施工与建筑材料 含结晶混合物的混凝土在不同的环境的自愈合能力外文翻译资料

 2022-07-29 14:24:11

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施工与建筑材料

含结晶混合物的混凝土在不同的环境的自愈合能力

M. Roig-Flores，S.Moscato，P. Serna a，L. Ferrara ICITECH-混凝土科学与技术研究所，瓦伦西亚政治大学，Spai Politecnico di Milano，意大利米兰

本文要点

提出了一种基于渗透性来研究自愈过程的方法。

将裂纹的形态特征作为自愈性能参数进行分析。

水对于水泥自体和晶体混合物的愈合至关重要。

结晶添加剂使自愈合效果更稳定

摘要图表

关键词:Concrete Self-healing Autogenous Crystalline admixtures Permeability Durability

【摘要】本研究分析了含结晶混合物的混凝土在四种环境中的自愈效应。对有裂纹试样进行渗透试验，使用光学显微镜观察裂纹的物理闭合，并将裂纹几何参数量化。通过以上几个方法研究试样的愈合效应。在本实验中裂缝宽度小于300 lm，愈合时间为42 d。实验的结果表明是否接触水以及是否添加结晶混合物会对自愈合效果产生影响，并且发现在自愈合过程中水分是必不可少的。

1.背景介绍

自愈材料是能够自主修复小损伤或破裂的材料。研究材料自修复性能的主要原因是材料自修复性能可以延长建筑的使用寿命; 同时，自修复性材料修复自身损害的特性也能使具有维修困难或者维修成本高昂的建筑受益 [1]。 因此，今后采用自修复性能混凝土的建筑数量将会逐渐增加。

混凝土固有的愈合潜力称为自体愈合，自体愈合发生在普通混凝土中，但是其修复性能是有限且不可预测的。 1981年，内维尔已经提到这种现象，提出了自体愈合的原因[2]。 他发现细裂缝可以在潮湿条件下完全愈合，并通过水合水泥和碳酸化的延迟水化来解释这一现象。然后，Hearn（1998），Edvarsen（1999）和ter Heide（2005）对这些过程进行了研究：这些作者认为，自我修复的主要过程是延缓新混凝土的水化，对旧混凝土由碳酸化产生影响[3-5] 最近的研究比较了使用不同百分比的波兰水泥和不同掺量添加剂的水泥。其中含有高炉矿渣或粉煤灰的水泥有较强自修复性能，不同的络合剂通过碳酸盐沉淀效应增强了延迟水合的作用 [6-8]。其他研究集中在使用纤维以限制裂纹宽度和同时增强自发愈合[9,10]，研究使用不同材料制成的纤维[11]以及在不同环境养护下的愈合过程[12]。但自体愈合是不可预测的。为了获得显着的治疗效果，为此过去几年中已经研究了几种新的“工程化修复概念”，例如使用微胶囊的络合剂[13,14]，微型混凝土[15]或使用结晶外加剂[16]结晶混合物（CA）是由ACI委员会212 [17]报道的特殊类型的渗透性还原剂外加剂（PRAs）。与防水或疏水产品相反，这些材料是亲水性的，这使得它们与水容易地反应。当这种反应发生时，它形成水不溶性孔/裂缝粘附沉积物，其增加了硅酸钙水合物（CSH）的密度和耐水渗透性。在这种情况下，需要反应的基质成分硅酸三钙（C3S）与水。这些产品由水泥和沙子中所含有的活性化学物质形成改性的CSH，与结晶促进剂，钙和水分子形成的沉淀物。结晶沉积物成为基体的一部分，与疏水材料不同的结果不同，结晶沉淀物能够抵抗高达14巴的压力[17]。

一些研究人员研究了粉煤灰，膨胀外加剂，硅粉，结晶混合物和石灰石粉末等不同添加剂的标准波兰砂浆的裂缝修复，以完全浸水作为愈合的表征[18]。结果表明，结晶混合物在小裂纹（小于0.05mm）范围内比其他添加剂能更加有效改进裂纹自愈;然而，结晶混合物对于更宽的裂缝无效。在另外的研究中，通过研究渗透性和裂缝闭合比较结晶混合物、膨胀性外加剂和两种产品混合使用对自愈性能的影响。研究显示结晶混合物的自愈能力的极限是150 lm的裂纹，而两种试剂的混合物在水浸30天后能使400 lm的裂纹自愈。在机械性能的恢复方面，研究具有结晶混合物的普通混凝土和高性能纤维增强混凝土两种材料，其中一些参数，如强度恢复，在自愈过程后有比较明显的提升[19]。其他研究人员分析了在四种不同养护环境下（水浸/无水浸，湿/干循环，湿度室或空气暴露）的混合物在强度恢复方面的愈合效果，其中效果最好的是浸水[19] 或湿/干曝露[20]环境下的样品。

