多尺度混杂组料对混凝土自愈合能力的影响

文一鸣

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

混凝土对现代建筑建造至关重要，由于水泥基体具有先天的多孔隙、低抗拉强度等固有缺陷，所引发的裂缝会增加混凝土的渗透性、氯化物进入和碳化风险，加快内部钢筋腐蚀，降低结构的承载能力和耐久性。若混凝土裂缝不及时修补，会影响混凝土结构的正常使用，造成建筑物全面破坏甚至倒塌[1]。因此，研究混凝土材料在早期开裂后及时恢复失去的力学性能和渗透性势在必行。以下研究通过评价混凝土恢复后的力学和耐久性性能以及闭合裂缝作为愈合参数，评价结晶外加剂（CA）、粉煤灰（FA）和PVA纤维对混凝土早期裂缝自愈能力的影响。主要研究了控制混凝土、PVA纤维混凝土、粉煤灰（FA）混凝土和结晶外加剂（CA）混凝土等四种混凝土的愈合行为。通过对比分析，以了解结晶外加剂（CA）、粉煤灰（FA）和PVA纤维增强混凝土早期裂缝自愈的有效性，旨在为结晶外加剂（CA）、粉煤灰（FA）和PVA纤维在各种混凝土结构中应用提供理论与实践支持。

1 试验方案

1.1 材料和配合比

研究所用材料为水泥、粉煤灰、高效减水剂、水、粗骨料、细骨料、PVA纤维。在该研究中制备了四种不同混合配比混凝土试样，控制混凝土混合配比（M1）、0.1%的PVA纤维体积混合配比（M2）、20%的粉煤灰混合配比（M3）部分替代水泥以及2%的结晶混合料（CA）（按水泥混合料质量计）配比（M4）。配合比见表1。原材料的化学成分和物理性能见表2。制备了尺寸为100 mm³的混凝土立方体模具，用于测定混凝土的力学和耐久性能。

表1 混凝土配合比（kg/m³）

表2 OPC、FA和CA的元素含量

1.2 试验方法

评价所有混凝土试件的自愈合效果需要标准步骤[2-5]：第一，在试样中产生裂缝；第二，利用材料力学试验机、电阻测试仪分别测量混凝土单轴抗压强度、电阻值；第三，混凝土自愈合；第四，对恢复的混凝土试件进行性能评价。采用4个方法学阶段来研究混凝土样品的自愈效应，分别为试样早期产生裂纹、评价开裂混凝土的恢复力学和耐久性、裂纹表面的形态、显微组织分析。

1.2.1 制备混凝土试样早期裂纹

在第三天龄期，利用压缩试验机在中等加载速率（20kN/min）下对立方体试件产生早期裂纹预裂纹。开始时，施加载荷直到第一条裂纹出现，这允许裂纹张开不超过0.4 mm。由于裂缝宽度无法通过荷载控制，因此，决定所有试样的裂缝宽度从小裂缝到大裂缝不等。每个样品上的表面裂纹宽度由裂纹镜仪器测量。

1.2.2 开裂混凝土恢复的力学和耐久性评价指标

混凝土开裂前后的单轴抗压前度和电阻率计算如公式（1）和公式（2）所示，以此来评价自愈性质的改善。

2 试验结果与分析

2.1 力学性能恢复分析

根据单轴抗压强度来确定混凝土材料在轻微损坏后是否恢复了部分强度。以第三天开裂的掺杂不同混合比例的混凝土试样为例，即控制混凝土试样（M1）、掺有0.1% PVA纤维体积的试样（M2）、掺有20%粉煤灰的试样（M3）和掺有2% CA水泥的试样（M4），以计算抗压强度恢复率，然后将试样放置42天以恢复。与开裂的控制混凝土（M1）相比，开裂的CA混凝土（M4）抗压强度增加了36.6%。与开裂混凝土（M1）相比，PVA2（M2）和FA20（M3）试样28天后的强度分别提高了17.61%和22.79%，如图1所示。开裂混凝土愈合后的强度恢复率相对于M1、M2、M3和M4的未开裂混凝土分别为原抗压强度的78.51%、84.37%、85.95%和93.98%，如图2所示。抗压强度恢复主要归因于因C-S-H凝胶、孔隙堵塞沉积物和未水合水泥颗粒发生水合反应。因此，混凝土开裂之后强度恢复是由于自愈合导致裂纹闭合的缘故。研究还发现，试样中一些未水化材料由于开裂而暴露在环境湿度下，这也在CA的帮助下激活了具有自愈现象化学反应，最高强度恢复率反映在样品M4中。

