化学转换型裂缝自修复材料及其对混凝土耐久性的影响研究

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1、武汉理工大学博士学位论文摘要混凝土耐久性是国际工程界的重要研究课题。大量研究表明：渗透性是影响水泥混凝土耐久性能的最关键因素，它与混凝土耐久性之间存在着极其密切的关系。因此，改善和增强水泥混凝土的抗渗性能，并使其具有优良的裂缝自修复能力是提高混凝土耐久性的重要途径，对于提高混凝土的耐久性具有重要的意义。本文在对裂缝自修复作用机理的分析研究基础上，制备了一种裂缝自修复材料，对该材料的自修复功能和作用机理进行了研究与表征，并系统地研究了该材料对混凝土耐久性的影响。主要研究结论如下：1．在查阅与分析了大量国内外文献资料的基础上，提出了化学转换自修复反应思想

2、，以此为理论依据，制备出了化学转换型水泥混凝土裂缝自修复材料—CCSM。2．研究表明CCSM可显著提高水泥基材料(砂浆、混凝土)的抗渗性能和抗压强度。砂浆试件的一次抗渗压力由0．4MPa提高到1．4MPa以上，二次抗渗压力由O．1MPa提高到1．2MPa以上，抗压强度则由20．41MPa提高到23．54MPa。3．CCSM涂层试件的二次和多次抗渗性能的研究表明，CCSM可显著提高混凝土的抗渗自修复能力；对去涂层试件抗渗性能进一步研究证明CCSM主要是通过活性化学物质扩散渗透到混凝土内部，借助化学转换作用来提高混凝土的抗渗性，并赋予混凝土自修复功能。4

3、．XRD衍射、压汞试验、SEM显微分析和化学分析研究表明，CCSM内含的活性化学物质在水泥基材料中具有扩散渗透性，能在较短的时间内扩散到水泥基材料的内部，并通过化学转换反应促使试件内部的未水化水泥等活性胶凝物质与游离钙离子在孔隙和裂缝中生成不溶性的硅酸钙等结晶体，堵塞内部孔隙，封闭毛细孔通道，显著降低试件的孔隙率(由36．4％降低到14．8％)，并使试件内部的有害孔(孔径为100～200nm)和多害孔(孔径大于200rim)明显减少，从而可阻止水与侵蚀性介质向内部的扩散。而CCSM的活性化合物在化学转换反应中并不消耗，可反复参与反应，从而可赋予水泥基

4、材料持久的裂缝自修复功能。5．对影响CCSM自修复作用的相关因素的研究表明，水泥基材料中应有一定量的水泥含量(10％以上)，才能使CCSM化学转换反应充分进行，从而有效提高混凝土的裂缝自修复作用；延长养护时间、增大环境湿度均有利于CCSM化学转换作用的发挥。6．研究发现CCSM可明显提高混凝土耐化学侵蚀和抗冻融破坏能力。CCSM处理试件在盐酸和氢氧化钠溶液中浸泡3个月后的抗压强度明显提高(增长率超过28％)，在硫酸钾溶液中略为降低(小于10％)，抗渗压力均由1．4MPa提高到1．5MPa武汉理工大学博士学位论文以上；而基准试件的抗压强度分别减少了20

5、％、18％和27％，抗渗压力由O．6MPa降低为0．4MPa；经150次冻融破坏后，CCSM处理试件的强度损失仅为3．5％，而未处理试件强度损失达到15．6％。CCSM改善混凝土耐化学侵蚀和抗冻融破坏的作用机理在于，CCSM通过化学转换反应大幅度减少了试件内部的毛细孔(孔径为100～1000nm)，有效地阻止了水和侵蚀性介质向试件内部的扩散，从而显著降低了侵蚀性介质和孔隙水对试件产生的化学侵蚀和冻融破坏。7．CCSM还可有效抑制水泥混凝土的碱集料反应。当内掺水泥用量3％的CCSM后，试件长度膨胀率仅为基准样的1／9。CCSM抑制碱集料反应的机理可归结

6、为CCSM通过化学转换反应在孔隙与裂缝中形成的结晶体阻止水和碱等物质的渗入扩散，可在一定程度上削弱骨料表面的羟基化作用和Na+、K+、Ca2+等离子向骨料表面的扩散，有利于稳定的固态结构生成，从而避免了硅酸盐吸水肿胀破坏现象的发生。8．吸水率和氯离子扩散系数的测试显示，CCSM可使水泥混凝土的吸水增重率从基准试件的5．91％降低到0．23～O．56％，氯离子扩散系数仅为基准试件的1／5左右。钢筋锈蚀试验表明：在NaCt溶液中长期浸泡后，CCSM处理试件中钢筋仍保持为钝化状态。由此可见，CCSM显著减少了水和氯离子等侵蚀性介质对混凝土的渗透，可有效防止

7、水泥混凝土中的钢筋锈蚀。9．依据扩散理论建立了CCSM在混凝土中的渗透扩散方程，并采用有限元分析方法对CCSM中的活性化合物在混凝土中的扩散速度、扩散深度进行了数值模拟。该模型的理论预测结果与实际测试结果具有很好的吻合性，可用于对CCSM实际工程应用的理论指导。关键N．-混凝土，耐久性，抗渗，自修复，化学侵蚀，冻融，碱集料反应，钢筋锈蚀II武汉理工大学博士学位论文ABSTRACTnledurabilityofconcreteisallimportantresearchsubjectintheinternationalengineeringindust

8、ry．Alotofresearchesindicatedthattheimpermeabilityisthe