基于纳米改性水泥基渗透结晶材料的混凝土自修复性能研究

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混凝土在浇筑和服役过程中易因物理化学作用产生裂缝。而裂缝的存在及发展趋势必然会影响混凝土的力学性能和耐久性。因此,改善和增强混凝土的裂缝自修复能力对于提高混凝土的力学性能和耐久性具有非常重要的意义。本文选用的水泥基渗透结晶型防水材料(Cementitious Capillary Crystalline Waterproofing Materials,CCCW)是一种绿色环保的无机防水材料,能够借助水渗入混凝土的毛细孔或裂缝,促进未水化水泥颗粒与水的化学反应,形成不溶于水的结晶体,闭合裂缝和填补孔隙,提高混凝土密实性和自修复性能,从而起到恢复并提升混凝土力学性能和耐久性的作用。纳米SiO2(Nano Silica,NS)是一种经济实用的纳米材料,具有很高的活性和巨大的比表面积,不仅可以促进水泥水化反应,而且能够物理填充微孔隙,从而降低混凝土的孔隙率,提高混凝土的密实性。鉴于此,本文在国家自然科学基金(51778272)的资助下,通过试验研究了CCCW和NS对损伤修复后的混凝土抗压强度、抗氯离子侵蚀性能和钢筋混凝土梁受弯性能的影响,并通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)分析了混凝土修复后裂缝处水化产物的微观结构。主要成果如下:1、CCCW和NS对混凝土抗压强度的影响。CCCW对混凝土早期强度有一定的削弱作用,但提高了混凝土的后期强度;NS提高了混凝土的抗压强度,尤其是早期强度,但抗压强度随着NS掺量的增加而降低;复掺CCCW与NS能够有效提高混凝土的抗压强度,复掺情况下混凝土的抗压强度高于基准混凝土及单掺CCCW混凝土,且复掺CCCW与NS对混凝土强度的提升效果随着龄期的延长而增强。2、CCCW和NS对混凝土修复后抗压强度和微观结构的影响。清水环境下单掺CCCW和复掺CCCW与NS能够有效恢复混凝土的抗压强度,且复掺情况下混凝土的自修复性能强于单掺情况;养护龄期越短,修复后混凝土的抗压强度越高;修复后混凝土的抗压强度随着预加载应力水平的增大而增大;修复后混凝土的抗压强度、强度恢复率和波速随着浸泡龄期的延长而增大;与基准混凝土和单掺CCCW混凝土相比,复掺CCCW与NS混凝土的裂缝修复后的微观结构在SEM观察下水化更加充分,结构更加密实。3、CCCW和NS对混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响。复掺CCCW与NS混凝土和单掺CCCW混凝土的抗氯离子侵蚀性能明显强于基准混凝土,其中复掺CCCW与NS混凝土的抗氯离子侵蚀性能最强;清水环境下修复30d后复掺CCCW与NS混凝土的抗氯离子侵蚀性能明显强于未修复的复掺CCCW与NS混凝土;混凝土的氯离子浓度和氯离子扩散系数随着应力水平的增大而增大;随着侵蚀龄期的延长,不同应力水平下混凝土的氯离子浓度差值和氯离子扩散系数差值而逐渐降低,而混凝土的氯离子浓度均呈现上升趋势,且取粉深度越浅,氯离子浓度的变化越明显;对于三种配合比混凝土的同一取粉深度,各个侵蚀龄期之间的浓度差值随着侵蚀龄期的延长而降低,其中复掺CCCW与NS混凝土的浓度差值的下降趋势更明显。4、CCCW和NS对钢筋混凝土梁损伤修复后受弯性能的影响。试验梁的跨中截面应变较好地符合平截面假定;在不同的暴露环境下,三类钢筋混凝土梁的受弯性能均得到了修复,其中复掺CCCW与NS对钢筋混凝土梁受弯性能的修复效果最佳;清水环境对复掺CCCW与NS钢筋混凝土梁受弯性能的修复效果最为明显;当预制裂缝宽度不大于0.3mm时,复掺CCCW与NS对钢筋混凝土梁的表面裂缝具有明显的修复效果。本文通过分析CCCW与NS对损伤修复后混凝土的抗压强度、抗氯离子侵蚀性能以及钢筋混凝土梁受弯性能的影响,为解决混凝土建筑开裂、渗漏和耐久性失效相关方面的工程实际问题提供了技术支撑。
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