CCCW改善混凝土高温灼烧后强度的试验研究

尚晓华，敬登虎，邵凯华

(1.山东鲁能亘富开发有限公司， 山东 济南 250000； 2.东南大学 土木工程学院， 江苏 南京 210096)

2015年—2017年我国商品混凝土总用量(据中国混凝土网粗略统计)依次为：22.23亿m3、22.29亿m3、22.98亿m3，呈现逐年递增的趋势，并且随着“十三五”规划的开展，对混凝土的需求将呈现快速增长趋势。然而实际结构工程中混凝土问题也是经常出现的。据调查资料显示：混凝土问题(如房屋建筑及地下工程渗漏现象、混凝土老化等问题)已然成为困扰混凝土结构发展的难题[1-4]。在此情况下，混凝土结构鉴定与加固技术兴然而起，如外粘碳纤维布加固技术、植筋加固技术等。经过大量实际工程证实，此类加固技术虽然能够在一定程度上起到加固修复效果，但均有一定的限制条件及优劣性。然而在混凝土工程加固实践中，诸如外界环境限制、业主诉求以及耐久性等性能方面的需求将会变得更加苛刻，因此有必要寻求更快捷高效的加固方式。

水泥基渗透结晶型防水材料(CCCW)原主要用途是防水，但依靠其独特的作用机理(渗透结晶作用[5-7])，其在建筑地下外墙等混凝土工程中逐步得到社会的青睐[8-9]。本文主要通过试验研究水泥基渗透结晶型防水材料改善高温灼烧混凝土性能的适用性。

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验共设计34个φ=150 mm、h=300 mm的混凝土圆柱体试件，主要用于力学性能试验(30个)与微观结构性能试验(4个)，分组情况详见表1、表2，其中测试日期计算始点为涂刷XYPEX浓缩剂当日，而涂刷日期为冷却至室温后静置7 d(延迟稳定强度[10]的影响)；Z表示自然冷却，P表示喷水冷却。其中试验变量包括：

(1) 灼烧温度：300℃与600℃。

(2) 灼烧方式：本试验采用模拟高温的仪器为节能箱式电阻炉，采用线性升温方式，升温速率5 ℃/min，考虑到构件尺寸对耐火极限的影响，因此当达到设定温度(300℃或600℃)后恒温1.4 h。

(4) 水泥基渗透结晶型防水材料选用XYPEX浓缩剂(涂刷与否)。

表1 力学性能试验编号

表2 微观结构性能试验编号

1.2 试验方案

参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》[11]设计力学性能试验。试验仪器选用200 T全能试验机。

微观结构性能试验仪器选用的是“XL-30环境扫描电子显微镜”。

2 试验结果及分析

2.1 力学性能试验

2.1.1 试验结果

力学性能试验测试结果见表3。

表3 力学性能试验测试结果

注：残余抗压强度比=残余抗压强度/常温下试件强度

2.1.2 CCCW对高温灼烧混凝土抗压性能的影响

由表3得出试件残余抗压强度比柱状图(见图1)。

由表3得出XYPEX浓缩剂对高温灼烧后各工况下混凝土的改善程度(见表4)。

注：图中数字3、6分别标志为300℃与600℃，字母分别标志A：自然冷却、不涂刷XYPEX；B：自然冷却、涂XYPEX；C：喷水冷却、不涂XYPEX；D：喷水冷却、涂XYPEX。如工况6D类试件表示灼烧温度600℃、喷水冷却、涂刷XYPEX浓缩剂。

注：表中改善程度指的是高温灼烧后涂刷XYPEX浓缩剂试件强度比未涂刷试件试件强度的提高程度。

由图1、表4可以发现以下几个规律：(1) 无论何种工况下，涂刷XYPEX浓缩剂的试件强度均高于相应工况下未涂刷的。原因：一是混凝土试件随温度的升高而出现的裂缝，为XYPEX浓缩剂的渗透结晶作用提供通道；二是混凝土表层处由于涂层微膨胀性而相对密实。其中6B试件强度提高程度达到22.65%。

(2) 300℃高温下，无论何种工况下，自然冷却条件下的试件强度均高于相应条件下喷水冷却下的，但涂刷XYPEX浓缩剂后，喷水冷却条件下试件强度提高程度(10.17%)要高于自然冷却条件下的(5.72%)。由此可见：不同的冷却方式对混凝土损伤影响程度不同，由于喷水冷却相较于自然冷却方式加剧了裂缝的发展，因此喷水冷却方式下强度要更低；而XYPEX浓缩剂的渗透结晶作用要依靠高温造成的裂缝作为通道，因此喷水冷却条件下试件的强度提高幅度要高于自然冷却条件下的。但由于养护龄期短、喷水冷却试件损伤大的缘故，XYPEX浓缩剂在短时间内不足以修复所有损伤，由此造成3B类试件强度要高于3D类的。

(3) 600℃高温下，出现反常情况：喷水冷却方式下试件强度高于自然冷却下的。贾福萍等[12]在试验过程中也发现在温度超过650℃时出现此类情况，这是由于喷水冷却方式下造成的混凝土损伤加快了混凝土内外空气与水分的对流，从而在一定程度上起到自愈，对其原因还有待于试验证实。各工况下混凝土试件在涂刷XYPEX浓缩剂后均有一定程度的提高，且6B类试件提高程度高于6D类，由此得出：喷水冷却方式下，在涂刷XYPEX浓缩剂前已有一定程度自愈，从而在一定程度上阻碍了XYPEX浓缩剂的渗透结晶作用。

