胡棟，左程，宋嘉城，李楊，周世華

（1.湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南 岳陽(yáng) 414500；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430010）

0 前言

耐久性影響混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命，其配合比設(shè)計(jì)也正從傳統(tǒng)的以強(qiáng)度目標(biāo)為導(dǎo)向逐漸向以耐久性轉(zhuǎn)變[1]。表面涂層防護(hù)技術(shù)是提高混凝土耐久性的重要手段之一，如氟碳涂層、聚脲涂層、環(huán)氧樹(shù)脂涂層等[2]。但有機(jī)高分子涂層只能阻斷基體與周圍環(huán)境的接觸，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土損傷的修復(fù)，服役中也存在耐候性不足、大氣穩(wěn)定性不夠、抗老化能力不強(qiáng)等問(wèn)題。

近年來(lái)，滲透結(jié)晶技術(shù)應(yīng)用逐漸增多，包括水泥基滲透結(jié)晶（CCCW）材料、有機(jī)硅烷類浸漬材料等[3]，其活性物質(zhì)能夠激活和催化未水化的水泥顆粒，并與Ca（OH）2、AFt等水泥水化產(chǎn)物發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)，從而填塞毛細(xì)孔，增強(qiáng)基體的密實(shí)程度，達(dá)到損傷修復(fù)和表層強(qiáng)化的目的。同時(shí)，CCCW材料可在休眠狀態(tài)與啟動(dòng)狀態(tài)之間多次轉(zhuǎn)換[4]，具有同壽命服役和反復(fù)施效的能力。目前，CCCW材料已在三峽樞紐、上海地鐵、周寧抽蓄電站、南水北調(diào)中線渡槽等多個(gè)工程應(yīng)用。

傳統(tǒng)的水泥基滲透結(jié)晶（CCCW）材料具有作用周期長(zhǎng)、施工程序多、易爆皮開(kāi)裂等不足[2]，并且只能在混凝土硬化拆模后進(jìn)行涂刷。新型的水溶性滲透結(jié)晶（DPS）材料利用混凝土吸水動(dòng)力學(xué)特性，克服了CCCW材料的缺陷和不足，噴涂時(shí)機(jī)不受混凝土硬化狀態(tài)的限制，并且對(duì)基底的干燥程度無(wú)嚴(yán)格要求，可在混凝土自初凝后全壽命周期的各個(gè)階段進(jìn)行施工。但已有研究主要集中在DPS材料對(duì)混凝土硬化后期性能的影響[3-6]，在水化早期抗裂性能、養(yǎng)護(hù)保濕效果、裂縫修復(fù)能力等方面少有報(bào)道。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用平板開(kāi)裂試驗(yàn)、透水速率試驗(yàn)和滲水高度試驗(yàn)等方法，研究DPS材料對(duì)混凝土早期開(kāi)裂敏感性、裂后自愈合能力、抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能的影響，并分析DPS材料養(yǎng)護(hù)和保濕特性，從而為DPS材料的工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，密度3.02 g/cm3，比表面積320 m2/kg，細(xì)度0.3%；粉煤灰：F類Ⅱ級(jí)，密度2.39 g/cm3，燒失量0.98%，細(xì)度10.4%，需水量比101%，28 d活性指數(shù)74.3%。水泥和粉煤灰的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 水泥和粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

人工砂：細(xì)度模數(shù)2.90，表觀密度2.68 g/cm3，石粉含量7.3%，飽和面干吸水率1.62%，級(jí)配曲線如圖1所示；碎石：5～20 mm小石和20～40 mm中石，表觀密度2.73 g/cm3，飽和面干吸水率0.57%。

圖1 人工砂的級(jí)配曲線

DPS材料：透明堿性液體，主要性能如表2所示，具有較好的耐熱性能以及與混凝土的相容性，可在160℃下保溫2 h不出現(xiàn)表面粉化或裂紋，并在混凝土噴灑后不呈滾珠狀掉落。

表2 DPS材料的主要性能

減水劑：緩凝型PCA-1聚羧酸高性能減水劑，減水率28%，用于改善混凝土拌合物的和易性；引氣劑：GYQ-1型，用于調(diào)整混凝土的孔結(jié)構(gòu)特性，使用前需加水稀釋，稀釋倍數(shù)為100倍。

