不同環(huán)境下混凝土裂縫自愈合的研究現(xiàn)狀及發(fā)展*

石寶存，張士萍，陳瑋，李成，牛龍龍，陳洵安

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院 江蘇 南京 211167）

0 引言

隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，混凝土憑借著成本低廉、性能效果佳、取材便利等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于建筑、橋梁、公路等基礎(chǔ)設(shè)施，在我們的生活中變的隨處可見(jiàn)。隨著如今人們對(duì)建筑質(zhì)量要求的不斷提高，混凝土的力學(xué)性能、物理性能也在不斷的提高，但混凝土實(shí)際結(jié)構(gòu)受自身材料性能的限制，再加上復(fù)議期間循環(huán)荷載的作用，結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)了不同程度的裂縫。這嚴(yán)重導(dǎo)致了混凝土的使用壽命低于它的設(shè)計(jì)壽命，極大的損害了人民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但經(jīng)過(guò)諸多學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，混凝土有著一項(xiàng)重要本領(lǐng)，它能對(duì)自身出現(xiàn)的裂縫有著自我修復(fù)乃至愈合的能力。如果可以正確的利用這一特性，不僅可以使出現(xiàn)質(zhì)量缺陷的混凝土得以修復(fù)，甚至可以廢舊的混凝土起死回生。但通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)靠混凝土自身的這一性能是無(wú)法完成裂縫的自愈合乃至修復(fù)的過(guò)程。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)養(yǎng)護(hù)條件，裂縫的特征等因素在自愈合方面的影響進(jìn)行了研究，取得了一些成果。從中發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)在不同的環(huán)境中會(huì)受到不同的影響，比如：溫度、濕度、酸堿性、應(yīng)力等因素。

環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響具有雙重作用，既可以加速混凝土內(nèi)部損傷的惡化，也可以提高強(qiáng)化混凝土損傷的自愈合能力。如果可以弄清楚在不同環(huán)境下，混凝土裂縫愈合過(guò)程的演變機(jī)制，明確混凝土自愈合能力的最佳條件，就可以提高混凝土自愈合能力的技術(shù)途徑。

1 環(huán)境對(duì)自愈合性能的影響

不同的環(huán)境對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)有著不同的影響，當(dāng)然對(duì)于混凝土裂縫的愈合程度、強(qiáng)度恢復(fù)、抗?jié)B能力等性能也都有著不同的影響效果。比如：不同pH溶液環(huán)境、不同鹽溶液環(huán)境、不同濕度環(huán)境、不同的溫度變化等。

1.1 不同pH溶液環(huán)境

2015年劉素瑞等[1]研究了混凝土裂縫在pH為7、9、11、13環(huán)境培養(yǎng)下裂縫的愈合程度，發(fā)現(xiàn)NaOH溶液環(huán)境下混凝土自愈合效果要明顯好于水環(huán)境下的混凝土，并且pH值為13的NaOH溶液的自動(dòng)愈合能力最好，隨著時(shí)間的增加裂縫斷面出現(xiàn)的C-S-H凝膠和鈣礬石將會(huì)填充到裂縫里面，使裂縫減小甚至愈合。

因?yàn)樵诨炷林袎A過(guò)量經(jīng)常會(huì)發(fā)生堿-骨料反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。但混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)適量堿的需求又是不可避免的。鄭新國(guó)等認(rèn)為堿是水泥水化的穩(wěn)定劑、它也是促使摻合料發(fā)揮火山灰性的激發(fā)劑，NaOH在水泥的硬化中起催化和激發(fā)作用。

1.2 不同鹽溶液環(huán)境

不同溶液的影響大多是陰陽(yáng)離子在起著作用，有關(guān)對(duì)于陰陽(yáng)離子的研究大多數(shù)都是在研究它對(duì)混凝土的分解破壞作用，而沒(méi)有考慮到它對(duì)于混凝土自愈能力的研究。

