水溶性渗透结晶材料对混凝土性能影响的研究

胡栋，左程，宋嘉城，李杨，周世华

（1.湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南 岳阳 414500；
2.长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉 430010）

耐久性影响混凝土结构的服役寿命，其配合比设计也正从传统的以强度目标为导向逐渐向以耐久性转变[1]。表面涂层防护技术是提高混凝土耐久性的重要手段之一，如氟碳涂层、聚脲涂层、环氧树脂涂层等[2]。但有机高分子涂层只能阻断基体与周围环境的接触，不能实现对混凝土损伤的修复，服役中也存在耐候性不足、大气稳定性不够、抗老化能力不强等问题。

近年来，渗透结晶技术应用逐渐增多，包括水泥基渗透结晶（CCCW）材料、有机硅烷类浸渍材料等[3]，其活性物质能够激活和催化未水化的水泥颗粒，并与Ca（OH）2、AFt等水泥水化产物发生进一步反应，从而填塞毛细孔，增强基体的密实程度，达到损伤修复和表层强化的目的。同时，CCCW材料可在休眠状态与启动状态之间多次转换[4]，具有同寿命服役和反复施效的能力。目前，CCCW材料已在三峡枢纽、上海地铁、周宁抽蓄电站、南水北调中线渡槽等多个工程应用。

传统的水泥基渗透结晶（CCCW）材料具有作用周期长、施工程序多、易爆皮开裂等不足[2]，并且只能在混凝土硬化拆模后进行涂刷。新型的水溶性渗透结晶（DPS）材料利用混凝土吸水动力学特性，克服了CCCW材料的缺陷和不足，喷涂时机不受混凝土硬化状态的限制，并且对基底的干燥程度无严格要求，可在混凝土自初凝后全寿命周期的各个阶段进行施工。但已有研究主要集中在DPS材料对混凝土硬化后期性能的影响[3-6]，在水化早期抗裂性能、养护保湿效果、裂缝修复能力等方面少有报道。

针对上述问题，本文采用平板开裂试验、透水速率试验和渗水高度试验等方法，研究DPS材料对混凝土早期开裂敏感性、裂后自愈合能力、抗压强度和抗渗性能的影响，并分析DPS材料养护和保湿特性，从而为DPS材料的工程应用提供参考。

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，密度3.02 g/cm3，比表面积320 m2/kg，细度0.3%；
粉煤灰：F类Ⅱ级，密度2.39 g/cm3，烧失量0.98%，细度10.4%，需水量比101%，28 d活性指数74.3%。水泥和粉煤灰的主要化学成分如表1所示。

表1 水泥和粉煤灰的主要化学成分 %

人工砂：细度模数2.90，表观密度2.68 g/cm3，石粉含量7.3%，饱和面干吸水率1.62%，级配曲线如图1所示；
碎石：5～20 mm小石和20～40 mm中石，表观密度2.73 g/cm3，饱和面干吸水率0.57%。

图1 人工砂的级配曲线

DPS材料：透明碱性液体，主要性能如表2所示，具有较好的耐热性能以及与混凝土的相容性，可在160℃下保温2 h不出现表面粉化或裂纹，并在混凝土喷洒后不呈滚珠状掉落。

表2 DPS材料的主要性能

减水剂：缓凝型PCA-1聚羧酸高性能减水剂，减水率28%，用于改善混凝土拌合物的和易性；
引气剂：GYQ-1型，用于调整混凝土的孔结构特性，使用前需加水稀释，稀释倍数为100倍。

1.2 试验配合比

混凝土配合比如表3所示。采用WZ-60型卧轴强制式搅拌机拌合，粉料和骨料先干拌2 min，然后加拌合水继续湿拌2 min；
结束后装入边长为150 mm的立方体抗压强度试模和尺寸为φ175 mm×φ185 mm×150 mm的圆台抗渗试模，并经振捣成型和保湿静置24 h后拆模，移入标准养护室养护。

表3 混凝土配合比和原材料用量

使用纯水泥砂浆研究DPS材料的裂缝修复效果，砂浆水灰比为0.5，灰砂比为1∶3，搅拌和成型方法参照GB/T17671—2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行。

