浅析如何对混凝土高温后的裂缝进行修复

　　摘要：混凝土结构受火灾之后，不仅对混凝土本身性能产生巨大影响，由火灾等原因引起高温烧伤的混凝土强度随温度的升高明显降低，钢筋与混凝土的粘结力随之下降。本文对高温后的水泥砂浆、混凝土采取了不同的修复方式。通过X射线衍射分析、扫描电镜观察及强度的测定，以及经不同的修复方式修复后的过火水泥砂浆、混凝土的修复机理，从而得出了修复工艺对过火水泥砂浆、混凝土性能的影响规律。

　　关键词：水泥砂浆,混凝土,高温,修复,力学性能

　　1 研究目的及意义

　　混凝土结构受火灾之后，不仅对混凝土本身性能产生巨大影响，由火灾等原因引起高温烧伤的混凝土强度随温度的升高明显降低，钢筋与混凝土的粘结力随之下降，混凝土温度达到300℃后抗拉强度下降50%，抗压强度下降60%，光圆钢筋与混凝土的粘结力下降80%，由于受热，混凝土体内游离水大量蒸发也可产生急剧收缩。混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形受到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。温度裂缝又分为表面裂缝和贯通裂缝两种。这两种裂缝在不同程度上都属于有害裂缝。

　　因此，混凝土的裂缝问题一直是学术界和工程界所关注和研究的重大课题。裂缝的修复自然就成为国内外学者研究的热点问题。裂缝的修复技术及机理自然就成为国内外学者研究的热点问题。针对混凝土修复技术存在的问题，本文将探索和提出过火混凝土的损伤机理，并以此为理论依据，设计合理的修复工艺，对修复前后的混凝土通过X射线衍射分析及扫描电镜观察。探讨修复工艺对混凝土组成、强度等的影响规律。

　　2主要研究内容

　　(1) 在对大量国内外相关资料进行分析和通过实验的基础上，提出高温对混凝土的损伤机理;

　　(2) 设计出合理的修复方案：①浸入清水 ②浸入饱和水玻璃 ③涂刷水泥基渗透结晶材料 ，对受损试件进行修复;

　　(3) 通过对试件的力学性能等试验，研究修复工艺对过火混凝土的强度等的影响;

　　(4) 运用SEM和XRD等手段对混凝土内部产物进行微观分析(特别对新老混凝土界面)结合修补工艺及修补剂对过火水泥砂浆、混凝土成分、强度的影响及影响的机理进行研讨。

　　3 混凝土的修复试验

　　(1) 清水修复

　　将标有A100、A300 、A500、A700(900℃高温后的试块完全呈酥碎状，以无修复条件)的试块各两块放入水槽中，试块互相不接触间隔大约1～2cm,向水槽中注满水。室温养护七天后取出。

　　(2) 饱和水玻璃修复

　　将标有B100、B300、B500、B700的试块各两块放入带有底格的水槽中，试块互相不接触间隔大约2cm，像水槽中注满饱和水玻璃。室温养护七天后取出。

　　(3) 水泥基渗透结晶材料修复

　　先将需要修复的试块用砂纸表面打磨一遍尽量使试块基层达到坚实、毛糙、平整;然后是基层的润湿，用洁净水充分润湿试块基层，打到湿透，但表面同时不能有明水;接着是制浆，本次试验使用的是涂刷修复，所以使用的浆体水灰比较大W/C=0.75，将水泥基渗透结晶材料和水放入容器中充分搅拌均匀;紧接着就是对试块的涂刷;将蘸好浆料的刷子在基层上来回用力圆弧形涂刷，使其浆料充分揉进混凝土的毛糙面中，以利于料浆中的活性化学物质在混凝土的微孔、裂缝中充分渗透、结晶，使两者结合成一体，提高混凝土结构强度和密实性。涂刷方向应一致均匀无积洼，总涂覆量应为1.2~1.5kg/m2。待第一次涂刷的料浆干后(6h~12h)进行第二次涂刷，在涂刷第二层前应先用水润湿前一涂层，第二层的涂刷方向应与第一层的方向相互垂直。涂刷完的试块应使涂层始终处于润湿状态，但是又不能浸泡，所以当涂刷完后应及时送入养护箱中，养护七天后取出。

　　4 混凝土试验结果及分析

　　4.1 修复后混凝土抗折、抗压强度

　　本次试验所采用的三种修复方法：水浸入修复、饱和水玻璃浸入修复、水泥基渗透结晶材料涂刷修复。修复后各自按照试验要求养护7d，7d后测得各修复方法的抗折、抗压强度值。

　　水修复从理论上讲应属于混凝土的自修复，其修复机理为: 水泥发生水化，由于周围空气或水中存在二氧化碳, 使水泥浆中的氢氧化钙发生碳化作用，高温过程中生成的氧化钙再次与水反应生成了氢氧化钙，结果碳酸钙和氢氧化钙晶体在裂缝内析出并生长。晶体聚集、交错产生一种机械粘接作用，又被邻近晶体之间以及晶体和水泥浆及骨料表面间的化学粘接作用所增强, 最后混凝土裂缝部位的抗拉强度得到一定的恢复, 裂缝密闭。