2012年吳澤媚[2]在相同濃度下，無(wú)論是NaCl溶液還是NaOH溶液，它們都有利于水泥的水化。而不同的實(shí)驗(yàn)形式都反應(yīng)相同的結(jié)果，PaulBrown[3]將少量的氯鹽加入水泥里，就會(huì)有C-S-H凝膠和Ca（OH）2大量反應(yīng)，也有不容于水的F鹽生成。這與王春梅[4]的研究結(jié)果類(lèi)似。也就是說(shuō)他們都用實(shí)驗(yàn)證明，氯鹽可以明顯地促進(jìn)水泥水化程度，水泥水化產(chǎn)物與Clˉ離子反應(yīng)生成的不溶性F鹽起到固化Clˉ離子的作用。

2015年劉素瑞等[1]對(duì)比研究了不同濃度硫酸鈉、氯化鈉、碳酸鈉（0%、2%、4%、6%）的溶液環(huán)境下，預(yù)制裂縫的混凝土表現(xiàn)出不同程度的自愈合能力。隨著濃度的增大，混凝土自愈合效果越來(lái)越明顯。6%硫酸鈉溶液在15d左右時(shí)就將具有裂縫的混凝土的強(qiáng)度已完全恢復(fù)；達(dá)到28d的時(shí)候，混凝土強(qiáng)度達(dá)到了137.8%，隨著時(shí)間增長(zhǎng)到達(dá)60的時(shí)候，卻只能達(dá)到75.8%，從此也就可以看出硫酸鈉溶液對(duì)于裂縫的自愈能力相對(duì)于其余兩種溶液最為突出。大致的過(guò)程就是硫酸根離子與水化產(chǎn)物CH迅速反應(yīng)，裂縫斷面出現(xiàn)的CS-H凝膠和鈣礬石將會(huì)填充到裂縫里面，將減小裂縫甚至愈合。隨著齡期延長(zhǎng)裂縫中就會(huì)堆積較多的鈣礬石一類(lèi)的物品就會(huì)在裂縫處膨脹，當(dāng)膨脹顯著時(shí)，使愈合的裂縫再次愈合。相對(duì)于硫酸鈉溶液來(lái)說(shuō)，氯化鈉溶液下的自愈能力就要差一點(diǎn)，6%氯化鈉溶液將混凝土裂縫的強(qiáng)度完全恢復(fù)需要30天，而在此溶液中恢復(fù)率達(dá)到100%則需要49天，60天的時(shí)候達(dá)到108.3%。氯化鈉溶液處理裂縫就是將碳酸根離子與氫氧化鈣反應(yīng)生成碳酸鈣沉積在裂縫斷面處，碳酸鈣堆積到一定程度將會(huì)結(jié)晶，而就有晶體填充裂縫使其愈合。

2016年李海川[5]通過(guò)裂縫測(cè)寬儀分析鹽溶液環(huán)境下裂縫的修復(fù)效果，分析對(duì)比了水泥砂漿在不同濃度鹽溶液環(huán)境下前后裂縫寬度變化，發(fā)現(xiàn)裂縫的修復(fù)效果一般是先升高后降低的趨勢(shì)。推斷自修復(fù)的原因是鹽溶液中隨著未水化的水泥不斷水化，不同離子與水化產(chǎn)物反應(yīng)的生成物促進(jìn)了裂縫的修復(fù)。

