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    修复剂对高温后混凝土修复性能影响的试验研究.pdf

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    修复剂对高温后混凝土修复性能影响的试验研究.pdf

    2015年第7期 7月 混凝土与水泥制品 CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2015 No.7 July 修复剂对高温后混凝土修复性能 影响的试验研究 吕云霞,段金跃,李海昆 昆明冶金高等专科学校,650338 摘要为探究修复弈J对高温后混凝土性能的改善作用,通过试验研究修复剂种类和用量、修复养护时闻、修复 方式、温度、混凝土强度等级以及降温方式等对混凝土抗压强度、强度修复因子Rf和抗渗修复因子 的影响。结果 表明,聚氯酯的修复效果最好,硫化硅橡胶的修复效果最差;修复剂用量越多修复效果越好,浸泡法比涂刷法的修复 效果好。且浸泡时间越长修复效果越好;随着温度的升高,毋和尼逐渐增大,当温度超过700C时,毋急剧增长,修 复剂对混凝土强度和抗渗性能的改善作用明显增强;修复荆对C20混凝土的修复效果优于C60混凝土;修复养护 时间越长,修复效果越好,自然降温后的 和 大于洒水降温。高温修复后,裂缝处的CaOH 含量大幅降低,水 化硅酸钙和CaCO3晶体含量相对上升;修复作用使裂缝表面的CaCO3和CaOH2结晶体向CSH凝胶转变。 关键词混凝土;修复性能;修复剂;抗压强度;抗渗性能 AbstractIn order to explore the role of repair agent to improve the perance of concrete after high temperature. through test,the effects of repair agent type and amount,repair curing time,repair mode,temperature,concrete strength and cooHng s on concrete compressive strength,repair intensity factor and impermeability repair factor Rc are studied.The results show that the repair effect of polyuiethane was best,and the repair effects of silicone rubber was worst,the more repair dosage,the better restoration,and the immersion is beRer than brushing for repair effect,and the longer soaking,the beRer repair effect.As the temperature increases,毋and increases gradually,and when the temperature exceeds 700C, grows rapidly,and the repair agent can improve the concrete strength and impe meability significantly.The repair agent for C20 concrete is beRer than that of C60 concrete,the longer repair curing time,the beRer repair effect,and and Rc of natural cooling 8弛more than that of sprinkler cooling.After the