1.3 试验方法

（1）抗压强度。混凝土试件分成试验组和对比组，均标准养护7、14、28、90 d后，置于电热鼓风干燥箱中105℃下烘干24 h至恒重，然后试验组在DPS溶液中浸泡24 h至吸收饱和，而对比组在纯净水中浸泡24 h至吸收饱和；
将2组试件取出，表面擦干后再次标养28 d；
最后，按照SL/T 352—2020《水工混凝土试验规程》进行抗压强度测试。

（2）混凝土吸水率及DPS材料吸收率。混凝土试件标准养护7、14、28、90 d后，取出并置于电热鼓风干燥箱中，在105℃下持续烘干24 h至恒重，然后浸泡于纯净水或DPS材料中，浸泡24 h后取出，用湿毛巾擦干试件表面并称量质量，然后利用初始干燥质量和浸泡后的质量计算混凝土吸水率或DPS材料的吸收率。

（3）抗渗性能。采用渗水高度和相对渗透系数研究DPS材料对混凝土透水性能的影响，试验组和对比组的养护龄期分别为7、28、90 d，参照SL/T352—2020进行测试。

（4）早期抗裂性能。平板法开裂试验的试件尺寸为600 mm×600 mm×63 mm。试验步骤和环境要求按照SL/T 352—2020进行。DPS材料用药壶人工喷洒，用量分别为50、150、250、350 mL/m2。喷洒分2次进行，前后时间间隔为30 min，喷洒量比例为60∶40。

（5）裂缝修复能力。使用尺寸为160 mm×130 mm×40 mm的砂浆试件进行试验，研究DPS材料对水泥基材料裂缝的修复能力。砂浆试件的养护龄期为28 d。DPS材料用量分别为10、20、30mL。DPS材料填塞后的试件再分别养护3、7、14、28 d。试验步骤按照T/CECS848—2021《无机水性渗透结晶型材料应用技术规程》进行。

1.4 数据分析方法

混凝土早期抗裂性能分别用每条裂缝的平均开裂面积、单位面积上的裂缝数目、单位面积上的总开裂面积和裂缝降低率进行表征，其中裂缝降低率η按式（1）计算。

式中：C0——对比组单位面积上的总开裂面积，mm2/m2；

C1——试验组单位面积上的总开裂面积，mm2/m2。

DPS材料对砂浆裂缝的修复效果使用渗水速率和渗水速率比表征，计算方法如式（2）、式（3）所示。

式中：Q——渗漏量，mL；

t——试验持续时间，min；

V——渗水速率，mL/min；

Vc——未注入DPS材料溶液对比组的渗水速率，mL/min；

VS——注入DPS材料溶液试验组的渗水速率，mL/min；

μ——试验组和对比组的渗水速率比，%。

2.1 DPS材料对混凝土抗压强度的影响（见图2）

图2 DPS材料对混凝土抗压强度的影响

由图2可见，试验组和对比组的抗压强度均随养护龄期的延长而提高，抗压强度与养护龄期之间呈较好的对数函数关系。相同龄期时，试验组的抗压强度高于对比组，并且差异幅度随养护龄期的延长而缩小。7 d龄期时，试验组和对比组的抗压强度分别为34.7、29.4 MPa，两者相差18.0%；
而90 d龄期时，试验组和对比组的抗压强度分别为50.3、48.2 MPa，两者相差4.3%。这说明在水化早期喷涂DPS材料的作用效果较好。

试验组混凝土吸水率和DPS材料吸收率随养护龄期的变化规律如图3所示。

图3 试验组混凝土吸水率和DPS材料吸收率随养护龄期的变化规律

由图3可见，相同龄期时，试验组混凝土吸水率大于DPS材料吸收率，并且DPS材料吸收率随养护龄期的延长而减小，早期下降速度较快，后期逐渐变缓，两者间呈对数函数关系。实际上，混凝土对液体的吸收能力与自身孔结构特性、液体黏度、环境温度等因素有关[7]。DPS材料粘滞系数高于水，导致DPS材料吸收率小于混凝土的吸水率。不仅如此，随着养护龄期的延长，CSH、AFt、Ca（OH）2、AFm等水化产物数量不断增多，混凝土孔隙率减小且孔径细化，也会导致DPS材料的吸收率减小。

DPS材料吸收率与试验组较对比组混凝土抗压强度提高幅度的关系如图4所示。

图4 DPS材料吸收率与混凝土抗压强度提高幅度的关系

由图4可见，混凝土抗压强度提高幅度随DPS材料吸收率的增加而增大，两者呈线性关系。DPS材料含有碱金属离子、硅酸盐、络合剂、催化剂等组分[2]，通过激活和催化未水化的水泥颗粒，促进水化产物数量增加和体积增多，导致混凝土内部密实程度增大，从而达到提高抗压强度的效果。