1.2 試驗(yàn)配合比

混凝土配合比如表3所示。采用WZ-60型臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌合，粉料和骨料先干拌2 min，然后加拌合水繼續(xù)濕拌2 min；結(jié)束后裝入邊長(zhǎng)為150 mm的立方體抗壓強(qiáng)度試模和尺寸為φ175 mm×φ185 mm×150 mm的圓臺(tái)抗?jié)B試模，并經(jīng)振搗成型和保濕靜置24 h后拆模，移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。

表3 混凝土配合比和原材料用量

使用純水泥砂漿研究DPS材料的裂縫修復(fù)效果，砂漿水灰比為0.5，灰砂比為1∶3，攪拌和成型方法參照GB/T17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）抗壓強(qiáng)度?；炷猎嚰殖稍囼?yàn)組和對(duì)比組，均標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7、14、28、90 d后，置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中105℃下烘干24 h至恒重，然后試驗(yàn)組在DPS溶液中浸泡24 h至吸收飽和，而對(duì)比組在純凈水中浸泡24 h至吸收飽和；將2組試件取出，表面擦干后再次標(biāo)養(yǎng)28 d；最后，按照SL/T 352—2020《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

（2）混凝土吸水率及DPS材料吸收率?；炷猎嚰?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7、14、28、90 d后，取出并置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中，在105℃下持續(xù)烘干24 h至恒重，然后浸泡于純凈水或DPS材料中，浸泡24 h后取出，用濕毛巾擦干試件表面并稱量質(zhì)量，然后利用初始干燥質(zhì)量和浸泡后的質(zhì)量計(jì)算混凝土吸水率或DPS材料的吸收率。

（3）抗?jié)B性能。采用滲水高度和相對(duì)滲透系數(shù)研究DPS材料對(duì)混凝土透水性能的影響，試驗(yàn)組和對(duì)比組的養(yǎng)護(hù)齡期分別為7、28、90 d，參照SL/T352—2020進(jìn)行測(cè)試。

（4）早期抗裂性能。平板法開(kāi)裂試驗(yàn)的試件尺寸為600 mm×600 mm×63 mm。試驗(yàn)步驟和環(huán)境要求按照SL/T 352—2020進(jìn)行。DPS材料用藥壺人工噴灑，用量分別為50、150、250、350 mL/m2。噴灑分2次進(jìn)行，前后時(shí)間間隔為30 min，噴灑量比例為60∶40。

（5）裂縫修復(fù)能力。使用尺寸為160 mm×130 mm×40 mm的砂漿試件進(jìn)行試驗(yàn)，研究DPS材料對(duì)水泥基材料裂縫的修復(fù)能力。砂漿試件的養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。DPS材料用量分別為10、20、30mL。DPS材料填塞后的試件再分別養(yǎng)護(hù)3、7、14、28 d。試驗(yàn)步驟按照T/CECS848—2021《無(wú)機(jī)水性滲透結(jié)晶型材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

混凝土早期抗裂性能分別用每條裂縫的平均開(kāi)裂面積、單位面積上的裂縫數(shù)目、單位面積上的總開(kāi)裂面積和裂縫降低率進(jìn)行表征，其中裂縫降低率η按式（1）計(jì)算。

式中：C0——對(duì)比組單位面積上的總開(kāi)裂面積，mm2/m2；

C1——試驗(yàn)組單位面積上的總開(kāi)裂面積，mm2/m2。

DPS材料對(duì)砂漿裂縫的修復(fù)效果使用滲水速率和滲水速率比表征，計(jì)算方法如式（2）、式（3）所示。

式中：Q——滲漏量，mL；

t——試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，min；

V——滲水速率，mL/min；

Vc——未注入DPS材料溶液對(duì)比組的滲水速率，mL/min；

VS——注入DPS材料溶液試驗(yàn)組的滲水速率，mL/min；

μ——試驗(yàn)組和對(duì)比組的滲水速率比，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 DPS材料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)圖2）

圖2 DPS材料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可見(jiàn)，試驗(yàn)組和對(duì)比組的抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而提高，抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期之間呈較好的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。相同齡期時(shí)，試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度高于對(duì)比組，并且差異幅度隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而縮小。7 d齡期時(shí)，試驗(yàn)組和對(duì)比組的抗壓強(qiáng)度分別為34.7、29.4 MPa，兩者相差18.0%；而90 d齡期時(shí)，試驗(yàn)組和對(duì)比組的抗壓強(qiáng)度分別為50.3、48.2 MPa，兩者相差4.3%。這說(shuō)明在水化早期噴涂DPS材料的作用效果較好。