自愈性质的研究是基于通过机械或耐久性的特定损伤（例如裂纹）的受控制造，研究不同条件下的损伤演变。 近年来，研究人员已经提出不同的方法来分析裂纹样品的渗透性，例如负载试验的性能同时进行[21]或对每个相[16]使用独立试验[16]。关于诱导损伤与渗透性的关系 ，Edvardsen提出了裂纹混凝土样品的水流与裂缝宽度之间的立方关系并结合Poiseuille法[4]得出的表达式。

2.研究目标

本研究的主要目标可归纳如下：

分析结晶外加剂对增强自愈机制的影响。

确定养护环境对掺入/未掺入结晶混合物的混凝土的自愈过程的影响。

根据样品全局渗透性的测量和自愈期间前后裂纹的不同结构特征，探究裂纹试样自愈性评价方法。

3.实验方案和材料

3.1实验方案

本实验根据现有文献，决定将裂纹宽度始终保持在0.3mm以下，因为它是使用状态下的裂纹宽度的常见阈值，可以有自发和CA修复而愈合。预裂纹的时间固定在2天，因为大部分由于收缩引起的裂纹可能在铸造时间后几天发生。由于与实验程序相关的需要，在预裂化后1天进行初始渗透性试验。在最后一次渗透性评估之前为自愈过程设定的时间为42天;事实上，在大多数研究中，样品裂纹在较短时间的水浸养护时被修复。

本研究中研究的实验变量有： 结晶混合剂用量：0％（对照样品），4％（质量）水泥（CA标本）。

自愈养护环境：实验室条件下的水浸（WI），水接触（WC），湿度室（HC）和空气。

这项研究包括渗透率演化的主要研究和对裂纹图像评估方法的分析。 共投入8组试样进行渗透率试验，每组由6个混凝土试样组成。 还有需要进一步探究的样品组别。 在所有样本中，每组选三个用于裂纹参数的图像表征。 表1总结了每个组的式样数量的概况：总共测试了61个样品的渗透率，而对24个样品进行了裂纹的图像分析。

3.2 材料和混合比

在本研究中决定使用纤维增强混凝土。由于该项目的重点是研究预开裂试样的愈合效果，因此纤维可以在预开裂过程中控制裂纹宽度并保持其宽度。钢丝纤维的数量根据裂纹数量控制，同时避免裂纹过度分散，最终钢丝纤维的标准固定在40kg / m3。

所使用的水泥是来自Elite Cementos S.L的CEM II / A-L 42.5R。在两种混凝土中使用的水/水泥比为0.45。将粉末形式的结晶混合物的水泥重量的4％的剂量引入CA混凝土中，其性能与对照样品（无结晶混合物）进行比较。两种混合设计如表2所示。

用于制备混凝土混合物和不含结晶混合物的标准是对混凝土可加工性的相似影响，保持石灰石粉末和结晶混合物的总和不变。事实上，它们都将作为糊状基质相的致密剂。增塑剂，ViscoCrete 5720，每个不同组的剂量进行了调整，以得到相似的结果

坍落度（140 mmplusmn;20 mm）。

表1每组的标本数量

表2混合控制和CA混凝土设计

共投入7批对照混凝土和6种结晶混合物。对于每个批次，根据UNE-EN 12390-2制取三个U150 300mm圆柱形样品，以根据UNE EN 12390-3确定28天的抗压强度。所有批次的参数还包括其符合UNE EN 12350-2：2009的坍落度测试的可操作性。进行这些对照试验是为了验证不同批次的试样的同质性，但属于同一混合组（对照组或CA组），并比较两组混合组（对照组和CA组）的结果。每组各批次的数据取平均后，观察到CA混凝土具有明显更好的抗压强度，比对照混凝土高出约15％。坍落度试验结果差异略低，混凝土的平均结果为13cm，CA混凝土的平均结果为15cm，这在标准坍落度试验的可接受公差范围内。

4. 实验方法

本研究中用于评估自我修复效果的方法包括四个阶段：第一，在样品中产生受控损伤; 第二，某些性能的恢复量; 第三，模拟条件或养护环境需要达到更好的治愈效果，最后评估在第二阶段测量的相同性质的回复率。 通过分析自愈过程前后裂纹试样的混凝土孔隙率以及