high temperature re- pair,the Ca0 content at cracks significantly reducehydrated calcium silicate crystals and CaC03 content increased,and CaCO3 and ca0H2 crystals in the cra.ck surface turned to C-SH gel transition with repair effect. Key wordsConcrete;Repair effect;Repair agent;Compressive strength;Impermeability 中图分类号TU528.042 文献标识码A 文章编号100046372015071906 . 0前言 水泥混凝土作为一种常见的土木工程材料。在 公路、铁路和建筑等工程领域得到了广泛应用。然 而,混凝土在自身膨胀、收缩和碳化、水流冲刷、大 温差和盐离子侵蚀等环境因素的复合作用下极易 发生开裂,耐久性面临严重考验【l-2]。提高混凝土的 耐久性不仅要从前期材料组成、施工和维修等方面 考虑。而且要靠混凝土后期的自我修复来解决[3卅。 目前,国内学者对混凝土自修复技术进行了大量研 究。申春丽IS]以改性水玻璃和聚氨酯为修复剂对PVA 纤维混凝土裂缝进行修复,结果显示修复剂能明显 修复PVA纤维混凝土的裂缝,显著提高混凝土强 度。张鸣【固用原位聚合法合成了一种混凝土裂缝修 基金项目云南省教育厅课题2011C062。 复微胶囊,结果显示微胶囊能很好地填充在混凝土 内部的裂缝中,阻止连通孔隙的出现。能对混凝土 起到很好的修复作用。董Slim以环氧E一5l为基体, 经过固化合成一种混凝土自修复胶粘剂。并将胶粘 剂掺入砂浆中,结果显示能很好地修复砂浆的裂 缝。随后耿飞IS]以混凝土膨胀和收缩两阶段的相关 理论对混凝土自修复的机理进行了解释。以上研究 都是对混凝土处于常温环境时的修复性能进行分 析,对高温损伤后混凝土修复技术的研究至今较 少。相关研究表明[9-坷。高温损伤后混凝土的强度会 急剧下降甚至会产生高温爆裂,而且高温使混凝土 的抗渗性能、抗碳化性能等明显降低,严重影响了 混凝土的服役水平。因此,研究高温损伤后混凝土 的修复性能,并阐明修复剂的修复机理具有十分重 要的现实意义。本文通过试验,研究高温损伤后修 一19 2015年第7期 混凝土与水泥制品 总第231期 复剂对混凝土强度和抗渗性能的改善作用。为进一 步研究混凝土的自修复技术提供理论参考。 1 试验 1.1原材料 水泥分别选用四川某公司生产的PR 32.5级 和P0 42.5级水泥,前者用于配制C20混凝土,后 者用于配制C60混凝土。水泥的相关技术指标均能 满足规范要求;细骨料采用普通河砂,细度模数为 2.7;粗骨料为520mm连续级配碎石;水为自来水; 为防止C60混凝土的高温爆裂。在其中加入0.6%的 聚丙烯纤维修复剂选用硫化硅橡胶、聚醋酸乙烯 酯、聚氨酯和丙烯酸酯胶乳四种修复剂,技术指标 如表1所示。两种混凝土配合比如表2所示。 表1修复剂的技术指标 表2各混凝土配合比设计 kg,m。 1.2试验方法 按相关标准分别成型混凝土标准抗压试件和 抗渗试件,成型1d后脱模,并在标准养护室养护 60d。用电炉以5C/min的加热速率将试件加热至不 同温度后保持恒定温度90min,分别进行自然降温 和洒水降温直至试件达到室温状态。然后在试件表 面涂刷修复剂或在修复剂乳液中浸泡,并设定不同 的修复养护时间。最后按照相关规范要求i见4定混凝 土的抗压强度和氯离子渗透系数。 2不同修复条件下混凝土的修复性能 2.1 修复剂种类对修复性能的影响 分别在经受500%高温后,自然降温至室温的 C20混凝土试件表面涂刷0.4km 的硫化硅橡胶、 聚醋酸乙烯酯、聚氨酯和丙烯酸酯,测定经28d和 90d修复养护后的抗压强度,并与未涂刷修复剂的 试件作对比,研究修复剂种类对修复性能的影响, 试验结果如图1所示。 从图1可以看出。