1.3 不同濕度環(huán)境

1995年挪威學(xué)者Stefan[6]對(duì)混凝土進(jìn)行多次凍融實(shí)驗(yàn)之后，將被破壞的混凝土僅僅放在水中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)2~3個(gè)月，混凝土的強(qiáng)度就會(huì)恢復(fù)到3%~4%，Stefan還發(fā)現(xiàn)在裂縫邊緣有了明顯的生成物，新的水化產(chǎn)物大都有著相似的特征，產(chǎn)物在裂縫邊緣處是最密實(shí)的，相比之下新產(chǎn)物裂縫的中央較為松散，這也導(dǎo)致了裂縫的寬度的減小，經(jīng)過(guò)超聲波測(cè)速實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，自愈合之后的混凝土的超聲波波速上升很快，甚至超過(guò)了初始的速度。此實(shí)驗(yàn)表明未水化部分遇水重新水化形成新的混凝土顆粒，使裂縫進(jìn)行愈合。劉力先經(jīng)混凝土試件進(jìn)行高溫處理，然后放在潮濕環(huán)境中，觀察一段時(shí)間后，混凝土表面的裂縫部分有所愈合。

經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，混凝土自愈合技術(shù)逐漸被發(fā)現(xiàn)并完善，2006年，呼和浩特機(jī)場(chǎng)的樓板裂縫經(jīng)過(guò)幾次大雨的澆淋之后變得不在漏水。針對(duì)這一現(xiàn)象，楊萬(wàn)科[7]進(jìn)行了研究，他先將試塊分為2組，將其放在不同的情況下進(jìn)行研究：一種是對(duì)試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在裂縫處填入新拌砂漿，放入養(yǎng)護(hù)池進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，另一種是直接在斷裂的混凝土上補(bǔ)全另一半，進(jìn)行28天養(yǎng)護(hù)，然后對(duì)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，所得結(jié)果達(dá)到原試件抗拉強(qiáng)度的70%，楊方林提出因?yàn)榛炷劣袧駶q干縮的特性，因此在潮濕的環(huán)境下，混凝土發(fā)生膨脹，使裂縫變小直至愈合。隨后，其檢測(cè)小組又對(duì)機(jī)場(chǎng)起飛跑道進(jìn)行了修補(bǔ)，清除干凈裂縫周?chē)嘤嗟囊呀?jīng)損壞的混凝土，然后放在水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，隨后澆筑新的混凝土，該跑道至今一直被使用。進(jìn)一步地證實(shí)了混凝土熱脹冷縮的特性在愈合裂縫時(shí)所起的作用。

2008年柴鵬[8]選用0.3mm厚，150*200mm的厚片插入混凝土試件進(jìn)行裂縫預(yù)制，將預(yù)制裂縫的混凝土試塊分為5組，5組試塊均用溫度20°的水，相對(duì)濕度為95%以上的空氣環(huán)境進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，結(jié)果表明，兩種養(yǎng)護(hù)方法早期抗拉強(qiáng)度差距不大，但隨著齡期的增長(zhǎng)，在清水中養(yǎng)護(hù)的混凝土試件，裂縫處的抗拉強(qiáng)度明顯高于普通養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度。他也就認(rèn)為為反應(yīng)完全的水化水泥顆粒在20°的清水中將會(huì)繼續(xù)反應(yīng)，而生成的產(chǎn)物將會(huì)愈合裂縫。

1.4 不同的溫度環(huán)境

在高溫環(huán)境下，水泥水化、凝結(jié)硬化速度快，水化程度大。相反則速度慢，水化程度小。因此，高溫環(huán)境對(duì)水泥混凝土裂縫的自愈合起到一定的促進(jìn)作用。2003年Hans-WolfReinhardt[9]將預(yù)制裂縫的混凝土進(jìn)行有關(guān)溫度的實(shí)驗(yàn)，控制其他變量保持一致，將預(yù)制的混凝土裂縫放在不同的水溫環(huán)境中，研究不同溫度對(duì)混凝土裂縫的愈合能力的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：水溫越高，裂縫自愈合反應(yīng)速率越快，愈合效果也就越好。

2013年楊文科[7]指出裂縫培養(yǎng)的溫度環(huán)境越低，裂縫自愈合效果越好。因?yàn)闇囟容^低時(shí)，水泥水化反應(yīng)速率較慢，這樣未反應(yīng)的剩余物變多，進(jìn)而使得裂縫得到盡快填補(bǔ)。