試驗(yàn)組混凝土吸水率和DPS材料吸收率隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)組混凝土吸水率和DPS材料吸收率隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律

由圖3可見(jiàn)，相同齡期時(shí)，試驗(yàn)組混凝土吸水率大于DPS材料吸收率，并且DPS材料吸收率隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而減小，早期下降速度較快，后期逐漸變緩，兩者間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。實(shí)際上，混凝土對(duì)液體的吸收能力與自身孔結(jié)構(gòu)特性、液體黏度、環(huán)境溫度等因素有關(guān)[7]。DPS材料粘滯系數(shù)高于水，導(dǎo)致DPS材料吸收率小于混凝土的吸水率。不僅如此，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，CSH、AFt、Ca（OH）2、AFm等水化產(chǎn)物數(shù)量不斷增多，混凝土孔隙率減小且孔徑細(xì)化，也會(huì)導(dǎo)致DPS材料的吸收率減小。

DPS材料吸收率與試驗(yàn)組較對(duì)比組混凝土抗壓強(qiáng)度提高幅度的關(guān)系如圖4所示。

圖4 DPS材料吸收率與混凝土抗壓強(qiáng)度提高幅度的關(guān)系

由圖4可見(jiàn)，混凝土抗壓強(qiáng)度提高幅度隨DPS材料吸收率的增加而增大，兩者呈線性關(guān)系。DPS材料含有堿金屬離子、硅酸鹽、絡(luò)合劑、催化劑等組分[2]，通過(guò)激活和催化未水化的水泥顆粒，促進(jìn)水化產(chǎn)物數(shù)量增加和體積增多，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部密實(shí)程度增大，從而達(dá)到提高抗壓強(qiáng)度的效果。

DPS材料通過(guò)滲透和結(jié)晶發(fā)揮作用[7]。滲透深度決定了DPS材料的作用范圍，而結(jié)晶能力影響了DPS材料的作用效果[8]。高強(qiáng)度等級(jí)混凝土由于內(nèi)部密實(shí)程度較高，DPS材料的侵入阻力較大、滲透總量較少，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的提高幅度比較有限[6]。這說(shuō)明DPS材料對(duì)表層混凝土具有較強(qiáng)的作用能力。

2.2 DPS材料對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響（見(jiàn)表4）

表4 DPS材料對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響

由表4可見(jiàn)，試驗(yàn)組和對(duì)比組的滲水高度、相對(duì)滲透系數(shù)均隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而減小，其中對(duì)比組的降低幅度較大，如從7 d齡期到90 d齡期，對(duì)比組的滲水高度和相對(duì)滲透系數(shù)分別減小了52.1%、77.1%，而試驗(yàn)組則分別減小了33.3%、55.5%。相同齡期時(shí)，試驗(yàn)組的滲水高度和相對(duì)滲透系數(shù)均小于對(duì)比組，相對(duì)滲透系數(shù)僅為對(duì)比組的12%～24%，表明DPS材料對(duì)混凝土抗?jié)B性能的提高效果遠(yuǎn)高于抗壓強(qiáng)度。

混凝土抗?jié)B性能與孔結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)。DPS材料對(duì)混凝土毛細(xì)孔和微細(xì)裂紋的作用效果顯著，而混凝土抗壓強(qiáng)度受毛細(xì)孔的影響較小[9]，因而出現(xiàn)DPS材料對(duì)混凝土抗?jié)B性能提高幅度遠(yuǎn)高于抗壓強(qiáng)度的效果。同時(shí)，表層混凝土DPS材料的活性物質(zhì)濃度和反應(yīng)程度高于內(nèi)部混凝土，導(dǎo)致抗?jié)B試件表面包裹了一層經(jīng)過(guò)密實(shí)化處理的“防滲外衣”，因而出現(xiàn)試驗(yàn)組抗?jié)B性能隨養(yǎng)護(hù)齡期變化幅度較小的情況。這也說(shuō)明DPS材料噴涂后養(yǎng)護(hù)28 d即可達(dá)到較好的作用效果。