相同条件下使用修复剂能大 幅提高混凝土经受高温后的抗压强度,但是选用的 一20一 芝 赠 罨 嘲 出 酸酯 修复养护时间,d a自然降温 一基准一硫化硅橡胶一丙烯酸酯 修复养护时间,d b洒水降温 图1修复剂种类对抗压强度的影响 修复剂不同.抗压强度随修复养护时间的变化规律 不同。综合两种降温方式下的抗压强度,四种修复 剂对混凝土高温后抗压强度的改善效果顺序依次 是聚氨酯聚醋酸乙烯酯丙烯酸酯硫化硅橡胶。 表明聚氨酯对混凝土高温损伤后的修复效果最好, 因而优先选择聚氨酯对混凝土进行高温后的修复. 这主要与聚氨酯能更好地促进混凝土中未水化水 泥的水化作用,生成的水化产物数量较多有关。 两种降温方式下。混凝土抗压强度随修复养护 时间的变化规律完全不同。自然降温时,随着修复 养护时间的延长,抗压强度逐渐减小,其中聚氨酯 使抗压强度在14d时达到最小值,而使用其他三种 修复剂时抗压强度在28d达到最小值,之后再延长 修复养护时间.抗压强度会逐渐增大。而洒水降温 时,14d以前随着修复养护时间的延长,抗压强度急 剧增大.当修复养护时间由14d延长至28d时。抗 压强度有所降低,之后抗压强度又随着修复养护时 间的延长逐渐增大。这主要是因为高温后采取自然 降温时.混凝土内部水分极少。严重影响了水泥的 水化,28d以前虽然修复剂能起到一定的修复作用, 但无法完全弥补抗压强度的损失.28d后修复剂的 修复作用逐渐增强,因而抗压强度增大。洒水降温 为混凝土补充了一定的水分.加速了水泥的水化作 用,水化产物逐渐填充在高温形成的裂缝之中,混 如 吕云霞,段金跃,李海昆 修复剂对高温后混凝土修复性能影响的试验研究 凝土密实性增强,抗压强度增大,当修复养护达到 28d时,多余的水化产物使混凝土体积膨胀,出现新 的裂缝。因而抗压强度会降低,在90d时水化产物 的强度提高。混凝土体积比较稳定。因而抗压强度 又会提高。 2.2修复剂用量和修复方式对修复性能的影响 将C20混凝土试件经受500C高温后,采取不 同的修复方式涂刷、浸泡1h、浸泡12h和浸泡 24h和不同的聚氨酯用量0,0.4kg/m3.0.8kg/m。和 1.2kg/m。,测定修复养护28d后混凝土的抗压强度, 研究修复剂用量和修复方式对修复性能的影响,试 验结果如图2所示。 善 嘿 出 修复剂l/kg/m3 图2修复剂用量对抗压强度的影响 从图2可以看出,随着修复剂用量的增多。混 凝土高温后的抗压强度逐渐增大.例如高温后在混 凝土表面涂刷0.4kg/m 和1.2kg/m 的修复剂时.混 凝土抗压强度分别由15.89MPa提高至17.15MPa 和18.13MPa。解释其原因为修复剂之所以能提高 混凝土高温损伤后的抗压强度,是因为修复剂能促 使水泥的水化生成CSH凝胶,而CSH凝胶是 混凝土形成强度的主要成分,其中修复剂用量越 多,渗入混凝土内部起修复作用的修复剂越多.生 成的CSH凝胶越多,因此抗压强度越高。 当修复剂用量相同时,相比涂刷法.使用浸泡 法进行修复时混凝土具有更高的抗压强度.且浸泡 时间越长,抗压强度越大。这主要是因为使用浸泡 法时,修复剂更容易通过裂缝和空隙进入混凝土内 部,促进水泥的水化作用,而且浸泡时间越长,进入 混凝土内部的修复剂数量越多。生成的CSH凝胶 越多,因此抗压强度越高。 . 3不同高温下混凝土的修复性能 3.1抗压强度 选用C20和C60两种混凝土,将混凝土试件经 不同温度的高温损伤后,采用自然降温和洒水降温 两种降温方式,待其降至室温后,在试件表面涂刷 0.4kg/m。的聚氨酯,并养护不同的时间28d和90d 后测定修复前后的抗压强度,并按式1计算强度 修复因子吩,其中吩越大表明修复剂对混凝土的强 度提高越多,结果如图3所示。 譬 。 式中 。和 。分别为修复前后混凝土的抗压强 度,MPa。 温度/℃ a自然降温 温度,℃ b洒水降温 图3温度对强度修复因子的影响 从图3可知,两种降温方式下,随着温度的升 高强度修复因子R,逐渐增大。