2.2 微观结构性能试验

SEM扫描电镜取点：距离涂层表面0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm处依次取点(综合考虑保护层厚度及电镜扫描范围)。同时不同矿物成分结合处是比较薄弱的位置[13-15]，因此对骨料与水泥浆交界面处进行扫描观察。

2.2.1 扫描结果

各工况下扫描结果见图2—图5。

2.2.2 扫描结果分析

通过对比分析各工况下微观结构形貌图，可推断如下几点规律：

(1) 各工况下不同深度处均有结晶物质，且结晶物质的量与距涂层的距离有关，距离越大，结晶物质的量越少。由此可见：XYPEX浓缩剂能够通过渗透结晶作用密实混凝土，且离混凝土表层越远渗透结晶作用越弱。

图2 微观结构形貌图(300℃喷水冷却)

(2) 各工况下均呈现表层混凝土结晶物质的量多但密实性相对较差。这主要是因为在高温下，表层混凝土损伤大，密实性较差，并且养护时间相对较短，导致XYPEX浓缩剂虽然能够产生的结晶物质密实混凝土，但在有限时间内难以弥补高温造成的损伤。

(3) 不同冷却机制对XYPEX浓缩剂修复效果的影响：其他条件相同的情况下，自然冷却却方式下的密实性要优于喷水冷却方式下的，但结晶物质的量要相反。这主要是因为在冷却过程中，喷水冷却造成的混凝土损伤要更为严重，由此为XYPEX浓缩剂的渗透结晶作用提供了便利。

(4) 不同温度对XYPEX浓缩剂修复效果的影响：300℃试件孔隙率相对较低，且结晶物质的量要低于600℃高温下的。这主要是由于混凝土的拮抗作用[16-17]导致的：高温作用下，在混凝土内部形成蒸压环境，有效促进未水化水泥反应弥补损伤。然而随着持续升温，拮抗作用随未水化水泥数量的减少而弱化以及损伤的加剧，从而导致高温600℃密实性要差。而孔隙率的提高为XYPEX浓缩剂渗透结晶作用提供了便利，从而比300℃高温下产生更多的结晶物质。

(5) 在升温与冷却过程中，骨料的热胀冷缩与水泥浆的脱水收缩导致两者变形不同步，从而降低了交界面处的粘结密实性，进而影响混凝土的性能。而由扫描图可见，交界面处有较多结晶物质，密实性较高。由此推断XYPEX浓缩剂能够通过渗透结晶作用密实交界面区域。

2.2.3 能谱分析

能谱仪的测试取点：距离涂层0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm，特征元素取为Na(测试结果见表5)。

表5 测试结果(Na元素)

由表5可见：

(1) 各工况下，Na元素的含量与距涂层的距离呈负相关关系，其中涂层处含量最高。由此可见涂层处仍含有大量的XYPEX浓缩剂可参与后续反应。

(2) 各工况下，Na元素含量在各深度处并未呈现稳定趋势。由此可推断XYPEX浓缩剂的渗透结晶作用影响深度要大于20 mm，即混凝土保护层范围内密实性得到改善。

2.2.4 CCCW对混凝土中性层深度的影响

用酚酞试剂测试混凝土中性层深度(见表6)。

表6 中性层深度

在高温环境下，混凝土整体性将遭到严重破坏[18]。但据表6可见：涂刷XYPEX浓缩剂后，高温灼烧混凝土试件中性层深度得到明显改善。各工况下，未涂刷XYPEX浓缩剂的中性层深度是涂刷XYPEX浓缩剂中性层深度的2倍～3倍。由此推断，XYPEX浓缩剂能够改善混凝土抵抗外界有害物质侵蚀的能力，进而改善混凝土的整体性。

3 结论与展望

3.1 结论

通过设计力学性能试验以及微观结构性能试验来研究水泥基渗透结晶型防水材料改善高温灼烧混凝土性能的程度，据此来探讨其应用于实际结构加固工程的可行性。主要结论有：

(1) 力学性能试验：灼烧温度与冷却方式对XYPEX浓缩剂的修复效果有重要影响。各工况下，温度越高，修复效果越显著；冷却方式对修复效果的影响：300℃高温时，喷水冷却方式优于自然冷却方式；600℃高温时，自然冷却方式优于喷水冷却方式。

(2) 微观结构性能试验：XYPEX浓缩剂能够通过渗透结晶作用改善各工况下混凝土性能。

(3) 能谱测试试验：通过分析不同深度处Na元素含量，据此推断XYPEX浓缩剂的渗透结晶深度(均超过20 mm)，得出混凝土保护层深度范围内的密实性得到改善。

(4) XYPEX浓缩剂能够降低高温灼烧混凝土的中性层深度，改善混凝土的整体性。

3.2 展望

目前对于水泥基渗透结晶型防水材料应用于混凝土加固修复方面的研究还未形成系统，本文通过试验研究该材料对高温灼烧混凝土的力学性能以及微观结构性能方面的影响，虽然在一定程度上取得一些研究成果，但也存在如下几个缺陷：

(1) 本试验未设置养护龄期的试验变量(此试验养护龄期为30 d)，时间因素的影响有待研究。

(2) 本试验仅对混凝土材料进行研究，未对实际工程构件及整体建筑进行研究，存在尺寸效应方面的影响，实际应用方面有待深入研究，同时也应尽快建立能够反映实际工程的理论模型及数据关系，为实际工程应用做指导。