2.3 DPS材料對(duì)混凝土早期抗裂性能的影響（見(jiàn)表5）

表5 DPS材料對(duì)混凝土早期抗裂性能的影響

由表5可見(jiàn)，DPS材料能夠降低混凝土的早期開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，減小裂縫尺寸，并減少單位面積上的裂縫數(shù)量和總開(kāi)裂面積。但DPS材料的作用效果與其用量有關(guān)，低用量下的作用效果比較有限；而用量超過(guò)一定水平后，再繼續(xù)提高其用量的改善能力降低。如DPS材料用量為50 mL/m2時(shí)，裂縫降低率僅為16.1%；而用量增加到250 mL/m2時(shí)，裂縫降低率提高至88.2%；但用量進(jìn)一步增加到350 mL/m2時(shí)，裂縫降低率提高至95.0%。這說(shuō)明DPS材料存在比較經(jīng)濟(jì)的用量范圍。從平板開(kāi)裂試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，DPS材料用量在250～350 mL/m2較好。

混凝土早期開(kāi)裂主要與塑性收縮有關(guān)[8]，而水分蒸發(fā)是導(dǎo)致塑性收縮的重要因素。混凝土表面噴灑DPS材料后，一方面，可以補(bǔ)充少量的水分；另一方面，活性物質(zhì)可滲入混凝土內(nèi)部，封閉混凝土表層的毛細(xì)孔道，減緩了水分蒸發(fā)速率，并減少水分蒸發(fā)量，從而提高了混凝土的早期抗裂性能。

DPS材料對(duì)混凝土表觀質(zhì)量的影響如圖5所示。

圖5 DPS材料對(duì)混凝土表觀質(zhì)量的影響

由圖5可見(jiàn)，噴灑250mL/m2DPS材料的混凝土表面呈灰白色，而未噴灑DPS材料的混凝土表面呈白色，說(shuō)明DPS材料具有一定養(yǎng)護(hù)劑的作用，可抑制混凝土的“泛減”現(xiàn)象?；炷聊Y(jié)硬化過(guò)程伴有強(qiáng)烈的水分交換作用，表層混凝土不斷的因水分蒸發(fā)而散失，導(dǎo)致內(nèi)部水分在壓力差作用下不斷的向表層遷移[10]，而Ca2+、Na+和K+等離子隨孔隙溶液的流動(dòng)而在表面富集和沉淀，從而引起混凝土表觀質(zhì)量的變化。DPS材料的養(yǎng)護(hù)劑作用是較CCCW材料的突出優(yōu)勢(shì)。

2.4 砂漿的裂縫修復(fù)和愈合能力

砂漿試件裂縫修復(fù)試驗(yàn)裝置如圖6所示。試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后取出，沿長(zhǎng)度方向劈開(kāi)并重新組合在一起，四周用防水鋁箔做密封處理后，在裂縫上方用熱熔膠固定一底部開(kāi)孔的塑料燒杯。通過(guò)觀察燒杯內(nèi)水的滲漏量和滲水速率，分析DPS材料對(duì)裂縫的修復(fù)效果。砂漿試件初始裂縫的平均寬度分別為0.33、0.28、0.42、0.37 mm。

圖6 砂漿試件裂縫修復(fù)試驗(yàn)裝置

DPS材料對(duì)砂漿裂縫修復(fù)試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6可見(jiàn)，整體上，未使用DPS材料的對(duì)比組滲水速率的變化較?。欢褂肈PS材料的試驗(yàn)組滲水速率隨養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)不斷降低，在養(yǎng)護(hù)開(kāi)始的7 d內(nèi)下降幅度較大，14 d后降幅較小。如對(duì)比組的初始滲水速率為10.6 mL/min，養(yǎng)護(hù)28 d后的滲水速率為10.0 mL/min；而試驗(yàn)組的初始滲水速率為9.7～11.3 mL/min，養(yǎng)護(hù)7 d后的滲水速率為2.3～4.2 mL/min，滲水速率下降了63%～78%；進(jìn)一步養(yǎng)護(hù)至28 d后的滲水速率為0.1～0.7 mL/min，滲水速率下降了94%～99%。這說(shuō)明DPS材料具有較好的裂縫修復(fù)能力，但修復(fù)效果與DPS材料用量、裂縫寬度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間有關(guān)。實(shí)際上，不少研究都認(rèn)為滲透結(jié)晶材料僅對(duì)寬度不超過(guò)0.4 mm的裂縫有較好效果[10-12]。