尤其是当温度超过 700C时,R,随温度升高急剧增大,例如,当温度由 200%升高至700C后,采取自然降温时,C20混凝土 修复养护28d后的R,值从5.376%增大至17.598%, 增长了2.27倍。表明修复剂能明显提高混凝土高温 损伤后的抗压强度,且温度越高抗压强度提高幅度 越大。解释其原因为温度越高混凝土内部损伤越 严重,高温膨胀造成的裂缝越多。当温度超过700C 时混凝土内部连通孔隙数量增多。混凝土吸水性增 强,相同时间段内进人混凝土核心区域的修复剂数 量急剧增加,修复效果显著改善,因此 ,急剧增大; 另外,温度越高混凝土高温损伤越严重,自我修复 能力越差,此时修复剂能明显促进混凝土的自我恢 一2】一 2015年第7期 混凝土与水泥制品 总第231期 复能力,因而抗压强度恢复越多,R,越大。 相同条件下,C20混凝土的 ,大于C60混凝 土,表明混凝土强度等级越低。修复剂的修复效果 越好。这主要是因为,相比于C60混凝土.C20混凝 土内部空隙率较大,密实程度较低,因此,高温损伤 后修复剂越容易进入混凝土内部.因而修复效果较 好;混凝土强度等级越高,高温损伤后的自我恢复 能力越强,因此修复剂的修复作用越弱,R, 、。修 复养护90d后混凝土的 r值大于28d时的 r值, 表明随着修复养护龄期的延长。修复剂对混凝土的 修复作用逐渐增强,同时,混凝土强度等级越高,修 复养护时间对修复效果的影响越弱这主要是因为 混凝土抗压强度的增长主要来自于两方面一方面 是高温后混凝土自我恢复引起的抗压强度增长,另 一方面是由于修复剂对水泥水化的激活。生成的水 化产物引起的抗压强度增长。当时间由28d延长至 90d时,对C20混凝土而言,混凝土自我修复引起的 抗压强度增长完全小于修复剂对抗压强度的贡献, 因此90d和28d的R,值差距较大对于C60混凝 土,混凝土自我修复引起的抗压强度增长远大于 C20混凝土,因而90d和28d的R,值差距较小。 相同条件下,采取自然降温时的 ,大于洒水降 温时的,表明修复剂对自然降温混凝土的修复效果 较好。这是因为洒水降温能为混凝土中水泥的水化 补充一定的水分,能改善混凝土的自我修复功能; 而自然降温由于水泥水化被阻止,混凝土自我修复 功能极差,因此,修复剂的渗入能明显加快其恢复 能力,因而尺,值较大,修复效果较好。 ‘ 3.2抗渗性能 对C20和C60两种混凝土进行不同温度的高 温损伤后。采用自然降温和洒水降温两种降温方 式.待其降至室温后,在试件表面涂刷0.4kg/m 的聚 氨酯,并养护不同时间28d和90d后测定修复前 后的氯离子渗透系数,并按式2计算抗渗修复因 子尺 ,其中 。越大表明修复剂对混凝土的抗渗性 能改善越明显,结果如图4所示。 R .CrCo100 2 CO 式中c 和c。分别为修复前后混凝土的氯离子 渗透系数。 从图4可以看出,随着温度的升高,混凝土抗 渗修复因子 逐渐增大,表明高温损伤后,修复剂 能显著提高混凝土的抗氯离子渗透能力,且温度越 高提高幅度越大。这是因为修复剂渗入混凝土内部 后能激发水泥的水化,生成大量的CS-H凝胶并填 一22 75 60 30 15 温度,℃ a自然降温 . 温度,℃ b洒水降温 图4温度对抗渗修复因子的影响 充在混凝土的内部空隙中,提高了混凝土的密实 性,因此使混凝土抗渗性能提高。随着温度的升高, 混凝土高温引起的膨胀开裂越严重,一方面修复剂 越容易进入混凝土内部,另一方面温度越高混凝土 抗渗性能越差,修复剂对抗渗性能的改善基数越 大,因此,随着温度的升高,R 逐渐增大。 相同条件下,采取自然降温时,修复剂对混凝 土高温抗渗性能的改善效果比洒水降温时好。修复 剂修复后C20混凝土的R 大于C60混凝土,且随 修复养护龄期的延长,两者间的差值逐渐缩小,例 如,当混凝土经受600C高温后,采取自然降温时, C20混凝土和C60混凝土经28d修复养护后的R 分别为58.6%和27.4%,两者之间的差值为31.2%, 而当修复养护时间为90d时,两者相差13.9%。表明 混凝土强度等级越低,修复剂对混凝土高温后抗渗 性能的改善越显著。