　　水玻璃(Na2O·nSiO2)修复是利用了水玻璃与混凝土中氢氧化钙、空气中或水中的二氧化碳反应，其生成物能起到修复增强作用。水玻璃的修复机理：水玻璃通过裂缝浸入混凝土中，与混凝土中的氢氧化钙发生反应

　　Na2O·nSiO2 + Ca(OH)2 = Na2O(n-1)SiO2 + CaO·SiO2↓ + H2O (3-2)

　　水玻璃与残留在混凝土中的二氧化碳、水反应

　　Na2SiO3 + CO2 + H2O = H2SiO3↓ + Na2CO3 (3-4)

　　两种反应生成的硅酸钙沉淀、硅酸沉淀都能很好的填补裂缝，经过干燥处理后，浸入的水玻璃和生成的硅酸盐会迅速硬化，从而起到了密实作用，同时也提高了混凝土的强度。

　　水泥渗透结晶材料(CCCW)修复法属于渗透结晶修复法，CCCW的作用机理：一般认为，(CCCW)中含有的活性化学物质通过载体向混凝土内部渗透，在混凝土中与水泥水化产物等发生反应形成不溶于水的结晶体，堵塞毛细孔道，从而使混凝土致密。实际上，(CCCW)的渗透机理是活性化学物质，尤其在涂刷早期主要依靠浓度渗透压进行渗透的，(CCCW)中的活性离子通过水为载体在毛细孔逐渐向混凝土中渗透。(CCCW)不是仅仅依靠本身的生产晶体来密实混凝土的，重要的是与水泥水化产物氢氧化钙发生反应，生产不溶的晶体，同时会促进混凝土中水泥水化，生成水化硅酸钙(C-S-H)凝胶晶体。这些晶体封堵了混凝土内部的毛细孔隙和微裂纹，使混凝土致密，从而增强了混凝土的抗渗性能，同时也提高了混凝土的强度。当混凝土处于干燥状态时，活性物质就会处于休眠状态，停止反应作用。一旦由于外力载荷、温差变化等造成新的裂纹或其它的结构缺陷导致混凝土漏水，活性物质便会随水继续向混凝土内部渗透，并再次发生反应生成新的不溶性晶体，封堵新出现的孔隙，起到了自修复功能。

　　4.2 X射线衍射分析和扫描电镜分析

　　本次试验所用骨料碎石的矿物成分主要为白云石CaMg(CO3)2，钠长石NaAlSi3O8，石英SiO2，方解石CaCO3等，水泥的矿物成分主要为C3S，C2S，C4AF，C3A，以及大量非晶质的玻璃相。

　　由图3.14可见，在300℃受火温度下，CaCO3含量比100℃下增加了，说明此时混凝土已开始碳化。

　　300℃受火温度后用(图3.16)饱和水玻璃修复的混凝土裂缝明显且，其原因可能是由于水玻璃在混凝土的表层迅速形成的膜阻止了水玻璃的继续浸入，从而导致了内裂纹得不到修复，这在其强度试验中得到了验证，水玻璃修复的试块强度不如水修复后的强度高。

　　700℃后可以从图3.18中看出Ca(CO)3的衍射强度较500℃时明显减弱，说明此温度下方解石Ca(CO)3开始分解成CaO和CO2。

　　700℃后从SEM照片中可以看到，用饱和水玻璃修复的混凝土更加密实(见图3.20)，用水泥基渗透结晶材料修复后的混凝土中仍可见针状物和絮状物，表明在700℃下，由于混凝土中的裂纹增大，结构疏松，使得修复材料更易浸入其中，重新生成物质填充了裂纹密实了混凝土，从而提高了混凝土的强度。

　　5 结论

　　本次试验采用了三种修复方法：水修复、饱和水玻璃修复及水泥基渗透结晶材料修复，对过火水泥砂浆、混凝土进行了修复处理以提高其强度性能。实验结果表明：

　　(1) 经过高温作用的混凝土试块随着温度的逐步升高，会出现水分的损失现象，温度越高，水分损失就越多;随着温度的升高，混凝土试块的颜色经历了由青灰色→较浅的暗红色→暗红色→浅灰白色的变化过程;随着温度的升高，混凝土试块表面逐渐出现了裂缝，且裂缝越来越大试块外观出现缺角、掉皮和疏松等现象。

　　(3) 三种修复方法中，对比修复后的抗折、抗压强度图，可以看出随着混凝土试块受火温度升高修复的效果也越好，其原因可能是随着温度的升高试块的裂缝增大修复材料更易浸入，采用水修复的效果为最佳，其次是饱和水玻璃，水泥基渗透结晶材料，可以看出液态修复材料比固态修复材料，修复的效果好，浓度大的饱和水玻璃比浓度小的水修复的效果差。

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　　本文选自《中国建筑金属结构》。  《中国建筑金属结构》杂志是由中华人民共和国住房和城乡建设部主管，中国建筑金属结构协会主办。国际刊号ISSN：1671-3362，国内刊号CN：11-4723/TU。邮发代号2-453。本刊为月刊。
 

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