表6 DPS材料對(duì)砂漿試件裂縫修復(fù)試驗(yàn)結(jié)果

DPS材料的滲透和結(jié)晶都是緩慢進(jìn)行的過(guò)程，混凝土抗?jié)B性能和密實(shí)程度、水化產(chǎn)物吸附特性、外部水壓力等因素對(duì)DPS材料滲透速率有影響，環(huán)境溫度和濕度、離子濃度等因素對(duì)DPS材料結(jié)晶速率有影響[11]。同時(shí)，DPS材料中堿硅酸鹽反應(yīng)、輔助材料催化反應(yīng)等化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行也需要有水參與。因此，DPS材料噴涂后需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并且裂縫寬度、滲水速率隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而不斷減小。

砂漿試件裂縫修復(fù)過(guò)程如圖7所示，其中初始裂縫寬度為0.37 mm，DPS材料用量為30 mL。

圖7 DPS材料對(duì)砂漿裂縫的修復(fù)過(guò)程

由圖7可見(jiàn)，砂漿裂縫寬度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，縫內(nèi)有大量的白色結(jié)晶物質(zhì)生成，其體積和數(shù)量隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增大，促使裂縫最后逐漸閉合并消失，如7 d齡期時(shí)裂縫已基本被白色晶體完全填充，說(shuō)明DPS材料提高了砂漿裂后的自愈合能力。

目前，關(guān)于DPS材料的修復(fù)機(jī)理尚未統(tǒng)一，部分研究者認(rèn)為DPS材料通過(guò)結(jié)晶沉淀的方式發(fā)揮作用[13]，其中的堿硅酸鹽能夠與Ca（OH）2、AFt、CAH等水化產(chǎn)物進(jìn)一步反應(yīng)，生成CaCO3、NaOH、Al（OH）3、CSH等物質(zhì)[8]，從而填塞毛細(xì)孔和微裂隙。但也有研究者認(rèn)為，DPS材料通過(guò)絡(luò)合沉淀的方式發(fā)揮作用[14]，其中的Ca2+絡(luò)合物能夠激活和催化未水化的水泥顆粒，從而促進(jìn)水化產(chǎn)物體積和數(shù)量的不斷增多。2種理論都存在一定的缺陷和不足，但隨著DPS材料修復(fù)作用的不斷發(fā)揮，混凝土缺陷數(shù)量、外部滲水量都會(huì)逐漸減少，這對(duì)DPS材料的化學(xué)反應(yīng)又起到了抑制作用，并最終導(dǎo)致DPS材料的修復(fù)反應(yīng)中止，DPS材料進(jìn)入休眠狀態(tài)。DPS材料在休眠狀態(tài)與激活狀態(tài)之間的不斷轉(zhuǎn)換，賦予了水泥基材料長(zhǎng)期的裂后自愈合與損傷自修復(fù)能力。

3 結(jié)論

（1）DPS材料可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，但提高幅度與混凝土養(yǎng)護(hù)齡期、本體強(qiáng)度、孔結(jié)構(gòu)特性和DPS材料吸收率有關(guān)。早齡期和低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的提高效果明顯，而隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，混凝土對(duì)DPS材料的吸收率下降，抗壓強(qiáng)度的提高幅度也減小。

（2）DPS材料可使混凝土的滲水高度和相對(duì)滲透系數(shù)減小，提高混凝土的抗?jié)B性能，且對(duì)混凝土抗?jié)B性能的改善效果顯著優(yōu)于抗壓強(qiáng)度。但抗?jié)B性能改善效果隨養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)的變化較小，這主要與DPS材料在混凝土表面形成了一層密實(shí)化處理的“防滲外衣”有關(guān)。

（3）DPS材料可抑制混凝土的泛堿現(xiàn)象，提高水化早期的抗裂性能，并修復(fù)微細(xì)裂紋。DPS材料用量為250～350mL/m2時(shí)，混凝土早期裂縫降低率可達(dá)88.2%～95.0%。裂縫修復(fù)效果與DPS材料用量、裂縫寬度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間有關(guān)，比較經(jīng)濟(jì)的養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)是7～14 d。

（4）混凝土是透水、透氣的多孔材料，養(yǎng)護(hù)和服役過(guò)程中的水分交換可改善內(nèi)部濕度狀況，但DPS材料噴涂后導(dǎo)致混凝土表層密實(shí)度提高、透水能力降低和水分吸收特性變差，這對(duì)后期水化進(jìn)程及產(chǎn)物性能的影響需要進(jìn)一步研究。