裂纹几何参数（即其宽度和/或面积）的变化，从而对自愈效果进行校验。

4.1． 形成损伤：预开裂步骤

圆柱样品（U150 150 mm）在2天的时间内产生裂纹，通过劈裂试验诱导受到控制的损伤（图1）：裂纹的宽度由校准尺控制被设定为目标值。在进行劈裂试验时，用校准尺测量裂纹宽度，获得0-0.3 mm宽度范围内的裂纹。

4.2． 性能评价：渗透性试验

在本研究中采用了基于在UNE-EN 12390-8中描述的渗透性试验的方法，但是是测量水流量而不是水渗透。 为了保证样品侧面的不渗透性，在预裂开裂试验期间与机器装载台相接触的侧面区域用环氧树脂Sikadur 31-CF密封，如图2所示。 应该注意的是，树脂不能明显渗入裂缝内部，而只是涂在外部。

通过施加等于2.00plusmn;0.05巴的头部水压来进行测试。 在5分钟时间内测量穿过裂纹的水量。 较大的裂缝会通过较多水流，以这种方式进行校验。如果在愈合过程之后裂缝闭合，则水流量相较于之前应减少。 测试中使用的透度计及其组成的不同部分如图3所示。

图1混凝土试样的预裂化过程

图2 Sikadur标本横向密封

图3 渗透能力计（a）及其部件：压力计（b），密封环（c），辅助结构（d），制备的样品（e）

4.3性质评价：研究裂纹几何参数

此外，通过测量裂纹几何参数来印证渗透率测试的测量数据。通过裂缝的图像对裂纹进行测量; 摄影软件Adobe Photoshop CS6用于图像处理。 每张照片的大小为1600 1200像素，大小为86毫米，因此1像素相当于5 lm。在全景图像中，图像的分辨率保持较大，因此5 lm是测量分辨率的极限。 使用数字光学显微镜（60,200），在愈合养护前后摄取这些照片。 应注意在拍照前，所有的标本用压缩空气清洗。

裂缝几何参数的测量有两个目的：首先，寻求与在渗透试验测量的水流量的相关性; 第二，分析相同的裂缝，自愈效果变化的原因。计算水流量和裂纹参数的最终和初始值之间的比率。 透水性是为了定量比较用于自愈不同方法的参考值。

裂纹几何参数可以分为两种，裂纹宽度和裂纹面积。 裂缝面积可能是比较有效的参数，因为它将包括整个裂缝长度的裂纹宽度。 本研究测量了四个裂纹几何参数：

wmax，最大裂缝宽度：通过图形软件，确定整个裂纹长度的最大裂缝宽度，单位为毫米。

wavg，平均裂纹宽度：通过图形软件，裂纹宽度（以毫米为单位）在五个固定位置确定并平均。

Aest，从平均裂缝宽度wavg估计：使用裂纹宽度的五个度量，并乘以相关长度，以毫米为单位。

Apx，测量黑色像素：通过使用图形软件，图像中的黑色像素被计数，这表示裂纹区域。

平均宽度wavg平均是沿着裂纹在规定位置拍摄的五个宽度测量值。在将格栅与图像相同的尺度（图4）之后，准备在全景图像上重叠的格子。具体来说，由于每个表面的裂纹长度不同（顶部裂纹为7.5cm，底部为15cm），因此使用两个网格，一个用于顶部裂缝，另一个用于底部裂缝。第二组包括平均裂纹面积的测量和图像中黑色像素的测量。通过用于计算wavg的相同方法，通过将五个测量宽度（以毫米为单位）乘以其相关长度获得以毫米为单位的面积Aest来估计裂纹面积。以这种方式，所得到的面积被近似为五个矩形的面积之和。计算裂纹面积的第二种方法是使用图形化软件来量化图片内的黑色像素数量。为了避免图片被其他黑暗部分影响黑色像素的量化，所有的全景图都通过软件的特定工具进行清洁（图5）。

图4 顶部裂缝和网格的全景标记测量点

图5 顶部裂纹的全景及其黑色像素（清洁前）。

4.4 养护环境模拟

研究了四种养护环境，以确定湿度对测试样品的自愈能力的影响，比较参考混凝土与结晶混合物混凝土（图6）。

  1. WI（浸水）：在实验室条件下连续浸入自来水中，在愈合期间（水温15-16℃）不换水。
  2. WC（水接触）：在顶部裂缝上放置头压为2厘米水柱的一层水，并在20℃和95plusmn;5％相对湿度的湿度室中储存。 保持水层为2cm，必要时补水。
  3. （c）HC（湿度室）：样品在20℃和95plusmn;5％相对湿度的标准湿度室内储存。
  4. （d）AE（空气暴露）：室内正常实验室条件下样品的储存，无外部影响（17 C和40％RH）.E

以上每种类型

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