关于研究矿物配合料和环境对水泥自修复能力影响的研究外文翻译资料

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关于研究矿物配合料和环境对水泥自修复能力影响的研究

Zhengwu Jiang, Wenting Li, Zhengcheng Yuan

同济大学先进土木工程材料重点实验室，教育部，201804上海，中国

摘要：研究了水泥材料添加的各种矿物质（即二氧化硅基材料，化学品膨胀剂，溶胀矿物质和结晶成分）对自修复性能的影响效果。自我修复能力通过透水性测试，量化表面裂纹的宽度并研究通过分裂或压缩预裂开的砂浆而测得的吸水率来表征。结果表明当裂缝处于稳定态而不是流动态时，裂缝愈合越早越高效。高pH和高温加速裂纹愈合。愈合效率可以通过利用矿物而不是单一矿物的组合进一步提高。通过将这些结果与微观观察结合起来讨论了自愈机制。通过较高的pH值和更高的钙离子含量增强的碳酸钙沉淀，被认为是治愈表面裂纹主要贡献者。

关键词：矿物材料；环境条件；自愈；水泥

1.序言

最近，对水泥材料裂缝自愈研究的关注越来越多。自愈通常采用微胶囊或含有愈合粘合剂的中空玻璃纤维，细菌或形状记忆合金的方法实现。这些技术可以用于提高材料的耐久性和寿命，但是他们必须小心进行。例如，添加微胶囊和中空玻璃纤维使混凝土铸造困难，并可能削弱基体的机械响应，因为它们相比不那么强硬。细菌在混凝土中很难生存，因为它是一种高度碱性的环境。形状记忆材料很贵但能更好用于结构维护。最重要的是无机水泥基质和添加相（有机或金属）必须相容，对混凝土的长期性能没有不利影响。

事实上，水泥材料具有固有的愈合能力，通常称为“自愈合”。 如Van Breugel^[1]所说，普通混凝土的自愈能力是一个材料的固有属性，不能通过混合进行。事实上，在自体愈合中，由于水泥，水和周围环境的相互作用裂缝能够自愈合。大多数分析显示，自愈合的主要机制是未水化水泥颗粒和碳酸钙结晶的持续水合作用。在成熟混凝土的愈合机制中，方解石的结晶在裂纹中起主要作用^[2]。自愈合可以使材料的动态弹性模量和水不渗透性恢复，但其强度在很大程度上通常没有改善。

已经发现一些矿物质添加剂可以促进水泥的自修复。例如，矿物材料的扩张和结晶可以产生填补和治疗裂缝产物。换句话说，自修复可以加速和改进。这种方法可以利用和与水泥的固有特性基质相容，如其高碱度和潮湿环境。自修复是通过水泥组分的水合作用完成的，这是基于未水合的水泥颗粒存在于系统中。如果大部分水泥在破裂发生前水分充分，自愈过程效率非常低，除非是二氧化硅基矿物质涉及^[3]。这些方法已被用来改进材料的转移性能和需要裂纹宽度不超过几十微米的材料的机械性能^[4]。然而，当材料具有宽度的裂纹大于100lm，这些性能和行为几乎没有改善^[5]。此外，自愈是依赖时间的;本身的和外在的环境条件可以大大影响愈合速率。

膨胀产品（物理或化学）能够填补裂缝从而有助于提高运输性能并提高机械性能。然而，当体积膨胀太大时，可能会发生由约束变形引起的破裂^[6]。不均匀成核发生在溶液中的碳酸钙沉淀期间。结晶，沉淀主要是碳酸钙的动力学晶体生长受温度，浓度，溶液pH值和二氧化碳的分压的影响。Kishi^[7]等人使用碳酸盐，如Na ₂ CO ₃和Li ₂ CO ₃，以加速钙的沉积变成裂缝。结果表明，愈合产品很松散，因此愈合对材料的机械性能没有积极的影响。除了碳酸盐之外，还使用了膨胀剂来克服这个困难。然而，对影响钙的结晶和沉淀碳酸盐的内部和外部因素知之甚少。这些因素将在本研究中进行调查。水泥与砂浆组分，化学膨胀剂^[8]，膨胀矿物或结晶材料混合的自愈能力（透水性，裂纹宽度和吸水性）也将在这里进行实验评估。相关的愈合机制是通过显微镜观察进行探索。