DPS材料通过渗透和结晶发挥作用[7]。渗透深度决定了DPS材料的作用范围，而结晶能力影响了DPS材料的作用效果[8]。高强度等级混凝土由于内部密实程度较高，DPS材料的侵入阻力较大、渗透总量较少，导致抗压强度的提高幅度比较有限[6]。这说明DPS材料对表层混凝土具有较强的作用能力。

2.2 DPS材料对混凝土抗渗性能的影响（见表4）

表4 DPS材料对混凝土抗渗性能的影响

由表4可见，试验组和对比组的渗水高度、相对渗透系数均随养护龄期的延长而减小，其中对比组的降低幅度较大，如从7 d龄期到90 d龄期，对比组的渗水高度和相对渗透系数分别减小了52.1%、77.1%，而试验组则分别减小了33.3%、55.5%。相同龄期时，试验组的渗水高度和相对渗透系数均小于对比组，相对渗透系数仅为对比组的12%～24%，表明DPS材料对混凝土抗渗性能的提高效果远高于抗压强度。

混凝土抗渗性能与孔结构特性密切相关。DPS材料对混凝土毛细孔和微细裂纹的作用效果显著，而混凝土抗压强度受毛细孔的影响较小[9]，因而出现DPS材料对混凝土抗渗性能提高幅度远高于抗压强度的效果。同时，表层混凝土DPS材料的活性物质浓度和反应程度高于内部混凝土，导致抗渗试件表面包裹了一层经过密实化处理的“防渗外衣”，因而出现试验组抗渗性能随养护龄期变化幅度较小的情况。这也说明DPS材料喷涂后养护28 d即可达到较好的作用效果。

2.3 DPS材料对混凝土早期抗裂性能的影响（见表5）

表5 DPS材料对混凝土早期抗裂性能的影响

由表5可见，DPS材料能够降低混凝土的早期开裂风险，减小裂缝尺寸，并减少单位面积上的裂缝数量和总开裂面积。但DPS材料的作用效果与其用量有关，低用量下的作用效果比较有限；
而用量超过一定水平后，再继续提高其用量的改善能力降低。如DPS材料用量为50 mL/m2时，裂缝降低率仅为16.1%；
而用量增加到250 mL/m2时，裂缝降低率提高至88.2%；
但用量进一步增加到350 mL/m2时，裂缝降低率提高至95.0%。这说明DPS材料存在比较经济的用量范围。从平板开裂试验结果来看，DPS材料用量在250～350 mL/m2较好。

混凝土早期开裂主要与塑性收缩有关[8]，而水分蒸发是导致塑性收缩的重要因素。混凝土表面喷洒DPS材料后，一方面，可以补充少量的水分；
另一方面，活性物质可渗入混凝土内部，封闭混凝土表层的毛细孔道，减缓了水分蒸发速率，并减少水分蒸发量，从而提高了混凝土的早期抗裂性能。

DPS材料对混凝土表观质量的影响如图5所示。

图5 DPS材料对混凝土表观质量的影响

由图5可见，喷洒250mL/m2DPS材料的混凝土表面呈灰白色，而未喷洒DPS材料的混凝土表面呈白色，说明DPS材料具有一定养护剂的作用，可抑制混凝土的“泛减”现象。混凝土凝结硬化过程伴有强烈的水分交换作用，表层混凝土不断的因水分蒸发而散失，导致内部水分在压力差作用下不断的向表层迁移[10]，而Ca2+、Na+和K+等离子随孔隙溶液的流动而在表面富集和沉淀，从而引起混凝土表观质量的变化。DPS材料的养护剂作用是较CCCW材料的突出优势。

2.4 砂浆的裂缝修复和愈合能力

砂浆试件裂缝修复试验装置如图6所示。试件在标准条件下养护28 d后取出，沿长度方向劈开并重新组合在一起，四周用防水铝箔做密封处理后，在裂缝上方用热熔胶固定一底部开孔的塑料烧杯。通过观察烧杯内水的渗漏量和渗水速率，分析DPS材料对裂缝的修复效果。砂浆试件初始裂缝的平均宽度分别为0.33、0.28、0.42、0.37 mm。