这主要是因为高温后C20混凝 土的高温损伤比C60混凝土严重,内部裂缝较多, 修复剂更容易进人混凝土内部促进水泥水化从而 更明显地改善混凝土的抗渗性能,同时随着修复养 护时间的延长,进入混凝土内部的修复剂数量逐渐 增多。加之C60混凝土有更强的自我恢复能力,因 而C20混凝土和C60混凝土的 差逐渐缩小。 4高温修复机理 为研究修复剂对混凝土高温后的修复机理,并 吕云霞,段金跃,李海昆 修复剂对高温后混凝土修复性能影响的试验研究 验证前文试验结果的可靠性,将C20混凝土试件在 经受500C高温后,采取自然降温至室温,在其表面 涂刷0.4kg/m。的聚氨酯修复剂.养护至28d后,将试 件劈开。刮取裂缝表面的沉淀物进行XRD分析,对 裂缝表面形态进行SEM分析.并与未刷修复剂的试 样作对比。结果分别如图5和图6所示。 140o 12oo 10oO 800 U 6oo 4oo 2oo 0 3oo 25O 2oo 150 U 10o 5O O 0 1O 20 3O 40 50 6o 7O 8O 20/。 a修复前 O 1O 20 30 40 5O 6O 70 80 20/。 b修复后 图5修复前后试样裂缝表面沉淀物质的XRD 一一 a修复前 b修复后 图6修复前后试样裂缝表面的SEM图片 从图5可以看出。修复前试样裂缝表面处的沉 淀物主要是由CaOH、CaCO,和少量的水化硅酸钙 晶体组成。修复后试样裂缝表面处的沉淀物主要是 CaOH2、水化硅酸钙和CaCO 晶体,修复后CaOH 的特征峰强度明显降低,表明其含量大幅减少,而 水化硅酸钙和CaCO 晶体含量相对上升。这是因为 使用修复剂后,水泥浆体中未水化的水泥遇水发生 水化。生成CaOH ,由于CaOH2过饱和而结晶析 出.同时其与水中少量的HC03-和C032一结合生成 CaCO3,CaCO,在裂缝壁上结晶生长,对混凝土起到 高温修复作用。 从图6可以看出.修复前试样裂缝表面结晶矿 物较多且粗大,大部分呈板状、立方状颗粒,尖状和 纤维状结晶体较少。结合XRD结果可知此立方结 晶体主要为CaCO ,而板状结晶体主要为CaOH。 修复后试样裂缝表面虽然也有部分立方体CaCO, 和板状体CaOH ,但所占比例较少,而针状晶体和 絮状凝胶明显增多。结合XRD结果可知此絮状凝 胶主要为CSH凝胶。表明修复剂对高温后混凝土 的修复作用主要与生成的CSH凝胶密切相关。 修复剂中含有较多的络合物能与水泥石基体 中的Ca2发生络合作用生成络合物结晶体,并吸附 在水泥石的毛细管壁中。同时络合物与水泥石中未 水化的水泥、活性SiO等发生反应,络合基团被硅 酸根、铝酸根和碳酸根等取代,生成更稳定的结晶 沉淀物,并促进未水化的水泥进行水化反应,生成 CSH凝胶,CSH凝胶填充在高温后形成的裂缝 和孔隙之中,对混凝土产生修复作用,从而提高了 混凝土经受高温后的强度和抗渗性能。 5结论 1四种修复剂对混凝土高温后抗压强度的改 善效果顺序依次是聚氨酯聚醋酸乙烯酯丙烯酸 酯硫化硅橡胶。因而宜选用聚氨酯对高温损伤后 的混凝土进行修复;降温方式不同,混凝土抗压强 度随修复养护时间的变化规律不同;修复剂用量越 多抗压强度越大,相比于涂刷法,采用浸泡法修复 时混凝土有更高的抗压强度。且浸泡时间越长抗压 强度越大。 . 2强度修复因子 ,随温度的升高逐渐增大, 当温度超过700C时R,急剧增大,修复剂修复效果 明显变好;C20混凝土的R,大于C60混凝土的,表 明混凝土强度等级越低。修复剂的修复效果越好; 修复养护时间越长,对抗压强度的提高程度越显 著;自然降温时的 ,大于洒水降温时的,表明修复 剂对自然降温混凝土的强度提高幅度较大。 3随着温度的升高,混凝土抗渗修复因子R 逐渐增大。修复剂对混凝土高温后抗渗性能的改善 效果越好;修复剂对C20混凝土高温后抗渗性能的 修复效果优于C60混凝土;相比于洒水降温,修复 剂对自然降温的混凝土高温损伤后的抗渗性能修 复效果较好。 4修复前后试样裂缝表面处的沉淀物主要有 一23

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