2.试验计划

2.1样品制备

砂浆与水泥比为0.45，砂比为2，使用普通硅酸盐水泥（CEMI 52.5N）制成。添加 四不同的矿物材料（即二氧化硅基，化学膨胀，溶胀和结晶添加剂，分别表示为a，b，c和d）。表1列出了四种特定的矿物添加剂。

根据ASTM C192-06进行混合。然后将砂浆浇铸成70.7毫米times;70.7毫米times;70.7毫米大小^[9]。24小时后将灰浆脱模，随后将其放入标准的固化室中，控制温度为20plusmn;2℃，RHP为95％。

表1 在实验中使用的矿物添加剂

图1 砂浆形成机理

2.2测试方法

灰浆的自愈性能通过三次测试进行评估（即渗透率^[10]，表面的测量裂缝宽度和吸水率）。砂浆用于渗透性测试和表面裂纹宽度的测量都是通过分裂预裂开的方式（图1（a））。一个离散的裂缝产生约0.5mm的最大宽度。 注意裂缝底部宽，顶部窄。用于吸水的砂浆首先使用预裂化，预压缩最大限度地产生分布式微裂纹，宽度约为0.05mm（图1（b））。压缩载重量在同批次标本达到平均极限阻力的90％。

然后使用静止或流动的水（分别为SW或FW）治愈这些破裂前的裂缝。使用FW时，每12小时更换一次水，以模拟水中的水流实际环境。测试完成后的一段时间，将砂浆放回容器中。

2.2.1渗透性

使用常数测量材料的渗透性。设置类似于使用RILEM方法^[11]的设置II.4（图2）。水通过塑料管的顶部添加保证200毫米恒定的水头。渗透砂浆的水量每5分钟记录一次。测定渗透系数（K（m / s））根据样品固化0（初始状态），3,7,14,21,28和60天决定。根据以下等式

K=VL/Aht (1)

试验中V是通过样品的液体的体积，L为流动方向的样品厚度，A为流经的横截面积，h是恒定的水头，t是累积的时间。根据Poiseuille^[12]定律，流量与流体的立方体样品的宽度和渗透系数成比例。裂缝初始宽度的一个小差异可能导致渗透性方面有显着差异，使得治疗前后的疗效比较难。从而相对渗透系数（b）被提出为： (2)

其中PC₀和PC_i分别是砂浆最初和经过一定的水分固化时间的裂纹的渗透系数。

图2用于确定渗透系数的试验装置的示意图

2.2.2表面裂纹宽度

表面裂纹与4条平行线（交点）交叉（由图3中的P1，P2，P3和P4标记），测量裂纹宽度使用VMS3023光学显微镜（放大倍率= 180°）。经过3，7，14，21和28 d的愈合时间后进行测量。对于给定的测量裂纹宽度，效率指数^[13]（c）定义为 (3)

其中A（0）和A（t）是由宽度L（0）的裂纹覆盖的区域，L（t）是最初和经过一定的愈合时间。A（0）和 A（t）是通过图4所示的对角线显示的这两个区域之间的差异。

(4)

图3 用于确定表面裂纹宽度的方法：（a）在裂纹表面上交叉的四条平行线；（b）P4处的裂纹宽度的测量

图4 愈合效率指数（c）由裂纹宽度定义

2.2.3吸水性

砂浆的吸水率按照符合ASTM-C1585^[14]方法。砂浆被铸在直径为100mm，高度为50mm的模具里。 砂浆在50℃的烘箱中干燥3天。然后，将它们压缩以产生微裂纹并用硅树脂^[15]密封。然后将砂浆与水接触深度介于1和3毫米之间。图5表示吸水率测试设置。 记录了经过一段时间（与水接触28天后）砂浆样品的质量。吸收（I）是质量变化（Dm（g））除以砂浆的横截面积（A（mm2））和水密度（q（g / mm3））的乘积。