图1 开裂混凝土的抗压强度（42天）

图2 混凝土强度恢复率R（S）

2.2 耐久性恢复分析

根据混凝土物理力学性能试验方法标准（GB/T 50081—2019），使用电阻率计进行体电阻率测试。愈合期结束后，湿海绵将湿立方体放置在两块平行金属板之间。浇筑混凝土试件后，施加拟定频率的交流电，并计算混凝土试件两端之间的电压。混凝土试样的电阻率如公式（3）所示。

式中：ρ为混凝土样品的电阻率（Ω·cm），A为混凝土试样的横截面积（cm2），L为混凝土样本长度（cm），z为由电阻率计（Ω）测量的阻抗。

当28天时，计算具有不同样品（即M1、M2、M3和M4）的开裂混凝土的电阻率。与开裂对照混凝土（M1）相比，含CA2（M4）的开裂混凝土电阻率增加了72.90%。而对于PVA2（M2）和FA20（M3）样品，与开裂的对照混凝土（M1）相比，28天后电阻率分别增加了35.47%和14.80%，如图3所示。开裂的M1、M2、M3和M4混凝土在早期愈合后电阻率恢复率分别为84.53%、90.49%、89.25%和94.43%，如图4所示。这是因为加入钙通过与氢氧化钙反应产生额外的C-S-H凝胶和孔锁定沉积物。这明显改善了胶凝晶格的微观结构，其基础是更致密的晶格形成，空隙减少，孔隙相互连接。一般来说，随着混凝土的老化，由于水泥的进一步水化和混凝土的逐渐硬化，电阻率增加。

图3 开裂混凝土的电阻率

图4 电阻率恢复率R（r）

2.3 愈合裂纹形态

裂纹在水内浸泡42天后形成白色裂纹密封而愈合，如图5所示。同时还可以观察到裂纹处的白色密封形成，M2和M4试样比M1和M3试样具有更高的愈合性能。即使在试样M1和M3中，也观察到裂纹密封，但裂纹愈合水平低于试样M2和M4。CA在42天内裂纹密封，还可观察到白色裂纹密封结构。与其他试样相比，CA试样在浸水条件下具有更高裂纹闭合能力。

2.4 微观结构分析

为观察具有裂纹混凝土试样分别混合M1、M2、M3和M4后，在水中养护42天后裂纹愈合情况，对所获取的混凝土试样裂缝表面碎片进行了SEM分析，如图6所示，发现所有试样裂纹中具有C-S-H凝胶、方解石和钙矾石形成，与其他M1、M2和M3混凝土混合物相比，经过42天养护后，M4混合物表现出更好的性能，水化产物更致密，结构更致密。观察CA样本中存在作为自愈合产物的CaCO3。

以上主要讨论了使用结晶外加剂、粉煤灰和PVA纤维对混凝土早期裂缝自修复能力的研究结果。与FA和PVA纤维相比，为了恢复力学性能和耐久性，发现使用CA作为添加剂有利于闭合裂缝。在M4试样混有CA的情况下，表面裂纹在42天内闭合，并且在愈合后的裂纹处观察到大量白色密封形成。考虑到CA的力学和耐久性能的恢复，抗压强度恢复率为93.98%，电阻率恢复率为94.43%，与其他混合料相比，这是最高的强度恢复率。研究还发现，自愈产品为C-S-H凝胶和CaCO3。通过对钙样品SEM研究，可以证实大量的CaCO3沉淀。因此，与粉煤灰和PVA纤维相比，混凝土添加钙显著提高了混凝土的自愈合能力。

3 结论

以上通过对结晶外加剂、粉煤灰和PVA纤维对混凝土早期裂缝自愈能力的研究发现，与FA和PVA纤维相比，为恢复力学和耐久性，发现CA作为添加剂有助于闭合裂缝。在M4混合物（CA）的情况下，表面裂缝在42天内闭合，并且在愈合后的裂缝处观察到大量白色密封层。考虑到CA的力学和耐久性的恢复，抗压强度恢复率为93.98%，电阻率恢复率为94.43%，这是与其他混合料相比强度恢复率最高的。研究还发现，自修复产物为C-S-H凝胶和CaCO3。CA样品的SEM研究可以验证CaCO3的大量沉淀。因此，与粉煤灰和PVA纤维相比，CA可以显著提高混凝土的自修复能力。