图6 砂浆试件裂缝修复试验装置

DPS材料对砂浆裂缝修复试验结果如表6所示。

由表6可见，整体上，未使用DPS材料的对比组渗水速率的变化较小；
而使用DPS材料的试验组渗水速率随养护龄期延长不断降低，在养护开始的7 d内下降幅度较大，14 d后降幅较小。如对比组的初始渗水速率为10.6 mL/min，养护28 d后的渗水速率为10.0 mL/min；
而试验组的初始渗水速率为9.7～11.3 mL/min，养护7 d后的渗水速率为2.3～4.2 mL/min，渗水速率下降了63%～78%；
进一步养护至28 d后的渗水速率为0.1～0.7 mL/min，渗水速率下降了94%～99%。这说明DPS材料具有较好的裂缝修复能力，但修复效果与DPS材料用量、裂缝宽度、养护时间有关。实际上，不少研究都认为渗透结晶材料仅对宽度不超过0.4 mm的裂缝有较好效果[10-12]。

表6 DPS材料对砂浆试件裂缝修复试验结果

DPS材料的渗透和结晶都是缓慢进行的过程，混凝土抗渗性能和密实程度、水化产物吸附特性、外部水压力等因素对DPS材料渗透速率有影响，环境温度和湿度、离子浓度等因素对DPS材料结晶速率有影响[11]。同时，DPS材料中碱硅酸盐反应、辅助材料催化反应等化学反应的进行也需要有水参与。因此，DPS材料喷涂后需要进行养护，并且裂缝宽度、渗水速率随养护龄期的延长而不断减小。

砂浆试件裂缝修复过程如图7所示，其中初始裂缝宽度为0.37 mm，DPS材料用量为30 mL。

图7 DPS材料对砂浆裂缝的修复过程

由图7可见，砂浆裂缝宽度随养护时间的延长而减小，缝内有大量的白色结晶物质生成，其体积和数量随养护龄期的延长而增大，促使裂缝最后逐渐闭合并消失，如7 d龄期时裂缝已基本被白色晶体完全填充，说明DPS材料提高了砂浆裂后的自愈合能力。

目前，关于DPS材料的修复机理尚未统一，部分研究者认为DPS材料通过结晶沉淀的方式发挥作用[13]，其中的碱硅酸盐能够与Ca（OH）2、AFt、CAH等水化产物进一步反应，生成CaCO3、NaOH、Al（OH）3、CSH等物质[8]，从而填塞毛细孔和微裂隙。但也有研究者认为，DPS材料通过络合沉淀的方式发挥作用[14]，其中的Ca2+络合物能够激活和催化未水化的水泥颗粒，从而促进水化产物体积和数量的不断增多。2种理论都存在一定的缺陷和不足，但随着DPS材料修复作用的不断发挥，混凝土缺陷数量、外部渗水量都会逐渐减少，这对DPS材料的化学反应又起到了抑制作用，并最终导致DPS材料的修复反应中止，DPS材料进入休眠状态。DPS材料在休眠状态与激活状态之间的不断转换，赋予了水泥基材料长期的裂后自愈合与损伤自修复能力。

（1）DPS材料可提高混凝土的抗压强度，但提高幅度与混凝土养护龄期、本体强度、孔结构特性和DPS材料吸收率有关。早龄期和低强度等级混凝土的提高效果明显，而随养护龄期的延长，混凝土对DPS材料的吸收率下降，抗压强度的提高幅度也减小。

（2）DPS材料可使混凝土的渗水高度和相对渗透系数减小，提高混凝土的抗渗性能，且对混凝土抗渗性能的改善效果显著优于抗压强度。但抗渗性能改善效果随养护龄期延长的变化较小，这主要与DPS材料在混凝土表面形成了一层密实化处理的“防渗外衣”有关。

（3）DPS材料可抑制混凝土的泛碱现象，提高水化早期的抗裂性能，并修复微细裂纹。DPS材料用量为250～350mL/m2时，混凝土早期裂缝降低率可达88.2%～95.0%。裂缝修复效果与DPS材料用量、裂缝宽度、养护时间有关，比较经济的养护时长是7～14 d。

（4）混凝土是透水、透气的多孔材料，养护和服役过程中的水分交换可改善内部湿度状况，但DPS材料喷涂后导致混凝土表层密实度提高、透水能力降低和水分吸收特性变差，这对后期水化进程及产物性能的影响需要进一步研究。