图5 吸水试验装置示意图

2.3显微镜观察

用镊子将愈合产品裂开表面仔细刮掉，然后在80℃的烘箱中干燥用于SEM和EDS分析。 将产物研磨成粉末用于XRD测试^[16]。

图6 预裂化砂浆在7 d时的相对渗透系数为：（a）单一矿物添加和固化在静止水中，（b）混合矿物添加和固化在静止水中，（c）单一矿物添加和固化在流动水中（d）混合矿物添加和固化在流动水中

除裂纹表面外，预裂化砂浆的侧面用密封硅胶密封剂。然后将砂浆浸入去离子水中使浸出裂缝。 在7天和28天，收集5mL的溶液，然后用HCl稀释^[17]以防止沉淀。此后，集中的钙离子^[18]通过等离子体原子发射光谱电感耦合^[19]测量（ICP-AES）。 pH值使用pH电极^[20]测量。

3.结果与讨论

3.1 渗透性

在不同的固化条件下对7 d和28 d的预裂纹砂浆的相对渗透率进行了比较（图6和7）。结果表明灰浆暴露在水中10天后，渗透率迅速下降。之后，渗透性保持相对恒定。 这些图表明裂纹愈合主要发生在材料保持稳定短时间之后。此外，可以观察到7 d后28 d以后预裂纹砂浆表现出更好的自愈性能。这一观察可以部分归因于为了进一步水合未水合的水泥组分，使得早些时候能够更多地参与愈合。而且，早期，矿物质还存在更多的空隙并且水可以反应以产生更多的愈合产品。 此外使用静水而不是流水时渗透系数下降较快。流水可能会流失

离子。一般来说，使用化学膨胀剂（b）和结晶物质（d）改善了破裂砂浆的渗透性。另外，混合了二氧化硅基材料^[20]，溶胀材料和结晶材料^[21]（ACD）或这三种矿物与化学品一起使用的膨胀剂^[22]（ABCD）显示出更好的水分恢复。

为了确定水分和pH对愈合性能的影响，选择砂浆B，ACD和ABCD，因为他们能够恢复初始材料的渗透性。表2列出用于裂纹愈合的具体固化条件。 图 8和9分别显示对相对渗透系数干燥和固定循环和pH的影响。图8显示循环干燥和润湿可能不会导致材料的渗透降低，因为可能诱发额外的微裂纹。换句话说，水在自我修复中使必要的。 水不仅除了是水泥而且在许多化学反应是一种反应物。而且也是渗透，扩散和迁移的介质离子。参考砂浆比具有矿物加工剂的砂浆总是表现出较低的渗透性。图9显示了尤其是使用矿物质的砂浆的渗透性在碱性条件下与酸性环境相比，改善更为显着。

图7 在28 d时预裂化砂浆的相对渗透系数：（a）单一矿物添加和固化在静止水中，（b）混合矿物添加和固化在静止水中，（c）单一矿物添加和固化在流动水中（d）混合矿物添加和固化在流动水中

表2裂缝愈合环境

3.2表面裂纹宽度

随着时间的推移，观察到裂纹充满愈合产品并且砂浆表面裂纹宽度逐渐降低。 测量裂纹的宽度并记录为时间功能（图10）。这些值在图11中作为功能的时间显示。在28天内形成裂缝的产品主要是白色晶体。 他们从裂缝的两边生长到中间，逐渐填满。裂缝在一定时间后完全愈合（图10（d）和11）。在较短时间内裂缝以较高的比率闭合与上述渗透率结果一致。 此外，14天前的裂缝产品松散; 它们的密度随时间增加。具有较小初始宽度的表面裂缝被更快地填充（例如，图 3（a）显示的部分靠近P1和P2所示的裂纹尖端）。图12显示了使用公式（3）确定的愈合指数（c）。较高的c值表示更好的愈合和裂缝闭合，7天的预裂纹砂浆的表面裂纹宽度比在28天的减小。与渗透率结果一致，

经过静水固化的样品与流动中固化的那些相比，裂纹宽度减小显示较大。与单一矿物砂浆相比，砂浆B，AC

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