2012年張軍學(xué)[10]將預(yù)制裂縫的混凝土放入3種不同的溫度環(huán)境進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)它們的抗壓強(qiáng)度都有明顯的增長(zhǎng)，溫度最高環(huán)境培養(yǎng)下的混凝土試塊愈合效果是最好的。

2 研究自愈混凝土存在的問(wèn)題

到目前為止，自愈性混凝土的研究還處于一種初級(jí)階段，研究還尚不成熟。大多都停留在試驗(yàn)探索階段，對(duì)于如何將其投入到實(shí)際工程應(yīng)用[11]中去和環(huán)境因素對(duì)混凝土自愈合能力有何具體影響等問(wèn)題，都還沒(méi)有得到很好的解決。

（1）針對(duì)不同環(huán)境條件下混凝土裂縫的自愈合性能研究很少，且沒(méi)有明確掌握環(huán)境因素與混凝土裂縫發(fā)展之間的相關(guān)性。

（2）沒(méi)有明確揭示有利于混凝土裂縫自愈合的最佳環(huán)境條件，對(duì)于動(dòng)態(tài)環(huán)境的研究也比較少。

（3）目前還沒(méi)有一個(gè)合理的可控的預(yù)制裂縫方法，這對(duì)試驗(yàn)工作、數(shù)據(jù)對(duì)比和實(shí)際工程應(yīng)用中都帶來(lái)了很大的麻煩。

（4）有關(guān)自修復(fù)的研究目前還未有一致的材料好壞判斷與修復(fù)效果的評(píng)價(jià)方法，有關(guān)研究應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。

（5）目前自愈合的研究主要是單個(gè)因素對(duì)其的影響，而涉及多個(gè)因素疊加影響的研究還非常少，并且還不確定什么因素對(duì)自愈合有影響，變化規(guī)律也不清楚。

3 結(jié)語(yǔ)

目前混凝土主要的自修復(fù)方式有：形狀記憶合金的損傷控制、基于空心光纖和空心纖維的自修復(fù)方式、基于膠囊的自修復(fù)方式[12]、微生物混凝土裂紋的自修復(fù)。雖然國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)其做了大量的研究，但對(duì)于修復(fù)劑與修復(fù)載體的選擇、修復(fù)體系與基體性能的匹配、制作工藝的適應(yīng)性、微生物及其載體的選擇和準(zhǔn)備、檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法等問(wèn)題仍存在著大量的缺點(diǎn)或缺陷。并且對(duì)于如何建立一個(gè)有利于混凝土自愈合的激勵(lì)環(huán)境，裂縫的愈合過(guò)程的演變機(jī)制等還缺乏全面系統(tǒng)的研究。

智能化是未來(lái)建筑材料發(fā)展大趨勢(shì)之一，因此對(duì)自修復(fù)混凝土的研究是不可避免的。世界上的建筑材料都離不開(kāi)混凝土，也可以說(shuō)混凝土是所有建筑設(shè)施的根本。自修復(fù)自愈合混凝土、自感應(yīng)混凝土和自調(diào)節(jié)混凝土是智能混凝土3個(gè)重要的發(fā)展方向?？茖W(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和人們環(huán)保意識(shí)的提高，傳統(tǒng)混凝土最終會(huì)被這種新型自修復(fù)混凝土所取代，這也是以后建筑材料科學(xué)的進(jìn)步提供了新的動(dòng)力。如果我們弄清楚在不同環(huán)境下，混凝土裂縫愈合過(guò)程的演變機(jī)制，明確混凝土自愈合能力的最佳條件，從而提高混凝土的自愈合能力，使混凝土結(jié)構(gòu)具備防護(hù)功能，具有極大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，對(duì)保證建筑物的安全和耐久性具備一定的指導(dǎo)意義。