 2.3 的石英砂;减水剂采用浓度 17%的聚羧酸减水剂;修复剂是以丙烯酰胺和丙烯酸为单体,亚甲基双丙烯酰胺为多官能团交联剂,在 50 氮气保护下,双方与水进行聚合反应而产生的环境响应型高分子共聚物;养护用水为去离子纯净水;实验用水为南京当地自来水。表 1水泥化学成分Table 1Chemical composition of cement%CaOSiO2Al2O3Fe2O357.9417.494.472.90MgOSO3Na2OK2O其他3.213.600.191.191.311.2试件制备及养护试件采用尺寸为 150 mm150 mm150 mm 的混凝土
15、立方体,具体配合比如表 2 所示。为保证试件和裂缝预制的质量,将逐层振捣法和三点加荷法相结合,在距模具底 50 mm 和 100 mm 处分别插入 2根和 1 根 细 钢 丝,钢 丝 的 直 径 为 2 mm,长 度 为150 mm,将试件在标准养护环境下养护 28 d,利用万能试验机以 0.03 0.04 MPa/s 的加载速度施加循环荷载预制裂缝,加载至裂缝出现为止,可在试件中央得到一条不规则裂缝,选取裂缝宽度约为 0.30.6 mm 的试件放入不同湿度环境下培养,检测养护龄期设置为 0,7,14,28 d。初始裂缝混凝土试件制作流程如图 1 所示。表 2混凝土试件配合比Table 2Mi
16、x proportions of concrete specimensg水泥水砂石子修复剂减水剂空白组1 5006602 2205 400掺入修复剂组1 4856452 2205 40015151.3环境的模拟1.3.1湿度环境采用可调 节 湿 度 和 温 度 的 恒 温 恒 湿 培 养 箱在设定混凝土标准养护温度的条件下来模拟相对湿度 30%、60%和 90%的试验环境,控湿范围为 20%90%,其中自然空气为南京市夏季室内环境。1.3.2干湿循环制度采用电热鼓风干燥箱和标准养护温度下浸泡来模拟干湿循环,水中浸泡 16 h,60 下烘干 6 h,冷却 2 h,24 h 为一个周期,试验共持续 60 次循环。每次采用 6 组试件进行试验,则干湿循环制度如表 3所示。表 3干湿循环制度Table 3Dry-wet cycle system浸泡温度/浸泡时间/h烘干时间/h冷却时间/h烘干温度/循环周期/h20 216616024156 工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期图 1初始裂缝混凝土试件制作流程Fig.1Flow chart of fabrication of initia
